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马来西亚槟城第二跨海大桥的结构耐久性研究与评估.doc

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马来西亚槟城第二跨海大桥的结构耐久性研究与评估结构混凝土马来西亚槟城第二跨海大桥结构耐久性研究与评估中国建筑科学研究院中国港湾工程有限公司中交公路规划设计院有限公司中国科学院金属所中交四航工程研究院有限公司二○○七年十一月研究报告Ⅰ：结构混凝土（初稿）中国建筑科学研究院中国港湾工程有限公司中交公路规划设计院有限公司二○○七年十一月目录 10 导言 31 绪论研究背景与工程概况研究目的研究范围耐久性设计的主要内容原则与依据欧洲、英国标准体系及其相关标准的简介欧洲标准体系简介英国标准体系与相关标准体系的关系关于混凝土相关标准的说明本研究采用的标准规范重要概念与说明 162 设计使用年限英国标准对设计使用年限的规定国际标准化组织以及欧洲标准关于结构设计寿命的规定中国相关标准有关文献提出的桥梁设计年限建议值 213 环境类别及其作用等级一般情况自然环境海洋环境中混凝土结构的耐久性问题氯离子与钢筋锈蚀钢筋锈蚀的本质氯离子的特殊作用湿热环境中的氯盐腐蚀硫酸盐、镁盐侵蚀硫酸盐侵蚀镁离子侵蚀混凝土的中性化碳化的基本原理湿度、温度对碳化过程的影响海洋环境中的碳化作用干湿循环盐雾腐蚀生物、微生物腐蚀服役环境荷载环境各结构部位的微环境环境类别与作用等级的确定英国标准的规定中国标准的规定小结 354 混凝土材料与施工条件原材料水泥英国标准对水泥的分类马来西亚当地的水泥产品情况矿物掺合料骨料概述马来西亚当地的骨料情况标准要求和重要指标化学外加剂概述马来西亚化学外加剂产品和应用情况与原材料相关的耐久性问题的讨论氯化物含量碱骨料反应条件 C3A含量硫酸盐含量延迟钙矾石生成配合比关键参数研究概述相关标准对耐久性混凝土关键参数的要求研究报告：耐久混凝土的最低要求小结施工条件施工的重要性马来西亚当地的施工现状搅拌、运输、浇筑和养护施工技术与质量控制水平 585 裂缝控制与防腐措施荷载裂缝早期非荷载裂缝的机理现代混凝土的变化及其对开裂的影响不当养护造成的开裂大体积混凝土与早期热裂缝早期热裂缝的控制措施一般性原则和措施 BA 24/87的建议 ACI的报告工程案例措施举例与分析保护层排水、防水措施整体性与接缝结构体系防水、排水的原则与措施 BA 57/01对桥梁防水、排水的要求关于钢筋混凝土的防腐措施概述小结 786 专题分析研究预应力体系的耐久性问题概述预应力混凝土结构的耐久性破坏机理影响因素预应力混凝土结构形式的耐久性比较提高预应力体系耐久性的措施一般要求后张预应力结构的防腐措施矿物掺合料问题概述矿物掺合料的种类及其对混凝土性能的影响粉煤灰磨细粒化高炉矿渣硅灰矿物掺合料的组合使用本研究建议使用的掺合料钢筋阻锈剂问题阻锈剂的定义、分类和作用机理阻锈剂定义阻锈剂分类阻锈剂作用机理阻锈剂技术现状阻锈剂的发展现状中国关于阻锈剂的标准国外相关标准重要阻锈剂品种及其阻锈原理 RI阻锈剂 MCI阻锈剂 Sika阻锈剂 DCI阻锈剂阻锈剂对混凝土性能的影响及技术经济性评价阻锈剂对混凝土性能的影响阻锈剂的经济性评价结论及建议混凝土桥梁的涂装保护涂料品种涂料的性能要求涂料涂装的工艺要点桥梁混凝土的涂料配套体系建议的解决方案桥梁结构的寿命预测氯离子侵蚀导致混凝土结构的失效破坏过程与寿命预测相关的问题氯离子的来源与氯离子扩散系数氯离子的结合临界浓度与表面氯离子浓度裂缝的影响寿命预测方法简介模型的选用与说明计算与分析槟城二桥混凝土耐久性参数初步设定的参数承台、桥墩和箱梁等主要部位的耐久性寿命计算类似工程对比小结 1387 案例研究大贝尔特工程耐久性典型措施耐久性设计分析厄勒海峡大桥与隧道加拿大联盟桥中国的杭州湾大桥 1468 结构混凝土耐久性的总体解决方案一般设计原则高性能混凝土技术原材料质量和技术指标水泥与胶凝材料骨料混凝土用水化学外加剂高性能混凝土设计参数硬化混凝土性能指标的确定设计要求与构造措施保护层裂缝控制防水、排水措施防腐要求与措施可检性、可修性混凝土的施工与质量控制措施一般性原则混凝土搅拌合运输混凝土搅拌混凝土输送混凝土的浇筑、捣实与养护混凝土浇筑混凝土捣实混凝土养护混凝土的外防护技术监测与维护结构混凝土耐久性的评估与验收 1649 总论 16810 附录与影响建筑耐久性相关的因素中国标准对环境作用及其作用等级的划分 ACI报告：在热天生产优质混凝土后张预应力混凝土体系的耐久性要求《矿物掺合料应用技术规范》的有关技术规定控制渗透性模板赴马来西亚实地调研、考察报告马来西亚槟城的气象资料 21311 参考文献导言本研究的基本问题是：按照英国标准体系设计，而在马来西亚当地环境中建造和使用的槟城二桥，从结构混凝土耐久性设计的角度，如何才能达到120年的设计使用年限？为此，首先需要了解英国标准体系并熟悉与混凝土相关的标准，以及与之相关的欧洲标准、ISO标准，同时马来西亚作为建设地，中国作为设计、施工单位所在国家，因此需要对三个国家的标准体系进行必要的了解和分析（见“ 原则与依据”）。之后，应对不同标准体系之间进行必要的衔接，这主要体现在若干重要概念和术语的区别与解释说明（见“ 重要概念与说明”）。在此基础上，开始耐久性设计的第一步工作——确定结构的设计使用年限（见“2 设计使用年限”），列举了英国标准、ISO标准、中国标准以及有关文献对设计使用年限的规定。此部分主要是为总体设计以及细节设计提供参考，并呼应后文“监测与维护”。明确了设计使用年限后，需要了解桥梁建设地的工程环境以及建造条件。为此对当地的自然环境、材料情况、施工条件等情况进行了实地考察和调研，其结果反映在“3 环境类别及其作用等级”中。在这一部分，对海洋环境中混凝土结构的耐久性问题进行了论述。最后对环境类别及其作用等级进行了确定，这是后续分析和设计的事实基础。在明确了环境类别及其作用等级的基础上，对组成混凝土的各种原材料进行了论述，列举了相关标准的规定，并分析了马来西亚当地的现状。讨论了与原材料相关的耐久性问题。对配合比的关键参数进行了研究，分析了当地的施工条件，这一部分见“4 混凝土材料与施工条件”。采用合格的原材料和正常的施工条件，混凝土仍然不能保证具有良好的性能，原因是它面临着开裂的风险。所以接下来需要解决混凝土的开裂问题（见“5 裂缝控制与防腐措施”）。在保证混凝土不开裂的前提下，才能进一步讨论混凝土在环境作用下的耐久性问题。否则，任何保证混凝土耐久性的措施都可能因为裂缝而失去作用。随后对保护层、排水-方式措施和其他防腐措施进行了讨论。根据工程实际需要，本研究集中对5个专题进行了研究与分析，分别解释和回答了若干问题（见“6 专题分析分析研究”）。“7 案例研究”列举了4座已经建成的设计使用年限100以上的重要桥梁的耐久性设计方案。上述的分析、讨论和研究结论是“8 结构混凝土耐久性的总体解决方案”的有力支撑和重要组成部分。“9 总论”部分对整个研究报告的主要内容和基本结论进行了综合论述。正文不便引用但是对研究有重要支撑作用的材料编入“10 附录”部分，供阅读者参考。最后列出了主要的参考文献（不含标准）（见“11 参考文献”）。绪论研究背景与工程概况马来西亚槟城第二跨海大桥（以下简称“槟城二桥”）是中马两国政府间合作的EPC项目，建设规模巨大，为马来西亚近20年来的最大土建工程项目，是第九大马计划的首要工程，也是目前东南亚地区最大的桥梁工程。槟城二桥建成后，将成为当地十分重要的陆上交通系统的关键组成部分，将对槟城以及周边广大地区的经济、文化发展发挥不可替代的作用。根据《马来西亚槟城第二跨海大桥方案设计说明》，主桥桥跨布置为125+225+125m，总长475m，边中跨比为，采用预应力混凝土连续刚构方案。采用单箱单室分幅断面，箱梁采用直腹板。单幅箱梁宽度为，底板宽度，翼缘宽；根部梁高，跨中梁高，其间按次方抛物线变化。腹板厚：支点85cm，跨中50cm，顶板厚30cm，底板由跨中的32cm渐变到支点的150cm，梁段长为～，块件最大重量250 吨，拟采用挂篮悬臂浇筑施工。采用预应力混凝土。主墩采用矩形双薄壁墩，双薄壁墩中心距，薄壁墩尺寸为× m，采用C55 混凝土；基础为整体式矩形承台，平面尺寸为×。承台平面尺寸为×，厚6m，采用C40 混凝土。本工程设计严格执行英国设计标准体系，部分路线设计采用马来西亚JKR 设计标准，另外箱梁节段预制拼装、地震力和船撞力计算采用AASHTO 规范。研究目的槟城二桥处于恶劣的海洋环境，存在对钢筋混凝土结构腐蚀的多种因素，混凝土结构面临着严重腐蚀的威胁。一般的混凝土结构在海洋环境中将过早地发生劣化、直至破坏。然而，由于桥梁结构在交通系统中处于特殊重要的地位以及桥梁所处的特殊服役环境，必须确保在设计年限内（120年）主体结构如桥墩、箱梁、承台等不需要更换和进行大的修复。因此，如果不进行耐久性设计并提出合理的应对措施，混凝土结构很难达到其设计寿命要求。为此，耐久性作为该工程的一个重要研究专题被提出。我单位受中国港湾工程有限公司和中交公路规划设计院有限公司的共同委托，承担对槟城二桥结构混凝土的耐久性研究工作，分析论证设计提出的材料耐久性参数是否合理；分析论证设计提出的保证耐久性的技术措施和施工质量控制措施的必要性、实用性和经济性；协助设计完善混凝土结构耐久性设计方案，确保该工程满足设计的年限要求。研究范围本研究针对槟城二桥的主要材料——结构混凝土（桩基础以上部分，不含桩基础）进行必要的专题研究。结构的耐久性是一个复杂的系统工程，涉及到工程选址、设计方法、原材料的选用和质量控制、施工质量以及养护、检测（监测）、维修等各方面。本研究立足混凝土材料本身的特性，针对槟城二桥所处的具体服役环境，依据混凝土结构耐久性设计的基本原则，按照现行的英国设计标准体系，并参照相关研究成果与类似工程经验，对槟城二桥结构混凝土的耐久性进行研究和评估，分析可能引起槟城二桥混凝土结构劣化的各种影响因素，从如何提高混凝土材料本身的抗腐蚀性能和如何设计特殊腐蚀环境中防护技术的角度，展开系统分析与评估论证，最后提出确保槟城二桥耐久性要求的技术解决方案。本研究以高性能混凝土的耐久性问题为核心，以防止钢筋和预应力钢筋锈蚀为重点目标，包括环境分析、混凝土原材料的选择、混凝土配合比关键参数的控制、混凝土抗腐蚀的关键性能指标、非荷载裂缝的控制、混凝土施工质量的控制、基于耐久性要求的桥梁结构构造以及桥梁运营阶段的维护、监测、修复等，并针对工程的要求，分别对预应力体系的耐久性、掺合料、阻锈剂、外防护技术和寿命预测进行了专题研究。耐久性设计的主要内容混凝土结构及其构件的耐久性，应根据不同的设计使用年限和不同的环境类别及其作用等级进行设计。同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位由于所处的局部环境条件有异，应予以分别对待。结构的耐久性设计必须考虑施工质量控制与质量保证对结构耐久性的影响，必须考虑结构使用过程中的维修与检测要求。一般而言，混凝土结构的耐久性设计包括如下基本内容[1]：确定结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级；选用有利于减轻环境作用的结构类型、布置和构造；确定混凝土材料与钢筋的耐久性质量要求；根据耐久性要求确定混凝土保护层厚度；混凝土裂缝控制要求；提出防水、排水等构造措施；严酷环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；提出耐久性需要的施工养护与质量验收要求；提出结构使用阶段的维护与检测要求。本研究遵循英国标准体系，并参考欧洲、美国、中国、日本等国的标准，借鉴类似工程的实践经验，根据槟城二桥的建设方提出的设计使用年限，在充分了解工程所处的环境与建设条件的前提下，对影响桥梁耐久性的诸因素进行细致地分析，并对环境类型以及作用级别进行准确界定；以此为基础，分析槟城二桥可能发生的耐久性问题并详细论述其机理，包括混凝土材料本身的质量问题、裂缝产生的原因以及控制措施等。根据工程项目的需要，对预应力体系的耐久性问题、掺合料问题、钢筋阻锈剂问题、外防护技术以及混凝土结构的寿命预测和评估进行了专题研究。