台州沿海高速桥梁防腐措施的研究

摘要：本文主要介绍了各防腐方案在台州沿海高速跨海大桥中的方案比选研究。

关键词：海工混凝土；牺牲阳极；增加混凝土保护层厚度。

中图分类号：TU37文献标识码： A

Study on the anticorrosion measures of Taizhou coastal highway bridge

Yang Junhua

Zhejiang traffic engineering construction group third traffic engineering Co. Ltd, Zhejiang Hangzhou

Abstract: This paper mainly introduces the Anticorrosion Scheme in Taizhou coastal highway bridge across the sea in the study on the scheme selection.

Keywords: marine concrete; sacrificial anode; increasing the thickness of concrete cover.

一、项目概况

本工程地处台州湾及乐清湾，其地质多为海相沉积形成，富含CL-、SO42-等多种离子，为典型的近岸海洋腐蚀环境，对桥梁结构等腐蚀影响较大。按原设计，如乐清湾大桥，对变截面桩基的40余米预留钢护筒采用单层环氧粉末涂装，对墩身位于溅浪区和水位变化区部分及承台顶面采用硅烷浸渍等处理措施。针对以上提出的方案，根据具体情况增加几种结构防腐方案，以供参考。

二、防腐参考方案

（一）采用耐久海工混凝土

1、海工混凝土的特点相对于普通混凝土，主要有以下特点：①高耐久性。②高工作性。包括高填充性、高抗离析、坍落度经时损失小。③高体积稳定性，高减水率。④高强度。⑤高掺量、多组份外掺料。⑥低水胶比。⑦低水化热。⑧低的升温和降温速率。

2、混凝土组份对抗裂性能的影响。

2.1 胶凝材料海工耐久混凝土一般要求使用P•Ⅱ42.5R以上的低热水泥，并掺入大量的颗粒更细的矿物掺合料，如矿粉、粉煤灰、硅灰等，采用Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰和S95矿渣粉、S105矿渣粉。

2.1.1 水泥品种、水泥用量对混凝土的性能指标影响最为敏感，水泥用量大，外掺料相对减少，混凝土容重增大。由于外掺料的活性较水泥低，混凝土的早期强度及弹模迅速增长。不同品种的水泥对抗裂性能的影响首先是温度发展的影响，不同的温度发展对抗裂性能的影响不同。其次，不同水泥有不同的变形特性，这也会影响抗裂性能。

2.1.2 粉煤灰：粉煤灰由于发生火山灰反应而提高混凝土的抗裂性能，国内许多工程也采用大掺量粉煤灰来降低温升，粉煤灰具有减少混凝土早期抗开裂的优良特性。掺加粉煤灰能够减少用水量，降低水胶比，由于粉煤灰可延长水化反应的时间，降低水化热，推迟了温度峰值的产生，减少了温度裂缝的产生因素。

2.1.3 复合矿粉（含硅灰）：复合矿粉（含硅灰）具有快速降低CL-扩散系数的能力，28天强度提前。水泥、矿渣与粉煤灰协同掺入试件开裂时间最长，粉煤灰掺量增大更加明显。

2.2 粗细骨料采用低热膨胀系数的集料可以减少混凝土的温度变形，减少混凝土收缩时的约束应力，从而获得较低的开裂敏感性。粗骨料一般采用粒径为5～25mm碎石，最好是Ⅰ类碎石，且无碱活性。采用细度模数为2.6的中粗砂，其颗粒级配要好，且有Cl—、SO3含量控制要求，要求为Ⅱ类砂以上，并且无碱活性。

2.3 外加剂及拌合水 主要成分是聚羧酸反应型高分子聚合物，具有非引气、超塑化、高效减水和增强、低收缩等功能。采用洁净的自来水。

3、海工耐久混凝土配比设计原则： 胶凝材料的最低用量对不同的部位，有不同的要求，如杭州湾大桥采用的部分海工混凝土配合比（表1），但混凝土的胶凝材料总量也不宜高于500 kg/m3，不应超过550 kg/m3。 在满足胶凝材料最低用量的前提下，尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量；必须掺用粉煤灰、磨细矿渣等矿物掺和料；侵蚀环境为E、F等级的构件部位的混凝土中应加入适量渗入型钢筋阻锈剂；通过适当引气来提高其耐久性。混凝土施工时提高混凝土密实度，改善工作性能。

