海南环岛高速铁路设计中的混凝土配合比和耐久性技术分析

跨海大桥主要由钢结构或混凝土结构组成，其中钢结构主要通过防腐涂层达到长时间使用目的；在混凝土防腐蚀方面，跨海大桥混凝土结构耐久性的提升主要是立足于混凝土材质本身的性能，如采用高性能海工混凝土以提高混凝土结构抗氯离子渗透的能力等。同时，依据混凝土所处结构部位及使用环境条件，需要采用必要的防腐强化措施，如采用涂层或硅烷浸渍等方式进行处理等。工程实践证明，混凝土防腐涂层和硅烷浸渍处理均能有效抵抗氯盐向混凝土的渗透，对钢筋混凝土结构具有明显的保护效果。

目前，国内跨海大桥以东海大桥、杭州湾大桥、青岛胶州湾大桥、港珠澳大桥以及香港的青马大桥等为典型代表，国外混凝土大桥以葡萄牙LUIZI大桥和瑞士Forstenland大桥为代表，具体信息如下所述。

4.3.3.1　港珠澳大桥

港珠澳大桥是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，设计全长约 29 km，总投资额约129亿元人民币。项目建设内容包括：海中主体工程（粤港分界线至珠海澳门口岸段）、香港口岸、珠海澳门口岸、香港连接线、珠海连接线及澳门连接桥。海中主体工程采用桥隧组合方案，长约29.6 km，其中海中桥梁长约 23 km，海底隧道长约 6 km，两个隧道人工岛共长约 1.25 km，人工岛上桥隧过渡段共长约 0.6 km。主体工程按6 车道高速公路标准设计，主要结构构件为钢箱梁，设计使用寿命120年。

港珠澳大桥位于南亚热带海洋性季风气候区，年平均气温在 22.4～23 °C 之间。桥址区域年盛行风向以东南偏东和东风为主，热带气旋影响十分频繁，平均每年约有2个，最多时每年可达6个，4—12月均有可能发生，主要集中在6—10 月。大桥所处环境为严重腐蚀级别。据中交公路规划设计院的信息，其混凝土构件的防腐蚀措施分别列入表4.3-5。

表4.3-5　港珠澳大桥混凝土构件防腐蚀设计方案

对于混凝土构件，应针对结构所处的不同海洋环境区域，结合混凝土结构的耐久性以及经济效应，综合考虑结构主要受力区以及结构不能更换的部位，采用相应的防腐蚀措施，主要包括涂层、硅烷浸渍和外加电流阴极保护。

4.3.3.2　香港青马大桥

香港青马大桥建造于1992年至1997年，横跨青衣岛及马湾之间的马湾海峡，为公铁两用桥，主跨 1 377 m，但300 m边跨侧主缆不设吊杆，实际上只有2跨加劲桁。设计寿命为120年。在混凝土防腐蚀方面主要考虑的耐久性因素是氯离子渗透引起钢筋锈蚀、碱集料反应和热应力裂缝。对混凝土的要求为：良好泵送性能、低水化热、高早强、非常高的抗氯离子渗透性能以及不发生碱-硅酸反应等。混凝土要求及其具体配合比如表 4.3-6 和表4.3-7所示。

表4.3-6　香港青马大桥对混凝土的要求

表4.3-7　香港青马大桥混凝土具体配比

此外，该桥还采用了环氧涂层钢筋和对混凝土结构采用硅烷浸渍处理作为钢筋防锈的双重保险。在采用膏体硅烷进行防护处理的区域，目前仍具备良好的防护效果。

4.3.3.3　杭州湾跨海大桥

杭州湾是世界三大强潮湾之一，风浪大、潮差高、海流急（平均 3 m/s、最大 5 m/s）；海水溶解氧含量大（6.21～8.89 mg/L），氯离子含量变化大（5.94～15.91 g/L），含砂量大（0.041～9.6 kg/m3），海域中还富含海蛎子等海生物。杭州湾海域属亚热带季风气候，冬冷而干燥，夏暖热湿润，雨量充沛，最低－11 °C、最高39.7 °C，年均日照2 000 h，年日辐射量 4 500 mJ/m2，相对湿度平均80%，处于工业性中等酸度、高盐度的大气环境中。