在保证混凝土不出现有害性裂缝的基础上，提出高性能混凝土的技术方案以及相关的工艺要求和质量保证措施。鉴于槟城二桥所处海洋环境的高腐蚀性，有必要提出混凝土的外防护方案并进行相关的评估与论证。最后，根据上述研究结果，给出建议性的结论与解决方案。原则与依据欧洲、英国标准体系及其相关标准的简介欧洲标准体系简介欧洲标准化体系的构成主要包括欧洲标准化委员会（CEN）、欧洲电工标准化委员会（CENELEC）及欧洲电信标准协会（ETSI）、欧洲各国的国家标准机构以及一些行业和协会标准团体。CEN、CENELEC和ETSI是目前欧洲最主要的标准化组织，也是接受委托制定欧盟协调标准的标准化机构。欧洲的标准制定机构中最主要的是欧洲电工标准化委员会（European Committee for Electrotechnical Standardization，法文名称缩写为CENELEC）。它成立于1976年，其宗旨是协调欧洲有关国家的标准机构所颁布的电工标准和消除贸易上的技术障碍。欧洲标准化委员会（European Committee for Standardization，法文名称缩写为CEN）建于1961年。在业务范围上，CENELEC主管电工技术的全部领域，而CEN则管理其它领域。其成员国与CENELEC的相同，除卢森堡外，其它18国均为国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）的成员国。 ENELEC与CEN长期分工合作后，又建立了一个联合机构，名为“共同的欧洲标准化组织”，简称CEN/CENELEC。但原来的两个机构仍继续独立存在。1988年1月，CEN/CENELEC通过了一个“标准化工作共同程序”，把CEN/CENELEC编制的标准出版物分为下列三类： 1）EN（欧洲标准）：按参加国所承担的共同义务，通过此EN标准将赋予某成员国的有关国家标准以合法地位，或撤销与之相对立的某一国家的有关标准。也就是说成员国的国家标准必须与EN标准保持一致。 prEN表示：欧洲标准草案（Draft European Standards）。 2）HD（Harmonized Document，协调文件）：这也是CEN/CENELEC的一种标准。按参加国所承担的共同义务，各国政府有关部门至少应当公布HD标准的编号及名称，与此相对立的国家标准也应撤销。也就是说成员国的国家标准至少应与HD标准协调。 3）ENV（European Prestandard，欧洲预备标准）：由CEN/CENELEC编制，拟作为今后欧洲正式标准，供临时性应用。在此期间，与之相对立的成员国标准允许保留，两者可平行存在。英国标准体系与相关标准体系的关系英国 HYPERLINK " \t "_blank" 标准学会（British Standards Institution，BSI）成立于1901年，是世界上第一个国家标准化机构，英国政府承认并支持的非营利性民间团体。它负责编制英国标准。它的诞生标志着人类的标准化活动进入一个新的发展阶段。 BSI是国际标准化组织（ISO）、欧洲标准化委员会（CEN）等组织的创始成员之一，并在其中发挥着重要作用。下面对标准代号进行简要说明： BS：英国标准中以BS（British Standards）为标志。如BS 8500-1: 2002表示英国标准8500 的第一部分，发布时间为2002年。 BS EN：由英国标准协会（BSI）公布的欧洲标准，一般包含了一个英国本国的前言，需要时还包含英国本国的补充条款。 BS EN ISO：由英国标准协会（BSI）公布的为欧洲标准所采纳的国际标准，包含一个前言，需要时包含本国的附加条款。 DD：暂行草案（Draft for Development），在BSI体系内，有时也用来发布ISO/IEC/CEN 和 CENELEC的技术规范，并以此作为BSI的文件使用。注：IEC即国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）正式成立于1906年成月，是世界上成立最早的专门国际标准化机构。图1-1 标准控制与认同机制示意图英国标准（BS）、欧洲标准（EN）和国际标准（ISO/IEC）按照严格的规则进行制定以确保透明和公正。它们所遵循的技术委员会的程序包括如下阶段：对新工作的建议书项目获得认可起草草案公开评论/议期正式批准发布然而，也有一些只是获得部分认同的其他技术文件，包括：暂行草案，DD（Draft for development）指南，Guide, CEN/CLC，或ISO 技术规程，Technical specification, CEN/CLC/TS， ISO or IEC/TS 技术报告，Technical report，CEN/CLC/TR, ISO or IEC/TR. 在英国标准体系中，有路桥设计手册（The Design Manual for Roads and Bridges，DMRB），其中包含： BD系列：即桥梁与结构的部门标准（Bridges and Structures, Departmental Standards （BD Series）），如： BD 28/87 Early thermal cracking of concrete； BD 57/01 Design for Durability。 BA系列：BA系列是对BD系列（部门标准）的建议性解释（Bridges and Structures, Advice Notes （BA Series）），如： BA 24/87 Early Thermal Cracking of Concrete BA 57/01 Design for Durability。 BE系列：即桥梁与结构的技术备忘录（Bridges and Structures， Technical Memoranda （BE Series）），如： BE 8/75 Painting of Concrete Highway Structures。 TD系列：即交通工程和控制的标准（Traffic Engineering and Control, Standards （TD Series）），如： TD 19/85 Safety fences and barriers。 HD系列：即公路工程标准Highways, Standards （HD Series），如： HD 22/02 Ground Investigation and Earthworks Procedure for Geotechnical Certification。 HA系列：即公路工程的建议性注释Highways, Advice Notes （HA Series），如： HA 66/95 Environmental Barriers Technical Requirements。关于混凝土相关标准的说明自2003年12月1日起，英国的混凝土标准BS 5328的各个部分全部作废，代之以BS EN 206-1及BS 8500-1和BS 8500-2。BS 8500作为BS EN 206-1在英国应用的补充条款。它们合在一起构成了新拌混凝土技术要求、生产和合格性的成套标准。在欧洲标准中，EN 206-1与设计和施工标准、与组成材料和试验标准的关系见下图。而实际上，由于原来BS 5328的某些规定更具有操作性，因而在很大程度上仍被技术人员所参照使用。鉴于此，本研究在确保执行现行规范的框架下，部分技术问题仍参考了BS 5328。从材料角度而言，需要参考混凝土各个组成材料的标准，包括水泥标准BS EN 197-1、骨料标准BS EN 12620、矿渣水泥标准BS 6699、粉煤灰水泥标准BS 6610以及粉煤灰标准BS EN 450、硅灰标准BS EN 13263以及化学外加剂标准BS EN 934等；从混凝土结构角度而言，本研究需要参考结构混凝土规范BS 8110；从桥梁设计角度而言，需要执行桥梁规范BS 5400中混凝土桥梁的相关部分；从耐久性设计角度而言，需要参考建筑物耐久性指南BS 7543以及桥梁和结构的耐久性设计标准BD 57及其建议性注释BA 57等；从预应力混凝土角度而言，需要参考BS EN 445-447；从海港工程而言，需要参考海工结构规范BS 6349等。图1-2 EN 206-1与设计和施工标准、与组成材料和试验标准的关系由于槟城二桥的建设地在马来西亚，需要了解马来西亚当地的标准MS。根据调研情况，马来西亚有当地标准MS，基本上采用了英国标准BS，并作了适当修改，二者不完全相同，但是十分接近。例如，MS中规定标准养护温度为27℃，这符合马来西亚当地的气温状况。马来西亚执行的标准与最新的英国标准BS和欧洲标准EN存在一定的时间差。例如，马来西亚执行的水泥标准MS 522参考的是英国原来的标准BS12，而目前英国最新的标准为BS EN 197-1，最新发布的水泥标准MS 522: 2003与英国标准有较大不同。在混凝土标准方面，马来西亚在2003年发布了与BS EN 206-1十分接近的MS 523：2003，但在实际生产部门并未全面执行，仍然使用较早的标准。本研究同时也参考了中国、美国等国的相应标准。本研究采用的标准规范本研究本着技术先进、经济合理、安全耐久、质量可靠和施工方便的原则进行分析与评估。（1）本项目参照执行的相关英国标准、欧洲标注以及ISO标准 BS 5400 Steel, Concrete and Composite Bridges Part 1: 1988 General Statement Part 4: 1990 Code of Practice for Design of Concrete Bridges Part 7: 1978 Specification for materials and workmanship, concrete, reinforcement and prestressing tendons BS 8110-1: 1997 Structural use of concrete —Part 1: Code of practice for design and construction（该标准不针对桥梁结构混凝土和高铝水泥配制的结构混凝土） BS EN 206-1: Concrete —Part 1: Specification, performance, production and conformity BS 8500: 2002 Concrete —Complementary British Standard to BS EN 206-1 Part 1: Method of specifying and guidance for the specifier Part 2: Specification for constituent materials and concrete BS 6610:1996 Specification for Pozzolanic pulverized-fuel ash cement BS EN 450:1995 Fly ash for concrete —Definitions, requirements and quality control BS EN 197-1:2000 Cement —Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements BS 3892: 1997 Pulverized-fuel ash: Part 1. Specification for pulverized-fuel ash for use with Portland cement BS 6699:1992 Specification for Ground granulated blastfurnace slag for use with Portland cement BS 146: Specification for Portland blastfurnace cements. BS 6349:1984 Code of practice