表1杭州湾大桥混凝土结构典型配合比

（二）对钢管桩采用环氧粉末涂装和牺牲阳极保护法

1、环氧粉末涂装

环氧型粉末涂料具有优异的耐化学性和耐腐蚀性。环氧粉末涂覆钢管防腐，已经有20多年的历史，工艺较简单。

1.1涂覆方法的特点

（1） 一次涂复就可以达到足够的厚度（300微米）；

（2） 粉末可以回收，材料损失少；

（3） 大直径管桩的涂复速速快；

（4） 涂层有足够的硬度、耐磨性和柔软性；

（5） 对金属有优良的附着力，和水泥涂层的结合力也很好；

（6） 耐阴极保护，涂层不会受影响而脱落；

（7） 耐土壤的化学腐蚀和应力腐蚀。

1.2 单层环氧粉末的施工工艺

(1) 预热钢管，去除表面杂物，疏松氧化层；

(2) 进行喷砂或抛丸处理，然后清除表面灰尘；

(3) 经过表面处理的钢管采用无污染的热源均匀加热。一般利用中频线圈加热钢管（即电感应加热，钢管通过载有交变大电流的线圈所形成的交变磁场产生涡流加热），加热温度可根据生产速度、管壁的厚薄以及希望的涂层胶化、固化时间进行调整；

(4) 环氧粉末先在流化床内充分流化，然后通过静电喷枪使粉末颗粒带负电，均匀地粘附在经预热的接地钢管表面。粘附在预热钢管表面的环氧粉末受热熔化并流动，进一步流平覆盖整个钢管表面，特别是覆盖在钢管表面的凹陷处，以及焊道两侧，熔融的涂料流入填平，使涂层与钢管紧密结合，最大限度减少孔隙，流平后的涂层进一步胶化、固化。根据不同的生产速度，以及对胶化、固化温度、时间的要求，有不同类型的粉末与之相对应。固化时间一般为 1～1.5min。

(5) 浇水冷却，终止反应；

1.3关键问题

（1）环氧粉末材料：管道防腐对环氧粉末的要求，首先是要固化快，而且还要求涂层有良好的机械性能，耐化学性能，耐水性能和耐低温性能等。

（2）表面预处理：这是一项关键工艺，管子表面涂复前一定要保证无锈，管子表面要平整，不能有毛刺、凹痕等缺陷。喷砂要均匀，喷砂后的均属粉尘一一定要清理干净。喷砂至涂复中间的时间应尽可能缩短，以免清理好的金属表面重新氧化生锈。

（3）焊接处的涂复：焊接处的涂复比较麻烦，因为要在现场施工，时间要短，施工环境恶劣，而防腐性能又不能降低，目前采用流化床和“Flock”喷涂法。

2、牺牲阳极保护法

2.1牺牲阳极的基本要求及特点

①要有足够的负电位，且很稳定；

②工作中阳极化要小，溶解均匀，产物易脱落；

③阳极必须有高的电流效率，即实际电容量与理论电容量的百分比数要大；

④电化学当量高，即单位重量的电容量要大；

⑤腐蚀产物无毒，不污染环境；

⑥材料来源广，加工容易；

⑦价格便宜。

2.2牺牲阳极材料的选择

70年代初，经过科技工作者的研究，在铝中添加两种或两种以上的合金素， 大大提高了铝阳极的性能，获得了长寿命、重度小、电化当量大、电流效率高、表面溶解均匀、易生产制造、价格低廉的新型铝合金牺牲阳极，满足了海洋大型钢结构工程的长寿命保护的需求，并获得了满意的防腐效果这些新型铝合金牺牲 阳极主要有Al～Zn—Hg系阳极，Al—Zn—In系阳极和AI—Zn—S n系阳极等，目前我国广泛应用的铝合金牺牲阳极材料是A1-Zn-In系阳极，其中有AI—Zn—I n —cd阳极、Al—Zn—In—Sn阳极、A1一Z n—In—S i阳极、AI—Zn—In—S n —Mg阳极。