杭州湾大桥的设计基准期为100年，杭州湾跨海大桥全长36 km。主体结构除南、北航道桥为钢箱梁外，其余均为混凝土结构，全桥混凝土用量近250万立方米。为了使大桥达到100年的设计寿命，大桥工程部根据大桥所处环境和腐蚀特点，采取了多种混凝土防腐蚀产品技术和腐蚀监测方法，主要包括：海工混凝土、衬板、塑料波纹管、耐腐蚀钢筋、钢筋阻锈剂、热熔结环氧粉末涂层、牺牲阳极阴极保护、防腐蚀涂层、渗透性控制模板等。杭州湾大桥对混凝土配合比参数以及 12 周抗氯离子渗透性的规定如表4.3-8和表4.3-9所示。

表4.3-8　最大水胶比和胶凝材料最小用量

表4.3-9　混凝土抗氯离子渗透性要求（12周龄期）

为了保证大桥混凝土结构的耐久性，在大桥的混凝土箱梁、桥墩、承台等多处部位使用了防腐蚀涂料附加措施，其混凝土防腐涂料涂装总面积约为80 hm2，其中表干区约60 hm2，表湿区约17 hm2，索塔区约3 hm2。所用涂料配套方案见表4.3-10。

表4.3-10　杭州湾大桥混凝土表面涂层配套方案

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4.3.3.4　上海东海大桥

东海大桥是上海国际航运中心集装箱深水枢纽港的三大重要配套工程之一，全长约32.5 km，主通航孔采用主跨420 m双塔单索面叠合梁斜拉桥；三个副通航孔采用主跨 120 m、140 m、160 m预应力混凝土连续梁桥及刚构桥；港桥连接段的颗珠山大桥主桥采用主跨332 m双塔双索面的叠合梁斜拉桥。东海大桥桩基础主要采用钻孔桩、PHC（预应力高强混凝土）桩和钢管桩。

东海大桥的设计基准期为100年，这是在我国桥梁建筑中首次提出100年的概念。针对东海大桥所处海洋环境特点和设计寿命要求，混凝土结构耐久性综合防腐策略（表 4.3-11）为：尽量避免结构形成锈蚀通道；使用高性能海工混凝土，提高混凝土密实度，改善工作性能；根据不同的环境，选择合适的混凝土保护层厚度；预留钢结构腐蚀厚度；在结构表面采用防腐涂层。

表4.3-11　东海大桥海上段混凝土结构耐久性技术对策

4.3.3.5　青岛海湾大桥

青岛海湾大桥是我国北方寒冷冰冻海域修建的第一座特大型桥梁集群工程。大桥全长28.880 km，其中跨海大桥长约27.089 km，三座通航孔桥采用钢箱梁结构，分别为：沧口航道桥采用主跨260 m钢箱梁双索面五跨连续稀索斜拉桥，红岛航道桥采用主跨 120 m 钢箱梁双索面四跨连续稀索斜拉桥，大沽河航道桥采用主跨260 m 独塔自锚式悬索桥。