for maritime structures. Part 1: general criteria BS 4246: Specification for high slag blastfurnace cement. BS 7543: 2003 Guide to durability of buildings and building elements, products and components BS EN 934-2: 2001 Admixtures for concrete, mortar and grout Part 2: Concrete admixtures —Definitions, requirements, conformity, marking and labelling Part 4: Admixtures for grout for prestressing tendons- Definitions, requirements, conformity, marking and labelling BS EN 13263-1: 2005 Silica fume for concrete —Part 1: Definitions, requirements and conformity criteria BS EN 13263-2:2005 Silica fume for concrete —Part 2: Conformity evaluation BS EN 12620: 2002 Aggregates for concrete（替代于2004年6月1日废止的BS882: 1992和BS1047:1983标准） BS EN 445: 1997 Grout for prestressing tendons BS EN 1008: Mixing water for concrete — Specifications for sampling, testing and assessing the suitability of water, including wash water from recycling installations in the concrete industry, as mixing water for concrete prEN 1990 - Basis of structural design BD 28/87 Early Thermal Cracking of Concrete BA 24/87 Early Thermal Cracking of Concrete BA 57/01 Design for Durability ISO 15686-1: 2000 Buildings and constructed assets —Service life planning Part 1: General principles Part 2: Service life prediction procedures BD 58 (DMRB ), The Design of Concrete Highway Bridges and Structures with External and Unbonded Prestressing. BA 58 (DMRB ), The Design of Concrete Highway Bridges and Structures with External and Unbonded Prestressing. BD 33 (DMRB ), Expansion Joints for Use on Highway Bridge Decks. BA 26 (DMRB ), Expansion Joints for Use on Highway Bridge Decks. BRE Digest 330: Alkali aggregate reactions in concrete. BD 47 (DMRB ), Waterproofing and Surfacing of Concrete Bridge Decks. BA 47 (DMRB ), Waterproofing and Surfacing of Concrete Bridge Decks. BD 43 (DMRB ), Criteria and Material for the Impregnation of Concrete Highway Structures. BA 33 (DMRB ), Impregnation of Concrete （2）马来西亚相关标准和规范 MS 522: 1989 Specification for Portland Cement(Ordinary and Rapid-Hardening) MS 1389: 1995 Specification for Portland blastfurnace cement MS 1388: 1995 Specification for High slag blastfurnace cement MS 1387:1995 Specification for ground granulated blastfurnace for use with Portland cement MS 1227: 2003 Specification for Portland pulverized-fuel ash cement （3）美国相关标准与规范 ACI 224R-01: Control of Cracking in Concrete Structures ACI 222R-01: Protection of Metals in Concrete Against Corrosion, by ACI Committee 222 ACI -01: Guide to Durable Concrete ACI 234R-06: Guide for the Use of Silica Fume in Concrete ACI 318-05/318R-05: Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary ACI 305R-99: Hot Weather Concreting ASTM C1582/C1582M-04 （4）中国相关标准与规范 CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（2005年修订版）中华人民共和国国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》（报批稿） GB 8075-1987：混凝土外加剂的分类、命名与定义 JTJ 275-2000：海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 JTJ 268—96：水运工程混凝上施工规范 JGJ 63－2006：混凝土拌合用水标准 JGJ 52－2006：普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准 GB 50010-2002：混凝土结构设计规范 GB50046-95：工业建筑防腐蚀设计规范 YB/T2821-98：钢筋阻锈剂使用技术规程 JT/T537-2004：钢筋混凝土阻锈剂（5）日本相关标准与规范 JIS A6205《钢筋混凝土阻锈剂》重要概念与说明本研究中涉及的重要概念、术语可能与一般意义上的有重要区别，特此说明如下：保护层（cover）：根据BS 5400-4: 1990的定义，保护层是指的从混凝土表面到最外层钢筋（而不是主筋）的距离。应特别注意，英国标准中保护层的定义与中国标准不一致。中国标准中，保护层常针对具体的钢筋而言（如说明主筋或是箍筋），在《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度指的是钢筋外边缘至混凝土表面的距离，而在不指明钢筋类型的时候，一般通常指的是主筋（而不是箍筋或分布筋）的保护层。最小保护层（minimum cover）：根据BS 8500-1，最小保护层指的是用于耐久性设计的钢筋保护层厚度，即保护层最小厚度。名义保护层（nominal cover）：根据BS 8500-1，名义保护层指的是施工图上标注的钢筋保护层厚度，它由最小保护层厚度加上保护层允差Δc组成，以补偿钢筋的定位精度。名义保护层=最小保护层+Δc（施工误差）（注：保护层允差Δc通常在5mm到15mm的范围内。）应该注意，为了满足混凝土结构的耐久性，在耐久性设计标准中（如BD 57/01）提出在BS 5400-4：1990 规定的保护层厚度上再增加10mm要求。而这个额外增加的厚度，在结构设计中的裂缝宽度计算上将不予考虑。水灰比（water/cement ratio）：根据BS EN 206-1，水/灰比指的是新拌混凝土中，有效水量与水泥含量的重量比值。为此，需要了解有效水量的概念，同时需要了解总水量的概念。总水量（total water content）：指的是加入的水量，加上骨料已含的水和骨料表面的水，加上外加剂含的水和浆状掺合料含的水，加上所有加入的冰或蒸气加热带来的水。有效水量（effective water content）：指的是新拌混凝土的总水量减去骨料吸收水量的差值。掺合料（addition）：根据BS EN 206-1的定义，掺合料指的是为改善混凝土某些性能或达到特殊性能，使用的细粉材料。本研究涉及两种类型的无机掺合料：近似惰性的掺合料（I 型）、火山灰质或潜在水硬性掺合料（II 型）。 I 型和 II 型掺合料在混凝土中的用量，须在初始试验确定，应注意高掺量掺合料对强度以外的性能的影响。水胶比（water/binder ratio）：在BS EN 206 以及BS 8500并未提出水胶比的概念，而在使用矿物掺合料的时候，常常需要使用这个概念或者类似概念。关于混凝土组成中的水泥用量和水/灰比，如果适用性（相关关系）已建立起来，II 型掺合料可计入计算。在BS EN 206中提出了k-值概念，使用k-值概念，允许将II型掺合料计入计算：采用“水/（水泥＋k x 掺合料）比”替代术语“水/灰比”，以及计算最小水泥用量要求。实际的k值决定于特定的掺合料。 k-值概念已确认适合于粉煤灰和硅灰。k-值概念允许将II型掺合料计入计算：采用“水/（水泥＋k x 掺合料）比”替代术语“水/灰比”；最小水泥用量要求。实际的k值决定于特定的掺合料。符合EN 450要求的粉煤灰或符合BS EN 13263: 2005要求的硅灰与符合BS EN 197-1要求的CEM I 型水泥一起使用时，可以使用k-值概念。如果已确认了适用性，k-值概念可应用于粉煤灰或硅灰与其它种类水泥和其它掺合料一起使用的场合。 1）k-值概念用于符合BS EN 450要求的粉煤灰计入k-值概念计算的粉煤灰最大掺量应满足要求：粉煤灰/水泥 ( 重量比如果使用更大的粉煤灰掺量，超出部分不计入水/（水泥＋k x 粉煤灰）比和最小水泥用量的计算。下列k-值允许用于含符合EN 197-1要求的CEM I 型水泥的混凝土： CEM I k = CEM I 和更高等级 k = 2）k-值概念用于符合BS EN 13263:2005要求的硅灰计入水/灰比和水泥用量计算的硅灰，最大掺量应满足要求：硅灰/水泥 ( 重量比如果使用更大的硅灰掺量，超出部分不计入k-值概念的计算。下列k-值允许用于含符合EN 197-1要求的CEM I 型水泥的混凝土：规定水/灰比 ( k = 规定水/灰比 ( k = ，除暴露等级XC和XF，取 k = 3）k-值概念用于符合BS 6699的磨细粒化高炉矿渣（GGBS）在BS EN 206-1以及BS 8500中，未明确指出粒化高炉矿渣的k-值范围。通过调研与文献分析，掺用符合BS 6699 的GGBS时，一般k = 。即使用下面介绍的组料概念。