2.3牺牲阳极安装施工方法、设备及焊接质量要求

牺牲阳极安装的质量直接影响到阳极的电流量、溶解性能和使用寿命。牺牲阳极安装必须牢固可靠，与钢管桩电性导通。根据要求，牺牲阳极安装可采用水下湿法焊接工艺,焊接设备为Ax-500型直流弧焊机，焊条是水下焊条.每个阳极块有两个焊脚，四道焊缝，要求每道缝长度≥100mm，焊缝焊脚高度≥5mm，要求焊缝平整、连接牢固。

施工中对水下焊接质量的检查采用水下录像技术，设备可采用美国产SEAL—III型水下录像系统，通过水下录像能直观检查焊接质量 。

2.4钢管桩的电性连结

根据现场实际特点，考虑各部位钢管桩长度不同，潮差区、海水区和海泥埋没区的长度不同，保护面积不同，所需保护电流和牺牲阳极数量不同，为了排除钢管桩之间因电位分布不均而造成的不良影响，以达到电位分布均匀的整体保护效果，可对每排墩底下的所有钢管桩进行电性连结，通过使钢管桩与上部结构定钢筋相连，使全部钢管桩电性连结为整体。

2.5牺牲阳极的特殊应用

牺牲阳极除了防蚀功能外，还可以有以下功能：

⑴作接地极用：用牺牲阳极来代替过去惯用的铜或钢接地极，有两个好处：不影响构筑物本身的阴极保护；若无阴极保护，不会因接地而引起构筑物的电偶腐蚀。

⑵作接地电池用：在交流干扰影响范围内及雷电多发区，为了防止强电冲击引起的破坏，需要在绝缘装置两侧或电力接地体与管道之间装设由牺牲阳极构成的接地电池。由被隔开的牺牲阳极各引出一根导线接至绝缘装置相邻的两侧，一旦有强电冲击，强大的电涌将通过填料的低电阻从一侧传到另一侧，而不损坏被保护构筑物。

（三）加强结构钢筋的防腐

3.1提高混凝土保护层厚度

( 1 )海工混凝土由于使用的胶凝材料较多 , 所处的环境条件恶劣 , 很难避免混凝土表面不出现裂缝 ,此类裂缝通常为收缩裂缝。在氯盐污染环境中,保护层的裂缝会形成氯离子较快进入混凝土的通道。在氯盐污染环境 ,期望结构工作寿命达到75～150年 ,钢筋的保护主要还是依赖于混凝土保护层。因此 ,适度加厚混凝土保护层,是抵御氯离子渗入混凝土导致钢筋锈蚀的重要措施。

( 2 )在普通混凝土结构设计中 , 保护层一般不超过 50 mm 。许多试验表明即使最低水灰比、高质量的混凝土,暴露于有氯盐存在的海水环境中混凝土表面12mm深度内的氯离子含量远远高于25~50mm深度范围。因此,在氯盐环境中的工程,混凝土保护层的厚度不应小于38mm,最好是不小于50mm。如东海大桥建设是采用的保护层厚度见表2。