大桥所在区域年平均气温 12.3 °C，历年极端最低气温－16.9 °C，历年极端最高气温38.9 °C。大桥面临盐害、冻融、海雾、台风、暴雨、工业排放物等多重腐蚀环境的综合作用，腐蚀环境恶劣，大桥所处海域海水含盐度高达2.94‰～3.29‰，胶州湾海域有比较严重的冰期（12 月下旬—2 月中旬）和重冰期（1 月上旬～2月上旬），平均每年冻融循环次数为47～52次。为确保混凝土结构耐久性，应遵循的原则为：选用质量稳定并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥、集料等原材料，在混凝土组成中掺入活性矿物掺合料，适当降低混凝土的水胶比，在混凝土中添加引气剂和减水剂，确保钢筋的混凝土保护层厚度和使用定制的保护层定位块，使用时保证新拌混凝土能及时养护并有适当的养护时间，选择合理的粗骨料最大粒径和粒径范围。混凝土气泡间距系数小于 250 μm，氯离子扩散系数与杭州湾大桥相似。在防腐蚀强化措施上，青岛海湾大桥工程的海上桩基采用了钢护筒保护，因此对桩基不用采取涂层防腐蚀保护。而只对暴露于腐蚀环境之中的严重或很严重的墩柱（高程 5 191 m 以下）、承台等下部结构的混凝土表面采用涂层防腐蚀的措施加以保护，表湿区混凝土表面涂层配套体系见表4.3-12。

表4.3-12　表湿区混凝土表面涂层配套体系设计

4.3.3.6　葡萄牙LUIZI大桥

葡萄牙 LUIZI 大桥于 2004 年涂装面积 6 hm2，大桥混凝土表面处理用高压喷射清洗，35 MPa 压力，流量 214 m3/h。表面含盐量＜7 μg/m2。应用葡萄牙EURONAVY公司的涂装方案见表4.3-13。

表4.3-13　葡萄牙EURONAVY公司的涂装方案

4.3.3.7　瑞士Forstenland大桥

硅烷/硅氧烷作为混凝土浸渍剂的保护在欧洲已有30多年的历史，如瑞士的Meggenhus大桥和Furstenland大桥、瑞典Tranebergs大桥、日本Asai Okumiomote大坝等。

瑞士的Furstenland大桥建于20世纪30年代，位于交通主干道上。20世纪90年代后，大桥已不堪重负，瑞士政府决定采用全面的维护加固以延长其使用寿命。瑞士的LPMAG公司经过考察、试验发现，大桥主要受除雪盐和碳化危害，一些地方腐蚀已达到钢筋。他们决定用新混凝土替换碳化腐蚀较严重的老混凝土，并对锈蚀钢筋进行防锈处理，对裂缝进行修补，然后在 1997 年对整个大桥用瓦克公司的硅烷膏体进行浸渍保护。图4.3-9为LPMAG公司对Furstenland大桥上的新、老混凝土试验结果。为了更好地比较浸渍过硅烷膏体的混凝土增水性能，通过逐层打磨，分别测试了表面和 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm深度处的吸水性数据。从图中可以看出，新混凝土在距离表面 4 mm 处的吸水率只是未处理混凝土的26%，老混凝土在距离表面 3 mm 处的吸水率也只是未处理混凝土的26%。最近进行的检查发现，硅烷的防水性能仍旧很好。

图4.3-9　Furstenland大桥硅烷浸渍新老混凝土试验结果

4.3.3.8　其他相关案例

洋山深水港区三期工程水工Ⅰ标段码头为高桩梁板式结构，码头岸线长 492 m。码头处于典型的亚热带季风性海洋环境，混凝土构件在这样的环境中腐蚀严重，必须采取适当的防护措施以保证混凝土构件的耐久性。根据设计要求，混凝土均采用 C45 高性能混凝土，且工程所有预制构件混凝土外露表面均作硅烷浸渍二度防腐蚀处理，防腐蚀涂层总面积32 146 m2。

深圳大铲湾集装箱码头一期工程预制沉箱采用硅烷防腐。从2004年开始，连云港对新建的 27#、28#、29#、59#泊位进行了硅烷浸渍工艺的防腐处理，施工总面积近 10 hm2。涂层技术指标均达到设计要求，根据现场跟踪调查，防腐效果良好。

黄海大桥是洋口港陆岛跨海通道，建设总长度10.05 km，桥梁全宽11.5 m。大桥一头连着大陆，一头通向人工岛。为了提高桥梁的使用寿命，对位于浪溅区和水位区的混凝土表面及预应力混凝土梁、湿接缝、边梁端部锚头区等部位要进行防腐处理，处理面积约50 000 m2。