组料（Combination）：在BS EN 206-1的基础上，BS 8500-1进一步提出了组料的概念，指出Ⅱ型掺合料的适用性如经确定，可计入水泥含量中，并且明确有限范围的硅酸盐水泥与掺合料，在混凝土搅拌机内混合，可全部计入混凝土的水泥（cement）含量及水灰比（Water/cement ratio）的计算中。组料适用性的确定方法见BS 8500-2: 2002的附录A。在组料概念的基础上，一般如果使用的掺合料是Ⅱ型掺合料，组料大致相当于中国广泛使用的胶凝材料的概念，而此时，水灰比的概念为水与组料的比率，与中国使用的水胶比概念相当。在本研究中，除非特别说明，水灰比均指的是水/（水泥或者组料），一般不涉及k-值概念。由于马来西亚的粉煤灰品质较差，如果采用单独掺加粉煤灰的方法，一般都需要考虑k-值。取值可按照上述的BS EN 206-1的方法确定。据调查，实际有的预制构件厂，根据实际情况和使用经验，取k＝。如果后续方案中涉及外掺粉煤灰时，将会作出特别说明。设计使用年限（design life, or design working life）：等同于其他文献提到的“使用寿命”、“设计寿命”。设计使用年限明确设计使用年限，是结构设计的一大进步，是结构耐久性设计的目标。英国标准对设计使用年限的规定英国标准BS 7543《建筑物及建筑构件、产品与组件的耐久性指南》提出建筑物设计使用年限见表2-1，并对构件的使用年限进行的分类（表2-2）。表2-1 建筑物设计使用年限分类表序号建筑等级建筑分类寿命举例 1 临时协议期限10年非永久性的现场棚屋和临时展览建筑 2 短期寿命最小期限10年临时房间、短期工业加工建筑 3 中期寿命最小期限30年大多数工业建筑、住宅整体装修 4 正常寿命最小期限60年新住宅房屋和公共建筑内的高质量整体装修 5 长期寿命最小期限120年市政建筑和其他高质量建筑物表2-2 构件设计使用年限分类表序号等级寿命典型例子 1 可替换比建筑物寿命要短、在设计阶段能预期替换大多数地面面层和设备安装部件 2 可维护经过周期性维护将能持续到建筑物的寿命终结大多数外部覆盖层、门和窗 3 终生将持续到建筑的寿命终结基础和结构的主要构件英国在BS 5400 《钢桥、混凝土桥及组合桥实施规范》中提出的设计使用年限是120年，并且指出：并不必然意味着120年后桥梁将无法再使用，同时强调了在设计年限内要求正常的检测和维护以及必要时的维修。国际标准化组织以及欧洲标准关于结构设计寿命的规定国际标准化组织标准ISO 15686-1: 2000把通常意义上的耐久性目标具体为建筑或建筑构件的功能要求和可接受水平，要求在设计阶段就予以确定。建筑物或建筑构件的功能要求和可接受水平可作为设计任务书的一部分由业主确定，也可根据当地建筑规范或规章的规定由设计者确定。无论由业主或是设计师确定，都应指明建筑构件或组件的属性（可更换或永久性），考虑其失效效果，可依据表2-3确定建筑构件或组件的最小设计使用年限。如某些构件或组件的失效后果十分严重，应考虑延长构件的使用寿命或加强检查和维护措施，以减少建筑物设计寿命期限内发生失效的风险。表2-3 构件最小设计年限建议值（单位：年）建筑物的设计年限无法接近的或结构性构件难以更换或者更换昂贵的构件主要的可更换构件可修护构件无限制无限制 100 40 25 150 150 100 40 25 100 100 100 40 25 60 60 60 40 25 25 25 25 25 25 15 15 15 15 15 10 10 10 10 10 注1：易于更换的构件设计使用年限可以为3或6年注2：无限制的设计使用年限几乎很少用到，因为这将大大减少设计选项。欧洲标准prEN 1990对建筑物设计使用年限的规定如下表所示：表2-4 标志性的设计工作寿命设计工作寿命类别标志性的设计工作寿命（年）举例 1 10 临时性结构（1） 2 10 -25 可替换的结构构件，入吊车梁、支座 3 15- 30 农用及类似用途的结构 4 50 建筑结构及其他一般结构 5 100 纪念性或大型建筑物、桥梁，及其他土木工程（1）能拆开分解再使用的机构或结构部件，不应认为是临时性结构中国相关标准中国土木工程学会标准CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（2005 年修订版）将设计使用年限定义为：设计人员用以作为结构耐久性设计的依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限。设计使用年限应由业主或用户与设计人员共同确定，并满足有关法规的最低要求。结构的设计使用年限可按表2-5的级别选取。特殊重要的纪念性或标志性结构物，其设计使用年限应大于100年；大城市中的高层建筑或大型建筑物，其结构的设计使用年限宜不小于70年；工矿建筑与构筑物的结构设计使用年限宜与生产的设计服务年限相应，某些工业厂房结构的设计使用年限因现代生产工艺的快速变更或根据实际需要可定为30年。表2-5 结构的设计使用年限分级级别设计使用年限名称示例一不小于100年重要建筑物标志性、纪念性建筑物，大型公共建筑物如大型的博物馆、会议大厦和文体卫生建筑，政府的重要办公楼，大型电视塔等重要土木基础设施工程大型桥梁，隧道，高速和一级公路上的桥涵，城市干线上的大型桥梁、大型立交桥，城市地铁轻轨系统等二不小于50年一般建筑物和构筑物一般民用建筑如公寓、住宅以及中小型商业和文体卫生建筑，大型工业建筑次要的土木设施工程二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵三不小于30年不需较长寿命的结构物可替换的易损结构构件某些工业厂房该标准指出：结构的设计使用年限，通常应是结构使用过程中仅需常规维护（包括构件表面涂刷等）而不需进行大修的期限。仅当现有的技术条件不能保证结构的所有构件（或部件）均能达到与结构设计使用年限相同的耐久性时，或从经济等角度考虑认为有必要时，则在业主认可的前提下，可在结构设计中规定结构的个别构件（或部件）需在结构的设计使用年限内进行规定次数（1～2次或更多）的大修或更换。处于严重环境作用下的结构物，在结构的设计使用年限内，可对个别结构构件或部件（如桥梁拉索及支座件等）进行定期大修或更换。需在设计使用年限内进行大修或更换的结构构件，应具有能够进行修补或更换的施工操作条件。需要修补或更换的构件，其使用年限可低于结构的整体设计使用年限。对于土中或水下缺乏修理条件的结构构件，其设计使用年限应与结构的整体设计使用年限相同。有关文献提出的桥梁设计年限建议值同济大学[3]提出的桥梁构件分类见下表：表2-6 桥梁构件的使用寿命类型构件类型使用年限设计与施工要求永久构件不小于桥梁整体设计使用年限应保证足够的耐久性，施工中必须加强控制非永久构件低于结构整体的设计使用年限应保证其具有检查及更换的便利两重性构件介于上述二者之间表2-7 桥梁结构及构件的维护等级序号等级寿命典型例子 1 可替换比建筑物寿命要短，在设计阶段能预期替换大部分的桥梁伸缩缝、斜拉桥的拉索 2 可维护经过周期性维护将能持续到建筑物的寿命终结桥梁的主梁 3 终生将持续到建筑的寿命终结桥梁的基础该文献对我国桥梁寿命的建议值见下表（该表还可以用作日后制定桥梁日常维修计划的参考）。上述资料将为桥梁的整体设计与构件设计的寿命预期给出参考。明确重要构件的设计使用年限将是保证桥梁耐久性的重要前提。表2-8 跨海及跨大江、大河的特大型公路桥梁设计使用年限建议值构件类别设计使用年限建议特殊措施或相关分析主梁钢筋混凝土主梁 100～150 120 使用高密实度、高抗渗性的高性能混凝土，使用阻锈剂或者钢筋涂层，加强防水措施。预应力混凝土主梁 100～150 120 同上钢主梁 100～150 120 如采用耐久性极好的新材料或者阴极保护系统时，寿命可采用100年桥墩、立柱钢筋混凝土 100～150 同主梁增加保护层厚度，使用高密实度、高抗渗性的高性能混凝土，使用阻锈剂或者钢筋涂层。加强防水措施。基础钢筋混凝土 100～150 同主梁使用寿命应大于桥梁本身。支座橡胶支座 30～50 50 考虑技术进步及养护观念改变的影响伸缩缝钢梁伸缩缝 20～40 30 加强防水措施，考虑技术进步及养护观念改变的影响主塔钢筋混凝土 100～150 120 取与桥梁及主梁同一水平要求钢材 100～150 120 斜拉索平行钢丝 20～50 30 使用涂层预应力钢筋，加强防水措施。平行钢绞线 20～50 30 吊杆平行钢丝 20～50 30 使用涂层预应力钢筋，加强防水措施。平行钢绞线 20～50 30 主缆平行钢丝束 100～150 80 缺乏足够的数据，暂定，加强防水措施。防撞栏杆钢筋混凝土 50～80 60 使用高密实度、高抗渗性的高性能混凝土，使用阻锈剂或者钢筋涂层。钢材 40～80 60 桥面铺装水泥混凝土 10～30 20 重视防水层及桥面防水、排水措施。沥青混凝土 10～30 20 注：对于有重大战略意义的特大型桥梁，其设计使用年限可以设为150年甚至更长。环境类别及其作用等级一般情况最新的英国标准BS 7543: 2003《建筑物及建筑构件、产品与组件的耐久性指南》，列出了建筑物可能受到的影响其性能的作用因素，包括机械力作用、电磁作用、热作用和化学物质作用以生物作用等，具体需要考虑的因素参见附录的10-1。具体对建筑组件与材料服役寿命而言，作用因素见表3-1。这些因素在耐久性设计阶段都需要进行细致考察，并根据实际情况确定最终影响建筑物耐久性的主要因素。表3-1 影响建筑组件与材料服役寿命的作用因素作用类型作用介质气候作用温度辐射：阳光、热水：固态（如雪、冰）；液态（如雨、冷凝物）；气态（如高湿度）一般的大气成分：氧气、二氧化碳空气污染物：气体（如氮和硫的氧化物）；海水喷溅；微粒（如砂、尘）冻/融作用风生物作用生物因素：微生物、昆虫、其他动物、植物应力作用应力因素：持续的；间歇的化学与物理作用不兼容，土壤污染使用中的作用力正常磨损、不当使用海洋环境对混凝土结构耐久性而言是一类严酷的条件。海水是一种成分复杂的溶液，典型海水的平均总盐量约为35g/L，其中NaCl占盐量的%，MgCl占%，MgSO4占%，K2SO4占%。虽然不同海域的海水由于生物、径流、结冰、溶解氧的影响导致成分差异，但是由于海水的不停运动，使其组分混合均匀。此外，海水主要成分之间存在恒比关系，所以海水中元素和盐分的区别并不很大。因此，海水中混凝土普遍存在着氯离子侵蚀、硫酸根离子侵蚀、镁离子侵蚀和浸析式侵蚀等。海水的pH平均值约~[4]。表3-2 典型海水中的常量元素存在形式和含量[4] 元素 Cl Na Mg S Ca K Br Sr B Si F 存在形式 Cl- Na+ Mg2+ SO42- Ca2+ K+ Br- Sr2+ B(OH)3 Si(OH)4 F- 含量（mg/L） 19000 10500 1350 885 400 380 65 8 表3-3 典型海水中的主要盐分及其含量[4] 主要盐分 NaCl MgCl MgSO4 CaSO4 K2SO4 CaCO3 MgBr及其它合计含量(‰) 占总盐量(%) 100 自然环境槟城（Pulau Penang）是马来西亚唯一的自由港和第二大城市。槟城港位于马来西亚的马来半岛西部沿海的槟榔屿东北角，濒临马六甲（MALACCA）海峡东北侧的入口处。槟城港位于东经100度21分、纬度5度25分，属于热带雨林气候，温度范围为20~40℃，平均温度为30℃。雨量充沛，经常有暴雨出现。从马来西亚气象局（Jabatan Meteorologi Malaysia）获取的马来西亚槟城官方气象资料（见附录）显示： 1）从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均气温显示，该地区月平均温度范围在℃（1986年9月）到℃（1988年8月），在2006年中全年温差最大的一天为2006年8月18日，当日最低气温为℃（5:00 am），最高为℃（4:00 pm），当日温差为℃； 2）从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均风速显示，该地区月平均风速范围在（1969年4月和1968年9月）到（1987年12月）； 3）从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均相对湿度显示，该地区月平均相对湿度范围在%（2002年1月）到%（1989年9月）； 4）从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均降雨量显示，该地区月平均降雨量范围在（1997年1月）到（1992年10月），年平均降雨量范围在（1997年）到（1999年），月平均降雨天数范围在0天（1997年1月）到29天（2001年10月），年平均降雨天数范围在142天（1997年）到215天（1966年）。