表 2东海大桥海上段混凝土结构耐久性方案

3.2应用阻锈剂

阻锈剂能够阻止或延缓氯离子对钢筋钝化薄膜的破坏。采用阻锈剂同时应使用低渗透性混凝土以防止阻锈剂流失。在提高混凝土密实性的基础上 ,掺用钢筋阻锈剂,是最简单、经济和效果好的附加技术措施。国外已经有30多年使用钢筋阻锈剂的经验,近些年来在国际上钢筋阻锈剂的研究和工程应用,得到了十分迅速的发展 。在我国 ,钢筋阻锈剂产品也有十多年的应用实践。混凝土中加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用:一方面，推迟了钢筋开始生锈的时间，另一方面 ,减缓了钢筋腐蚀发展的速度。如杭州湾跨海大桥在混凝土施工中 , 掺入了杭州某厂生产的亚硝酸钙钢筋阻锈剂液体产品。 所检测的盐水浸烘、电化学综合、抗压强度比、抗渗性、初终凝时间以及混凝土中钢筋锈蚀等试验项目均符合大桥施工技术规范要求。需要注意的是: 应事先试验与其它外加剂在混凝土中的相容性； 施工中应严格计量,确保阻锈剂的掺量；混凝土搅拌中须适当延长搅拌时间。

3.3环氧涂层钢筋

(1)环氧涂层钢筋的生产工艺,是将表面经过处理的钢筋采用环氧树脂粉末以静电喷涂的方法生产而成。由于环氧涂层材料属热硬化,使形成后的涂层呈绝对惰性,具有极佳的化学抗腐蚀能力,不与酸、碱等产生反应,完全阻隔钢筋与外界环境的接触,在钢筋表面形成牢固的薄层 ,从而可以大大提高钢筋的抗腐蚀能力。

(2)环氧涂层钢筋国外早在70年代已开始使用,现已得到普遍应用。1998～1999 年美国标准化和技术协会 (MST)、美国协会 (AC I )、美国试验与材料协会 (AST M)联合调查确认,可延长结构使用寿命20年左右。我国建设部于1997年制订标准 , 近年来陆续在海港工程中得到应用。

(3)如杭州湾跨海大桥桥墩施工, 在海工高性能混凝土的基础上,设计采用了环氧涂层钢筋,作为钢筋防腐蚀的附加措施。

三、不同结构防腐方案

综上以上的各种防腐措施，针对沿海高速的实际特点，以提高混凝土材料抗氯离 子渗透为根本，并辅以外加涂层等补充措施，不同结构的防腐方案如下：

1、钻孔灌注桩

由于钻孔灌注桩的混凝土靠自重压密，因此其密实性难以与经过振捣密实 的混凝土相比，为增加钻孔灌注桩的防腐性能，可适当增大钢筋保护层的厚度 ， 采用高性能混凝土，并保留施工用钢护筒。在桩基施工过程中须避免海水中氯离 子的引入，使得水位变化区的桩身混凝土初始氯离子浓度小于0.0 6％，否则应 在此部位的混凝土中掺加钢筋阻锈剂。

2、承台的防腐蚀措施

海上承台主要位于水位变化区和浪溅区，而陆地上承台按大气区的要求考虑其耐久性。承台体积较大，混凝土等级相对较低，处在腐蚀环境恶劣的水位变化 区和浪溅区，因此需较大的保护层厚度才能满足混凝土耐久性要求，初步选用的 保护层厚度为90mm。较大的保护层易使混凝土表面开裂，如承台侧面无围堰防 护，则可采用纤维混凝土或增设防裂钢丝网 。

3、桥墩的防腐措施

桥墩的大部分位于溅浪区，一部分位于大气区。墩柱外部均采用硅烷类涂 层，其老化年限为15年，并且在10年内海水中的氯离子不会向混凝土中渗透， 而混凝土的氯离子扩散系数在10年后将再变小1个～2个数量级，为安全起见 按氯离子扩散系数≤1.0X1 0-12 m 2／s计算，则混凝土的使用寿命可达100年以上。溅浪区范围内墩身钢筋应力较大处，裂缝宽度不易控制，可考虑采用环氧树脂钢筋 。

4、混凝土箱梁的防腐措施

箱梁分为现场浇筑，预制整孔架设和预制节段拼装，箱梁均位于大气区。箱梁为薄壁结构，混凝土保护层较薄，为减缓氯离子渗透，箱梁表面采用硅烷类涂 层。

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