马来西亚一家气象分析部门的研究报告指出：马来西亚逐渐遭受类似英国、日本和美国等工业国家发生的酸雨侵蚀。最严重的地区是吉隆坡、Johor, Kedah 和Selangor。在1985 到1988期间，Petaling Jaya和 Senai 遭受了四次酸雨。 1990年，马来西亚一份酸雨观察报告指出：除了Malacca, Kelantan, Terengganu 和Sarawak外，马来西亚其他州都有过酸雨的记录。酸雨正在快速成为马来西亚的一个环境问题。据调研了解，槟城地区有遭受酸雨侵蚀的记录。桥梁位置有潮汐，大潮平均高潮位米，小潮平均高潮位米，小潮平均低潮位米，大潮平均低潮位米。桥址处pH值、以及主要侵蚀介质的浓度见下表。表3-4 桥址处的海水分析指标低潮（9:00 am）高潮（2:00 pm） pH值 SO3 （mg/L） 1855 1776 Cl- （mg/L） 16023 16448 CO32- （mg/L） NIL NIL HCO3-（mg/L） 95 80 有机物杂质（mg/L） <1 <1 固体总含量（mg/L）上述情况表明：槟城二桥处于热带海洋性气候环境中，环境作用对桥梁结构可能产生的破坏有：海洋环境侵蚀介质，特别是氯盐对钢筋混凝土结构的侵蚀作用明显；高温环境，将加剧化学反应作用与侵蚀介质的侵蚀速率；同时，高温环境下，现浇大体积混凝土的施工需要进行温度控制，以防止温度裂缝和延迟钙矾石破坏的发生；高湿度环境中，材料（包括混凝土材料和其他材料）发生各种劣化和腐蚀的风险大大增加；强烈的太阳辐射作用将加剧有机类建筑材料的老化；明显的干湿循环作用对混凝土的耐久性能具有强烈的破坏作用，特别是在浪溅区和水位变动区；盐雾和CO2气体的存在，将对大气区混凝土产生一定程度的腐蚀作用；降雨形成的淡水对混凝土材料的溶蚀作用；海水运动对混凝土的冲刷磨蚀作用；可能发生海洋生物对材料的腐蚀作用。一般情况下，在此热带环境中不会发生低温受冻和冻融循环以及盐冻破坏。海洋环境中混凝土结构的耐久性问题此处讨论的耐久性问题，是基于材料质量和裂缝问题得到解决，即在可以获得质量优良且无宏观危害性裂缝的混凝土的情况下进行的讨论。材料质量和裂缝控制问题在后文中论述。氯离子与钢筋锈蚀钢筋锈蚀的本质总结世界50年混凝土耐久性状况后，把钢筋腐蚀作为影响耐久性的主要因素，而氯盐腐蚀又是钢筋腐蚀的主要因素。水泥混凝土含有Ca(OH)2、KOH、和NaOH，其碱度（pH值）一般可达到~。在这种高碱度环境下，钢筋表面被氧化而生成一层致密钝化膜，牢固地吸附在钢表面上，在减少铁离子进入溶液的同时，降低氧的扩散速度，使其难以再继续进行电化学反应。然而，钢筋表面的钝化膜可能因混凝土碳化或者氯离子的进入而遭破坏，进而开始钢筋腐蚀。因此钢筋钝化膜的破坏是混凝土中钢筋腐蚀的先决条件，而诱导钝化膜破坏的主要原因是保护层的碳化和氯离子通过混凝土保护层扩散到钢筋表面，而后者更为普遍和严重。氯离子的存在，且超过一定浓度后，即使在高碱性环境中仍然可以使钢筋发生锈蚀。而钢筋一旦发生锈蚀，锈胀应力可能引起混凝土的开裂，从而进一步加剧腐蚀进程。在钢筋锈蚀的一系列电化学反应中，氯离子发挥的“去极化作用”，类似催化剂效应，它并不在反应中被消耗。钢筋锈蚀可能引起结构的安全性问题，其后果非常严重。钢筋腐蚀的实质是电化学腐蚀。在有水和氧存在的条件下的某局部为阳极，被钝化膜包裹的钢筋为阴极，在阳极产生如下反应，释放出电子：阳极反应 Fe→Fe2++2e- 释放的电子通过传输电路流向阴极。在阴极水和氧反应，形成OH-离子：阴极反应 O2+2H2O+4e-→4(OH)- 腐蚀反应就是这两个过程的不断进行，并在钢材表面析出氢氧化亚铁： 2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2 生成的氢氧化亚铁在水中氧存在下继续氧化，生成氢氧化铁： 4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3 图3-1 钢筋腐蚀电化学原理示意图氯离子的特殊作用氯离子在钢筋锈蚀发生的电化学反应过程中发挥着特殊的作用，主要有以下几个方面[31]：（1）破坏钝化膜一般情况下，混凝土高碱性环境对钢筋具有较好的保护作用，有利于钢筋表面形成保护钢筋的钝化膜。当氯离子存在并具有足够浓度时（超过“临界值”），即使混凝土的碱度并不降低，仍然可能导致钢筋表面的钝化膜发生破坏，氯离子被认为可以导致钢筋的局部酸化，从而破坏钝化膜。钝化膜被破坏后，裸露的铁基体会与完好钝化膜区域之间构成电位差，形成“腐蚀电池”。（2）氯离子的阳极去极化作用氯离子会在电化学反应中发挥去极化作用，加速了电流的作用过程。阳极反应过程： Fe→2e→Fe2+，如果生成的Fe2+不能及时被导走而积累于阳极表面，则阳极反应就会因此而受阻，称为阳极极化作用；相反，如果生成的Fe2+能被及时导走，阳极反应过程就会顺利乃至加速进行，称为阳极去极化作用。Cl-与Fe2+相遇就会生成FeCl2，Cl-能使Fe2+消失而加速阳极过程，发生如下发应： Cl-+Fe2+→FeCl2 氯离子参与反应，起到了“搬运”作用，但并不被“消耗”，而是在后续反应中释放出来： FeCl2+OH-→Fe(OH)2+ Cl- 生成Fe(OH)2又进一步氧化成铁的氧化物，即通常说的“铁锈”： Fe(OH)2+O2→Fe(OH)3 可见，进入混凝土的氯离子，会周而复始地起破坏作用，这也是氯盐危害性的主要特点之一。（3）氯离子导电作用混凝土中氯离子的存在，大大降低了阴、阳极之间的电阻，强化了离子通路，提高了腐蚀电流的效率，从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程，氯离子对混凝土中钢筋锈蚀更严重更快速。同时，氯盐是高吸湿性的盐，它能吸收空气中的水分变成液体，更容易形成导电通路，加剧锈蚀过程。湿热环境中的氯盐腐蚀 Norzan 和Clark对（马来西亚）湿热海洋环境对结构的作用进行了综述[32] REF _Ref183118414 \r \h \* MERGEFORMAT [33]，并对马来西亚半岛东海岸的桥梁进行了调查，结果显示：在桥梁桩帽以上直径为的混凝土柱，下部在服役6年内出现劣化，其余结构部位在10年后开始出现劣化。而用于该结构的混凝土强度不低于25MPa。劣化程度因结构部位的微环境而不同。一个日本和东南亚国家联盟（东盟）材料科学与技术的合作项目对新加坡的海洋结构进行的调查并发表报告，指出：除了宏观环境外，热带地区的微环境与温带地区有所区别。项目选取了5个不同工程的服役年龄7-22年之间的结构进行了调查，较早结构的混凝土等级为C20，后期结构的混凝土等级为C55。在严酷浪溅区的梁和板，设计的保护层厚度在50-75mm之间。原位测试估算的混凝土强度在之间。由于重荷载作用引起开裂的部位，观察到劣化现象。现浇混凝土梁的腐蚀程度比预制和预应力混凝土梁高，原因是预制的预应力混凝土梁的保护层混凝土质量好。发现大多数钢筋混凝土的保护层比设计值小，相反，预应力混凝土梁的保护层比设计值大，原因是预制构件的质量控制得到保证。预应力构件中，碳化深度和氯离子穿透深度较小。仅发现有一些支承桥面板的柱发生了劣化，这可能是这些构件处于压应力状态的关系。而且，劣化发生的部位大部分处于混凝土构件的受拉区。有报告指出[34]：用65%的磨细粒化高炉矿渣（GGBS）可以获得最优的抗氯离子能力，提高磨细矿渣的细度（300，450，600，800m2/kg），能够提高抗压强度，但对提高抗氯离子侵蚀能力几乎没有贡献。 Wee 等人的研究表明[35]，即使高温作用可以获得较高的早期强度和更密实的微结构，但是高温作用下，氯离子的侵蚀速率还是加快了！硫酸盐、镁盐侵蚀槟城二桥处于海洋环境中，海水中富含硫酸盐和镁盐，将会发生硫酸盐侵蚀和镁离子侵蚀作用。硫酸盐侵蚀海水中的硫酸盐与混凝土中Ca(OH)2起置换作用而生成石膏： SO42-+Ca(OH)2+2H2O→+2OH- 在水位变化区域，石膏在混凝土中的毛细孔内沉积、结晶，引起体积膨胀，使混凝土开裂，最后混凝土转变成糊状物或无粘结力的物质。而处于水下的混凝土，生成的石膏会与混凝土固态单硫型水化硫铝酸钙和水化铝酸钙作用生成三硫型水泥硫铝酸钙（钙矾石）： 3CaO·Al2O3·CaSO4·19H2O+2CaSO4·2H2O+8H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O 4CaO·Al2O3·12H2O+3CaSO4·2H2O+12H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2 生成的三硫型水化硫铝酸钙含有大量的结晶水，其体积比原来增加倍以上，因此产生局部膨胀压力，使混凝土结构胀裂，强度下降而造成破坏。一般认为，降低水泥中C3A和C3S的含量，可以有效抵抗外来硫酸盐的侵蚀。然而，提高混凝土的密实度往往更具有决定性作用。镁离子侵蚀镁盐（MgCl2+MgSO4）在海水中的含量仅次于NaCl，占海水总含盐量的%。在阳离子中，Mg2+对水泥基材料的危害较大。由于Mg2+和Ca2+具有相同的化合价和几乎相同的半径，所以Mg容易取代C-S-H凝胶中的Ca，生成胶结性很差的水化硅酸镁（M-S-H）[36]： Mg2++Ca(OH)2→Ma(OH)2↓+Ca2+ Mg2++3CaO·2SiO2·3H2O+2H2O→3Ca2++3Mg(OH)2↓+2SiO2·H2O Mg(OH)2和SiO2·H2O均无凝胶特性，从而使混凝土软化。所产生的Ca2+一部分形成可溶性CaCl2随扩散而被带出混凝土，使混凝土孔隙率和渗透性提高；另一部分则形成石膏（CaSO4·2H2O），会进一步产生膨胀性腐蚀[37]。混凝土的中性化碳化的基本原理混凝土在正常状态下呈高碱性，在受到酸性物质的侵蚀时会发生碱度降低，以致中性化，由此引起水化产物的发生分解和对钢筋保护效果的降低等劣化现象。由于大气含有的CO2气体无时无处不在，所以，一般情况下，混凝土中性化主要以碳化为主，即空气中的二氧化碳与湿混凝土的水化产物反应，中和混凝土的碱度。碳化反应将混凝土中的氢氧化钙变为碳酸钙，一方面降低了混凝土孔隙溶液的pH值，从标准值~降低到完全碳化的左右，碳化导致钝化膜破坏。实际上pH值降低至约时，钢筋的钝化膜已经开始破坏，失去对钢筋的保护作用。另一方面碳化可使水化产物氯铝酸盐等结合或吸附的氯离子释放出来，从而使孔隙溶液更具有侵蚀性。 CO2和H2O的存在是碳化反应发生的重要条件，因此混凝土处于半干半湿状态，即结构处于干湿交替的条件下，是碳化引起腐蚀的最不利环境。湿度、温度对碳化过程的影响二氧化碳的来源既可以是大气中的，也可以是水中溶解的二氧化碳。（1）大气中的二氧化碳硅酸盐水泥与空气中的二氧化碳反应是一个非常缓慢的过程。它受到环境湿度、温度、混凝土渗透性及二氧化碳浓度等多种因素的影响。当相对湿度保持在50%~75%时碳化反应相对湿度较高。当相对湿度小于25%时，碳化反应基本可以忽略不计。当相对湿度大于75%时，孔洞中的水分限制了二氧化碳的渗透[38]。相对而言，疏松混凝土较密实的、良好浇筑的、养护充分的混凝土更易碳化。低的水灰比和良好的浇筑可以减小渗透性并限制表面的碳化反应。工业区的高二氧化碳浓度导致了碳化反应高速度。（2）地下水中二氧化碳雨水吸收的二氧化碳进入地下水可以形成碳酸。与空气中的碳化反应一样，侵蚀速度与混凝土的属性与二氧化碳的浓度有很大的关系。一些研究认为，水中二氧化碳浓度达到20ppm时会对水泥浆体产生较快的碳化反应。在高温、高湿度条件下，发生碳化的程度是加重还是减轻目前存在着分歧。一些研究表明：高温对提高CO2的侵蚀作用并不明显。但也有研究表明：高温会大大提高混凝土的碳化速率。近年来，新加坡将一般建筑物的混凝土等级由C30提高到C35，以满足50年抗碳化的设计要求[39]。海洋环境中的碳化作用导致钢筋锈蚀的诱因一般有两种：其一是Cl-的侵蚀，其二是大气中的碳化作用。有调查表明[40]：海洋环境中，Cl-是导致钢筋锈蚀的最主要因素，对东海大桥周边码头的调研情况发现：海洋环境中，混凝土的碳化速度远远低于氯离子的渗透速度。中等质量的混凝土自然碳化速率平均为3mm/10a。即使我们把高温、高湿度环境中碳化认为是严重的，其腐蚀程度仍然无法与氯离子侵蚀相比。这一点，我们可以通过相关标准中，环境类别与作用等级的划分来得到印证（见附录）。因此，抗氯离子侵蚀是海洋环境中的耐久性的控制性指标，亦即满足抗氯离子的性能指标，必能满足抗碳化侵蚀的性能要求。当然，二者的耦合作用，将比单独的氯离子侵蚀要严重一些，因此，在考虑控制氯离子的时候，要留有足够的安全裕度。干湿循环干湿循环，就大环境而言，主要是降雨和干燥的交替出现，这在热带多雨地区较为明显；就微环境而言，主要是水（海）面附近水位变动、飞溅形成的潮汐区和浪溅区。干湿循环作用下，混凝土性能容易发生劣化，特别是周围存在腐蚀介质的情况下，这种作用尤其突出。在浪溅区，海水飞溅在混凝土表面，水分随即蒸发，盐分留下；久而久之，盐分集聚，在混凝土表面形成高浓度的盐溶液，甚至发生盐分结晶破坏。而且，干湿过程，加剧了盐分的迁移、聚集过程，对混凝土结构造成极其严重的破坏作用。在钢筋锈蚀的过程中，水分和供氧条件是两个非常重要的因素，而在干湿循环作用下，水分和氧气都能交替供给，从而大大促进了钢筋锈蚀的电化学反应。因此，浪溅区是海洋桥梁结构中腐蚀作用最严重的部位。盐雾腐蚀海洋环境中，空气中含有一定量的盐分。在适当的天气条件下，空气中的盐分与水分结合，形成盐雾。盐雾对钢筋混凝土结构具有腐蚀作用。其侵蚀机理与氯盐侵蚀作用类似，不赘述。生物、微生物腐蚀微生物腐蚀是海洋混凝土构筑物劣化的因素之一。这类微生物主要是硫杆菌属细菌，该类细菌能在供氧环境中，将硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐等转化为硫酸盐，并最终转化为对混凝土和钢筋产生强烈腐蚀作用的硫酸。另一类硫酸盐还原菌能将硫酸盐还原为强腐蚀性的硫化氢[37]。 C. Parker[42]发现，污水环境下混凝土的失效与微生物的新陈代谢作用有关。硫氧化菌、硫杆菌和噬砼菌3种细菌的生存代谢生成生物硫酸导致混凝土腐蚀。因此，只有在好氧环境下，H2S被硫氧化细菌氧化为生物硫酸，才会对混凝土产生强烈的腐蚀作用。目前，混凝土微生物腐蚀防治措施的研究建立在对腐蚀机理基本认识的基础上，即硫氧化细菌将H2S氧化为生物硫酸是混凝土遭受腐蚀的主要原因。理论上提高胶凝材料的抗硫酸侵蚀性能、控制腐蚀传质过程、抑制或减少生物硫酸的生成都能缓解混凝土的微生物腐蚀。因此，防治措施主要包括混凝土改性、表面涂层保护和生物灭杀技术3大类。混凝土的微生物腐蚀一般需要两个条件，一是水体中含有硫化物或氮氧化物，二是具有能将上述化学物质转化为对混凝土具有腐蚀作用的酸类物质的菌种。因此，微生物腐蚀主要发生在污水管道。在海洋环境中，微生物对混凝土的腐蚀即使存在，一般也并不严重。有文献报道[44]，沙特阿拉伯的Ju’Aymah Trestle桥遭到岩生软体动物的破坏。岩生软体动物侵蚀石灰石骨料，甚至侵蚀水泥浆体覆盖的部位。这些贪婪的钻孔虫制造成千的孔眼，虽然混凝土的强度超过了50MPa。只得在水面上下大量涂刷昂贵的环氧进行必要的维修。显然，设计者必须警惕生物和物理侵蚀。在海洋环境中，牡蛎、螺类等大生物会附着在混凝土表面，在它们的新陈代谢中产生生物酸，从而腐蚀混凝土。因此，防护有必要考虑海洋生物的侵蚀作用。服役环境荷载环境荷载环境主要由结构设计考虑。应该注意的是，结构设计在可能不能满足耐久性要求的情况下，应按照耐久性要求设计。结构设计在考虑承载力和裂缝宽度的配筋率可能并不满足控制早期热裂缝的需要，这时应考虑足够的构造配筋以确保裂缝的控制。同时，出于耐久性要求，混凝土保护层需要在满足设计要求的基础上，需要适当提高其厚度，而在计算裂缝宽度时，额外增加的保护层厚度不算在内。具体参见后文的有关章节。各结构部位的微环境根据结构部位所处的微环境以及相应的腐蚀程度，从耐久性设计的角度出发，可以将桥梁划分为水下区、水位变动区与浪溅区以及大气区三个部位，相应的腐蚀程度分析见下表。表3-5 各结构部位的微环境微环境腐蚀作用与程度结构部位应力状态水下区受到海水冲刷，海水中侵蚀介质对钢筋混凝土的侵蚀作用。但由于水下供氧条件差（氧在海水中的溶解度低），因而发生钢筋锈蚀的程度较轻。但海水中硫酸盐和镁盐等物质对混凝土的侵蚀作用较重。桩基础、承台下部受压水位变动区、浪溅区由于潮汐的水位变动，发生干湿循环，腐蚀程度较重。水下区和水位变动区可能存在生物腐蚀，包括牡蛎等大生物以及海洋微生物的腐蚀作用；海水飞溅冲击，干湿循环频繁，氯离子逐渐积累，水分与供氧充分，发生的腐蚀作用最重。承台、墩身受压大气区海风、盐雾腐蚀，碳化作用，降雨的淡水淋溶支座、梁体梁体下部为受拉区环境类别与作用等级的确定英国标准的规定根据BS EN 206-1关于环境作用的暴露等级分类，槟城二桥所处的环境属于XS类别，即海水氯化物引起锈蚀。并且包含所有的亚类：XS1：受大气中悬浮盐分作用但不直接接触海水；XS2：永久浸没海水中；XS3：潮汐区、浪溅区、水雾喷射区。环境作用类型及其级别见表3-6与表3-7。表3-6 暴露等级分类 X0 无腐蚀或破坏危险的暴露等级 XC 碳化导致钢筋锈蚀危险的暴露等级 XD 不是来源于海水的氯导致钢筋锈蚀危险的暴露等级 XS 来源于海水的氯导致钢筋锈蚀危险的暴露等级 XF 有或没有化冰剂冻害的暴露等级 XA 化学腐蚀的暴露等级表3-7 环境作用类别（暴露等级）类别名称环境描述适用于英国的示例（指导性）无锈蚀或侵蚀危险（X0类别） X0 不含钢筋或埋设金属的混凝土：除冻融、磨损或化学侵蚀外的所有暴露环境含有钢筋或埋设金属的混凝土：非常干燥环境结构物内部的素混凝土表面完全埋于无侵蚀性土体中的素混凝土永久处于无侵蚀性水下的素混凝土干湿交替但无冻融、磨损或化学侵蚀环境作用下的素混凝土非常干燥环境下的钢筋混凝土碳化引起锈蚀（XC类别）a 当含有钢筋或埋设金属的混凝土暴露于空气和潮湿 XC1 干燥或永久性湿润结构物内部的钢筋混凝土和预应力混凝土表面（高湿度区域的结构部位除外）永久性浸没于水中的钢筋混凝土和预应力混凝土表面 XC2 湿，极少干燥全部埋于无侵蚀性土体中的钢筋混凝土和预应力混凝土表面 XC3与XC4 中等湿度或干湿交替室外遮雨的或直接受雨淋的钢筋混凝土和预应力混凝土表面结构物内高湿度区（如浴室、厨房）的钢筋混凝土和预应力混凝土表面干湿交替的钢筋混凝土和预应力混凝土表面氯化物引起锈蚀，来自海水的氯化物除外（XD类别）当含有钢筋或埋设金属的混凝土与含有氯化物（包括除冰盐）的水接触，但来自是海水的除外 XD1 中等湿度受空气中悬浮氯化物作用的混凝土表面离开除冰剂水雾直接溅射的钢筋混凝土和预应力混凝土的桥梁部件表面偶受氯化物作用或氯化物轻度作用的结构部件 XD2 湿，极少干燥全部浸没于含有氯化物水中的钢筋混凝土和预应力混凝土表面b XD3 干湿交替直接受除冰盐作用或除冰剂水直接溅射的钢筋混凝土和预应力混凝土表面（如：离车行道两旁10m内的墙和桥台，栏杆或护墙边梁，车道路面下1m内的埋设结构，路面和停车场地板）海水氯化物引起锈蚀（XＳ类别）当含有钢筋或埋设金属的混凝土与来自海水的氯化物接触，或与空气携带的来源于海水的盐份接触 XS1 受大气中悬浮盐分作用但不直接接触海水沿海地区室外的钢筋混凝土与预应力混凝土表面 XS2 永久浸没海水中完全浸没且持续饱和的钢筋混凝土和预应力混凝土，如中潮位以下的混凝土 XS3 潮汐区、浪溅区、水雾喷射区高潮位区、浪溅区与水雾喷射区中的钢筋混凝土和预应力混凝土表面冻融侵蚀（XF类别）当湿润的混凝土暴露于冻融循环引起的显著侵蚀作用 XF1 中度饱水，无除冰剂受雨淋并受冻的混凝土竖向表面，如外墙和柱非竖向表面受雨淋或接触水并受冻但并非高度饱水 XF2 中度饱水，有除冰剂由于暴露于除冰盐（直接作用或水雾喷射），本可列入XF1类别的构件（如桥梁部件）改为XF2类别 XF3 高度饱水，有除冰剂水能积聚并受冻的混凝土水平表面，如建筑物的一些部件频繁受水溅射并受冻的构件 XF4 高度饱水，有除冰剂受冻并暴露于除冰盐（直接作用或水雾喷射）的混凝土水平表面如道路和路面频繁受含除冰盐水的溅射并受冻的构件化学侵蚀（XA类别）（当混凝土暴露于化学侵蚀）按表来确定化学侵蚀作用级别（ACEC级别）。见 BRE Special Digest 1的第1部分，场地调查指南。 a. 混凝土保护层中的湿度状况，在许多情况下可取为周围环境中的湿度。但在混凝土与其周围环境之间如有隔离层就不是这样。 b. 钢筋混凝土和预应力混凝土构件的一个表面如果浸没于水中而其它的表面暴露于空气中，这种环境作用可能更为严重，尤其是干燥一侧的环境温度较高的情况。针对可能发生的复杂环境条件，宜寻求专家的指导，提出适当的技术要求。 c. XS3类别所包含的环境情况较广，其中最严酷的是浪溅区，与之相反的是潮汐区，后者的环境条件可以与XS2中的条件相近。本附件的建议是按XS3类别中最极端的情况考虑的。 d. 在英国频繁接触海水的地区内，结构部件的环境作用类别通常不需考虑列入XF4。中国标准的规定关于环境分类与环境作用等级，按照中国土木工程学会的标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》），槟城二桥所处的环境属于“海洋环境”，涉及水下区、大气区、水位变动区和浪溅区，作用等级属于“严重、严重、非常严重和极端严重”。具体划分请参见附录。不同设计使用年限的结构物，在不同环境作用等级下需要进行耐久性设计的具体内容大体如表3-8所示。表3-8 不同使用年限级别的结构物在不同环境作用等级下的耐久性设计内容耐久性设计内容混凝土材料结构构造和裂缝控制施工要求使用阶段定期检测防腐蚀附加措施使用年限级别环境作用等级一二三一二三一二三一二三一二三 A ● ● ● B ● ● ● ● ● ● ▲ C ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ D ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ E ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ F ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ 注：1、表中符号意义：●需要 ▲ 可能需要小结根据上述英国标准和中国标准的规定，可以确知：槟城二桥的结构混凝土所处的环境及其作用等级属于严酷的XS环境（英国标准）、近海或海洋环境Ⅲ，作用等级属于严重D、非常严重E和极端严重F（中国标准）。因此槟城二桥的混凝土结构的耐久性设计至少应包括： 1）耐久混凝土的技术要求根据结构所处的不同环境类别、环境作用等级与结构的设计使用年限，确定混凝土材料耐久性的主要技术要求，包括：混凝土原材料的选用要求（水泥、矿物掺合料、骨料以及化学外加剂的品种与质量等），混凝土的最低强度等级，最大水胶比和胶凝材料的最小用量，以及结构所处环境下所需的混凝土氯离子扩散系数等混凝土耐久性参数的具体指标。 2）与耐久性有关的结构构造措施根据结构的环境作用等级与设计使用年限，确定钢筋的混凝土保护层厚度，提出防水排水构造与裂缝控制等措施。 3）与耐久性有关的施工质量要求重点为混凝土养护（温度、湿度控制与湿养护期限与方法）与保护层厚度的质量控制要求，并标明在结构施工图和相应说明中。 4）结构使用阶段的检测与维修应确定使用期内的定期维修（包括部件更换）与检测要求，并在设计中为从事这些维修与检测的活动设置必要的通道和施工、操作空间，预置埋设件和测试元件。 5）防腐蚀附加措施应考虑采取防腐蚀附加措施。常用的防腐蚀附加措施有：在混凝土表面涂刷或复盖防护材料，在混凝土组成中加入阻锈剂或水溶性聚合物乳液，局部选用环氧涂层钢筋，在混凝土浇筑成型中采用控制渗透性模板，直至采用阴极保护等措施。上述措施的适用性，需进行专门的论证。 6）对于遭受氯盐引起钢筋锈蚀的重要混凝土工程，宜根据具体环境条件和材料劣化模型，进行结构使用年限的验算。混凝土材料与施工条件结构的耐久性设计是一个复杂的系统工程，涉及结构和构造设计、材料、施工以及维护等一系列重要环节。对混凝土耐久性的影响因素很多，下表从不利于耐久性因素的方面列出了一些重要原因，但并不包括所有因素。由此我们对混凝土耐久性问题的复杂性可见一斑。表4-1 影响混凝土耐久性的不利因素[5] 不利因素对耐久性的影响水泥特性高碱高C3S 高C3A 高SO3 这些因素使硬化快、徐变损失迅速，并使混凝土在温度收缩、自生收缩和干燥收缩期间的延伸性较小（易于开裂）骨料特性光滑的表面圆的外形活性的高孔隙率低模量不均匀的级配最大粒径小含泥量高热膨胀系数很小力学粘结性差多棱角外形有助相互嵌锁会产生ASR 对收缩和冻融不好增大整体干燥收缩增大水泥需用量增大整体干燥收缩增加整体干燥收缩可能是一个问题拌合物特性高水泥用量低水泥用量高用水量高细度的火山灰早强剂增大易裂性增大渗透性增大整体干燥收缩对自生收缩和干燥收缩不利减小徐变，会增大收缩浇筑特性材料温度高环境温度高表面的蒸发率大长时间养护浇筑后温度收缩较大加速水化和收缩会产生塑性收缩裂缝混凝土较脆并易裂环境特性气候干燥混凝土防雨雪混凝土位于可能受冻处存在氯化物存在硫酸盐混凝土干燥和裂缝较多干燥不受天气的阻止是否引气了？腐蚀钢筋侵蚀混凝土原材料水泥英国标准对水泥的分类胶凝材料中，水泥是最重要的组分，水泥的种类、品质和用量在很大程度上决定了混凝土的基本性能。水泥成分应符合 BS EN 197-1的规定。按照BS EN 197-1，普通水泥27个品种，可分为5类：表4-2 英国标准体系对水泥的分类代号名称 CEM I 硅酸盐水泥 Portland cement CEM II 硅酸盐-矿物掺合料水泥 Portland-composite cement CEM III 高炉炉渣水泥 Blastfurnace cement CEM IV 火山灰水泥 Pozzolanic cement CEM V 复合水泥 Composite cement 注：CEMⅠ水泥的硅酸盐熟料含量应在95-100%的范围内，有CEMⅠ和CEMⅠ/SR二种，后者为抗硫酸盐硅酸盐水泥。 CEMⅡ水泥型号如：CEMⅡ/A-V，其中的前三个字母CEM表示水泥，斜杠后的第一个符号为A或B表示水泥主要成分硅酸盐熟料含量的高低，再后面的一个符号表示水泥中所含矿物混合料的品种，V代表硅质粉煤灰，W代表钙质粉煤灰，S代表矿渣，D代表硅粉，P代表天然火山灰，Q代表工业（人造）火山灰，L代表石灰石，M代表二种或更多的矿物混合料。硅酸盐-硅粉混凝土仅有CEMⅡ/D-A，其中的硅酸盐熟料含量90-94%，其它如硅酸盐-粉煤灰水泥，硅酸盐-矿渣水泥等都有A、B二种，A的硅酸盐熟料含量80-94%，B的硅酸盐熟料含量65-79%。高炉炉渣水泥有CEMⅢ/A 、CEMⅢ/B、和CEMⅢ/C三种，硅酸盐熟料含量分别为35-64%、20-34% 和5-19%。火山灰水泥有CEMⅣ/A 和CEMⅣ/B，硅酸盐熟料含量分别为65-89%和45-64%。复合水泥有CEMⅤ/A和CEMⅤ/B，硅酸盐熟料含量分别为40-64%。矿物掺合料的论述详见专项研究部分。胶凝材料中必须使用矿物掺合料作为提高混凝土耐久性的必要手段，也可以使用火山灰水泥或者矿渣水泥。选取原则以高抗氯盐侵蚀能力为主。如果使用CEM I型水泥，粉煤灰、或者矿渣的掺量可参照表中数值。表4-3 水泥与粉煤灰、磨细矿渣的选择（BS 8500）类型名称抗硫酸盐组别抗氯盐（XD2、XS3、XS）组别 CEMI 水泥，加6%-20%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加21%-35%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加21%-35%组料重的磨细粉煤灰 CEMI 水泥，加36%-55%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加36%-55%组料重的磨细粉煤灰 CIIA-V CIIB-V CIIB-Vc CIVB-V CIVB-V 1 1 2a 1 2a 4 5 5 6 6 CEMI 水泥，加6%-36%组料重的磨细矿渣 CEMI 水泥，加36%-65%组料重的磨细矿渣 CEMI 水泥，加66%-80%组料重的磨细矿渣 CII-S CIIIA CIIIB 1 1 2b 4 5 6 马来西亚当地的水泥产品情况目前，马来西亚当地可供使用的水泥有： 1）普通硅酸盐水泥OPC：符合马来西亚标准MS 522。该水泥的熟料含量达到95%以上，石膏及其它混合材含量不超过5%，相当于BS EN 197-1中的CEM I型水泥，根据定义，它基本上相当于中国水泥体系中的P Ⅱ型水泥。根据MS 522：2003 规定：以ISO法测定的3d水泥胶砂强度不小于16MPa，28d强度不小于36MPa，因此，强度等级相当于不低于。但是不同的水泥厂生产的水泥强度等级有高有低，调研的马来西亚YTL水泥厂，据称他们的OPC水泥和50%矿渣掺量的水泥，基本上相当于水泥（见表――）。 2）RHPC（快硬硅酸盐水泥）：这是MS 522：2003定义的两种水泥之一（另一种是OPC）。而实际上在当地很少使用该种水泥，因而生产的产品也很少看到，而且并不符合配制耐久混凝土需要使用低热水泥的原则。所以，该种水泥不在本研究考虑范围之内。 3）硅酸盐-矿渣水泥、高炉水泥和高矿渣水泥： a）硅酸盐-矿渣水泥、矿渣水泥：符合MS 1389：1995（相应的英国标准：BS 146）规定。MS 1389对这两种水泥组成成分的限定见下表。表4-4 硅酸盐-矿渣水泥、矿渣水泥的组成组分硅酸盐-矿渣水泥%（m/m）高炉矿渣水泥%（m/m）硅酸盐水泥熟料 65-94 35-64 磨细高炉矿渣 6-35 36-65 少量添加组分 0-5 0-5 b）高矿渣水泥：符合MS 1388：1995（相应的英国标准：BS 4246）规定。MS 1388对这种水泥组成成分的限定见下表。表4-4 高矿渣水泥的组成组分高矿渣水泥%（m/m）硅酸盐水泥熟料 15-50 磨细高炉矿渣 50-85 少量添加组分 0-5 马来西亚当地的矿渣水泥厂采用来自当地的水泥熟料和来自日本（或者中国上海宝钢）的粒化高炉矿渣，分别磨细后，按照一定比例进行混合。也可以单独出售磨细矿渣。一般矿渣的含量为50%-70%。矿渣细度一般为400-450m2/kg。因此，当地的矿渣水泥涵盖了上述两类水泥。磨细高炉矿渣粉应符合MS 1387：1995（相应的英国标准BS 6699：1992）。矿渣水泥在马来西亚普遍使用，使用反馈效果良好，有扎实的市场基础，矿渣系列水泥与单独出售的磨细矿渣的价格与马来西亚当地的OPC水泥价格基本一致，价格范围在215～219 RM/吨之间。表4-5 马来西亚OPC水泥和矿渣水泥的强度（2007年9月）测试方法 BS EN196-1: 1995 (等同于 ISO 679)** 水养护温度 20±2℃ 棱柱体胶砂强度(MPa) 龄期 (天) 2 7 28 普通硅酸盐水泥(OPC) 21 37 53 硅酸盐-矿渣水泥（50%OPC +50% GGBS） 10 22 52 高矿渣水泥（30% OPC +70% GGBS） 6 20 42 注：** -ISO 679 规定在气候热的国家（如马来西亚），实验温度可以是20±2℃或者27±2℃。因此，当温度采用当地的日常温度27±2℃时，可以预期，早期和后期的水泥胶砂强度都将超过表中在20±2℃得出的数值。本数据由马来西亚的SLAG CEMENT SDN BHD公司提供。 4）硅酸盐-粉煤灰水泥符合MS 1227：2003（相应的英国标准：BS 6588：1996）的规定。根据该标准，粉煤灰在水泥中的含量在6%-35%之间。当地硅酸盐-粉煤灰水泥的供应商提供的粉煤灰水泥产品的粉煤灰含量为15%或者27%左右。表4-6 马来西亚OPC和硅酸盐－粉煤灰水泥等级（按照BS EN 197-1规定方法）水泥类型强度等级 OPC OPC+15%粉煤灰 OPC+27%粉煤灰注：本数据由马来西亚的Lafarge水泥公司提供。在马来西亚，粉煤灰的来源主要是三个地方，从电厂出来的粉煤灰未经分级处理，质量较差且性能并不稳定，例如烧失量（LOI）在标准给出的最大值附近波动，45μm筛的通过率几乎不能达标，所以当地一般难以从电厂直接获得符合BS 450 的粉煤灰。因此，粉煤灰的用于混凝土的掺量不大，一般不超过30%。实际上，直接从发电厂获得粉煤灰再加入到混凝土中的情况不多，而通常是使用粉煤灰水泥。预制构件厂和混凝土搅拌站有时也采用单独掺加粉煤灰的做法，但掺量较小，且应在计算胶凝材料总量和水灰比的时候应考虑K值（或者），在某些预制构件厂中，这个系数也被根据实际经验和实际的粉煤灰质量调整为。马来西亚当地的粉煤灰水泥厂家（如Lafarge水泥公司），通过选取烧失量合格的粉煤灰（该项指标不合格者只能用作填料）与水泥熟料按照一定比例混合磨细，形成粉煤灰水泥，粉煤灰含量分别约为15%和27%，后者为低热产品。粉煤灰在抵抗硫酸盐侵蚀、氯离子渗透、降低水化热等方面具有一定优势，但是如果单用这种水泥，特别是粉煤灰掺量较低的产品，当需要混凝土达到较低的电通量，则需要增加水泥，而由于水泥中粉煤灰含量偏低而熟料含量较高，混凝土强度可能大大超过设计值，也不利于混凝土早期热裂缝的控制。粉煤灰水泥在马来西亚使用较为普遍，为该产品价格与马来西亚当地的OPC水泥以及前述的矿渣系列产品价格基本一致，价格范围在215～219RM/吨之间。使用二种或二种以上的掺合料复合而成的磨细矿物掺合料，其效果通常能明显优于单一矿物掺合料。矿物掺合料矿物掺合料在现代混凝土越来越重要，是配制高性能耐久混凝土不可或缺的组分。它们的矿物组成和结构、细度、活性、碱含量、氯盐含量等都对混凝土的性能产生重要的影响。因此，有相关的规范对这些材料进行了规定。矿物掺合料问题详见后文的专项分析研究部分。骨料概述为了克服硬化水泥浆体体积稳定性差（收缩和徐变大）和价格高的两个缺点，需要通过加入骨料生产混凝土来克服。这意味着骨料应具有从细砂到大石子连续的颗粒，以减小混合后的空隙，通常骨料占混凝土体积的65%～80%，因此对混凝土结构和性能有十分重要的影响。除了密度对混凝土有影响外，骨料对新拌与硬化混凝土有重要影响的特性，还有孔隙率与吸水率、弹性模量、压碎强度、粒形和级配，以及体积稳定性等。在干湿交替作用下，因体积变化大而致使混凝土劣化的骨料，称之为稳固性（坚固性）不良。体积稳固性不良，在很大程度上与孔径分布有关。所以在选择用于受潮湿混凝土的骨料时，进行稳固性（坚固性）检验是十分必要的。为了避免混凝土由于碱—骨料反应产生有害膨胀，在高度潮湿环境中建造结构物时，要预先对骨料的碱活性进行检验，并在必要时采取预防措施。粒形和级配在很大程度上影响骨料的空隙率。粒形越接近圆形的骨料，空隙率就越小。骨料产品的针片状颗粒多、级配不良、空隙率大，这在很大程度上制约了所配制的混凝土质量。骨料的最大粒径和级配是选用骨料的重要问题。最大粒径越大，混凝土所需水泥浆量越少，有明显的经济效益。但它受以下几方面限制： 1）构件最小断面尺寸和钢筋最小净间距——规范规定骨料的最大粒径不得大于构件最小断面尺寸的1/4和钢筋最小净间距的3/4； 2）混凝土浇筑过程中避免与砂浆分离——骨料粒径越大、级配越单一，混凝土浇筑过程中就越容易与砂浆分离（离析），会严重影响其均匀性和使用性能； 3）提高混凝土强度和抗荷载的性能。在配制高强混凝土，或者受冲击与疲劳荷载的混凝土，骨料的最大粒径应该减小，而且要有尽量均匀的多级配。马来西亚当地的骨料情况骨料分为粗骨料和细骨料。当地使用的粗骨料大多为花岗岩，粒形较好，多以压碎指标作为骨料的主要检测指标。一般分为10mm和20mm两个单粒级使用。当地骨料的主要来源于马来西亚的中部、南部和北部，中部和南部以花岗岩为主，一般不具有碱活性（测试方法采用ASTM的方法），仅在马来西亚北部部分地区有少量使用石灰石。据调查，马来西亚当地的骨料，仅有两处产地具有碱活性，其他地区的骨料一般不具有碱活性，对本项目应无直接影响。细骨料有天然砂和矿砂，天然砂多为经过清洗处理的河砂，矿砂为矿物开采过程中产品的副产品。当地某混凝土搅拌站使用的天然砂细度模数在左右，据称槟城附近的可能在左右。在吉隆坡细骨料的价格为矿砂25 RM/吨，河砂17～18 RM/吨。据了解，在槟城地区的价格与此相差不大。标准要求和重要指标 BS EN 12620: 2002 《混凝土用骨料》中对骨料的物理性质、级配化学性质等进行了规定。对耐久性能的要求有如下规定：（1）粗骨料的抗硫酸盐性能根据EN1367-2确定的抗硫酸镁性能应按照表4-7的分类选取。表4-7 按抗硫酸镁最大值确定的分类等级抗硫酸镁值质量损失百分比等级MS ≤18 MS18 ≤25 MS25 ≤35 MS35 >35 MS Declared 无要求 MS NR （2）碱-硅反应如果需要测试骨料的碱-硅反应，可根据使用地区的有效规定测试并提供结果。该标准对骨料的化学性质如氯化物含量、酸溶性硫化物以及总含硫量也进行了规定。化学外加剂概述混凝土外加剂的发明和使用，是混凝土技术史上的一座里程碑。化学外加剂已经成为现代混凝土中必要的组分。选择适当的外加剂，是配制满足实际工程需要的混凝土的关键环节之一。根据GB 8075-1987，按照主要功能，可以将混凝土外加剂分为四类：改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等；调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等；改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂和阻锈剂等；改善混凝土其它性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂等。外加剂除使混凝土达到某种性能以满足工程需要外，它对新拌合硬化混凝土性能的影响应符合有关规范的规定，如减水率、泌水率比、含气量、凝结时间差、强度、收缩率比等。化学外加剂与水泥或其他胶凝材料存在相容性问题。不同类型和品牌的外加剂可能与混凝土的胶凝组分发生不利于混凝土正常施工的发应，导致混凝土的出现异常，出现所谓的不相容情况。因此，在选用混凝土外加剂的时候，需要验证它与混凝土胶凝材料的相容性。 BS EN 934-2:2001对混凝土的化学外加剂进行了定义和要求，包括：减水剂/塑化剂Water reducing/plasticizing admixtures 高效减水剂/超塑化剂High range water reducing/superplasticizing admixtures 保水剂Water retaining admixtures 引气剂Air entraining admixtures 速凝剂Set accelerating admixtures 早强剂Hardening accelerating admixtures 缓凝剂Set retarding admixtures 防水剂Water resisting admixtures 缓凝/减水/塑化剂Set retarding/water reducing/plasticizing admixtures 缓凝/高效减水/超塑化剂Set retarding/high range water reducing/ superplasticizing admixtures 速凝/减水/塑化剂Set accelerating/water reducing/plasticizing admixtures 该标准对上述化学外加剂的性能指标如匀质性、颜色、密度、有效组分、含固量、pH值、总氯盐含量、水溶性氯盐（氯离子）含量、碱含量（Na2O当量）等进行了规定。其中明确指出：根据ISO 1158测试的总氯盐含量和根据EN 480-10测试的水溶性氯盐（氯离子）含量均不超过水泥质量的%或者不超过生产商的标称值。马来西亚化学外加剂产品和应用情况马来西亚当地的混凝土外加剂的使用情况是：当地使用的减水剂主要有萘系和聚羧酸类两大类。前者因价格较低而使用较广，但配制C40以上混凝土，较多采用的是聚羧酸类。由于当地天气炎热，根据实际需要，有时需要使用缓凝剂或者减水缓凝剂。当地很少使用钢筋阻锈剂。与原材料相关的耐久性问题的讨论氯化物含量混凝土各种组成材料都可能成为氯离子的来源。水泥、粉煤灰、矿渣等胶凝材料的氯离子含量需要进行限制，骨料的氯盐含量不能超过限值，特别不能直接使用未经淡化处理的海砂作为细骨料，不能使用海水作为拌合水以及其它可能引入侵蚀介质的工艺措施和材料。混凝土中总的氯盐含量需要在限值之内，以保证钢筋混凝土结构的耐久性。 BS 5328指出混凝土中的氯化物含量越多及养护温度越高，或后来暴露在温暖潮湿的环境中，则锈蚀的风险就越大。所有的组分都可能含有氯化物，混凝土还可能受到来自于车辆尾气或大海的气态盐的污染。限制混凝土中的氯离子量，在国内外各种标准中都有规定，但在具体量值上多有差别。混凝土的氯含量，表达为氯离子占水泥重量的百分含量， BS EN 206－1对混凝土氯离子含量不得超过下表的限制。表4-8 混凝土最大氯含量混凝土应用氯含量等级a 按水泥重量计的最大Cl-含量b 除耐腐蚀的提升装置，不含钢筋和其它埋入金属 Cl 1,0 % 含钢筋和其它埋入金属 Cl 0,20 % Cl 0,40 % 含预应力钢筋 Cl 0,10 % Cl 0,20 % a 对特定混凝土应用，（氯含量）等级由混凝土使用地有效的规程规定。 b 如采用 II 型掺合料，并被计入水泥用量，则氯含量表达为氯离子占水泥加计入的掺合料重量的百分比。国外有的标准规定普通钢筋混凝土内的氯离子限量为%（占混凝土中胶凝材料总量的重量比），这对不是低水胶比的一般混凝土来说，已经接近或甚至超过干湿交替环境下引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度。钢筋锈蚀的氯离子临界浓度可在 ~ %之间的很大范围内变化并与不同的环境条件和混凝土的水胶比、胶凝材料种类和数量、温湿度以及保护层厚度等许多因素有关，很难对混凝土规定一个统一的氯离子量限值。当水胶比较低，环境温度不高，混凝土持久干燥或持久湿润，则混凝土中的初始氯离子限量可以适当放宽取用。混凝土的水胶比对于氯盐引起的钢筋锈蚀极为重要，工程实践表明，高水胶比的混凝土由于碳化速度快，即使混凝土中的氯离子含量低于一般标准中规定的限值，也会在不长的年限内发生非常严重的锈蚀，所以氯盐环境下的混凝土或应用海砂配制的混凝土，其水胶比不应超过，最好不超过。 BS EN 12620指出：骨料中水溶性氯离子含量应按照EN 1744-1:1998第7条规定进行确定，并由供应商按照要求标明。氯化钙以及氯盐外加剂不得掺进钢筋混凝土、预应力混凝土、带金属插件的混凝土中。只要有可能，应当计算配合比组分中氯离子含量的总量以及测量单一组分的氯离子含量。 CCES 01-2004规定：混凝土中的水溶氯离子量在试配中应经过检测（检测时的混凝土龄期28天）并满足以下要求： 1）对于钢筋混凝土构件，在氯盐环境下应尽可能低；在无氯盐的潮湿环境下应不超过胶凝材料重的 %（对桥梁等基础设施工程宜不超过%），在无氯盐的干燥环境下应不超过胶凝材料重的%（对桥梁等基础设施工程宜不超过%）； 2）对于预应力混凝土，不超过胶凝材料重的%。如已检测混凝土各种原材料（水泥、矿物掺合料、砂石骨料、外加剂与拌合用水）中的氯离子含量，且其总和不超过上述数值的倍时，则可不再检测混凝土中的氯离子量。当用酸溶法测定氯离子浓度时，其允许的限值可比上述水溶限值高1/3。美国ACI混凝土结构设计规范规定钢筋混凝土的水溶氯离子量应不超过胶凝材料重的%，但如环境干燥可到1%，如果混凝土将处在海水等氯盐环境下工作，则应不超过%，对于预应力混凝土均不许超过%。当工程的使用环境有外界氯离子侵入时，必须从严控制混凝土生产时从原材料带入的氯离子总量，CCES 01-2004限定为不超过胶凝材料重的%。混凝土水溶氯离子量的测试龄期可为28天或4到6周之间。碱骨料反应条件所谓碱骨料反应，是骨料中的碱活性矿物与混凝土中的碱性孔溶液之间的化学反应。某些碳酸盐类岩石（如白云石）骨料也能与碱起反应，称为碱碳酸盐反应。由此产生的膨胀性产物，使混凝土开裂，抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重时会造成混凝土毁坏，严重影响混凝土结构的安全使用。碱骨料反应一旦发生，就难以阻止，更不易修补和挽救，被称为混凝土的“癌症”。环境作用下的混凝土化学腐蚀大多由外部的腐蚀性物质引起并从混凝土表面开始，但碱-骨料反应却是从内部发生的。碱骨料反应对结构的破坏是一个长期的渐进过程，其潜伏期可达十几年或几十年，而且一旦发现表面开裂，结构损伤往往已严重到无法修复的程度。碱骨料反应的发生存在三个必要条件：1）混凝土中含有过量的碱（Na2O和K2O）；2）骨料中含有碱活性矿物；3）混凝土处于潮湿环境中。这三个条件缺一不可。如果混凝土在使用过程中不会接触到水，即使含碱量较高和含有活性骨料的混凝土也不会发生碱骨料反应。如果使用环境可能遭受潮湿，而骨料活性可能较低，这就必须采用低碱水泥或同时使用大掺量矿物掺合料，并通过严格的测试，才可有条件地应用低活性的骨料。在混凝土中加入足够掺量的粉煤灰、矿渣或沸石等掺合料，能够抑制碱骨料反应。采用密实的低水胶比混凝土能有效阻止水分进入混凝土内部，也有利于防止反应的发生。混凝土中的碱性物质可以来自水泥、外加剂、矿物掺合料、骨料和拌合用水等组分，也可以来自外界环境。 Na2O当量（Na2O＋）小于%的水泥称为低碱水泥。国际公认，使用低碱水泥一般不会发生碱骨料反应。混凝土碱含量的安全阈值与骨料矿物的种类及其活性程度有关。一般认为，对于高活性的硅质骨料（如蛋白石），混凝土的碱含量大于骨料活性的检测通常首先进行骨料的岩相分析，如果岩相分析识别出碱硅反应或者碱碳酸盐反应的活性成分，便需要继续使用试验室来定量评价骨料的碱活性。按照ASTM C1260试验标准，一般来讲，经过上述的试验，14天的膨胀率在%以上的骨料被认为具有显著的碱活性。工程界目前对碱骨料反应的防范原则，是从混凝土骨料的碱活性、环境干湿条件和结构的重要性或结构的设计使用年限来决定碱骨料反应的设防策略。抑制碱骨料反应的措施主要包括：对水泥和混凝土其它组分的碱含量控制和掺加矿物掺合料。 C3A含量铝酸三钙C3A是水泥的主要成分之一。它水化迅速、放热量大，而且，它与石膏反应能生长膨胀性产物——钙矾石。采用低C3A含量的水泥能够有效抵抗硫酸盐的侵蚀。水泥中C3A含量不大于%时，具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能，C3A不大于8%的水泥可用于中等硫酸盐侵蚀环境中[9]。 C3S含量高是生成过多的氢氧化钙，易于受硫酸盐侵蚀生成石膏，导致混凝土在硫酸盐环境下的过早破坏。因此，其中C3A、C3S是两个重要指标。没有这两种成分的硫铝酸盐水泥将有较好的抗硫酸盐侵蚀性能。中国有两种抗硫酸盐硅酸盐水泥，其一是C3A的含量小于5%，C3S的含量小于55%，为中抗硫酸盐水泥；其二是C3A的含量小于3%，C3S的含量小于50%，为高抗硫酸盐水泥[10]。内部硫酸盐侵蚀的膨胀速率随混凝上龄期增长而降低，水泥中C3A不大于7%时具有良好的抗内部硫酸盐侵蚀性能。根据Mehta[11]和其他的研究成果，C3A含量的增加固然增加了硫酸盐对混凝土侵蚀的速率，但是与水灰比及水泥用量相比，C3A含量似乎不是最主要的因素。如果能保证混凝土的渗透性足够下，那么即使是高C3A含量也不会引起严重的硫酸盐侵蚀。中国行业标准JTJ 275-2000对水泥中C3A限量为6%～12%。原因是认为C3A能够结合侵入混凝土中氯离子，生成Friedel盐，推迟了氯离子达到钢筋的时间。ACI规范要求海水中C3A含量应小于10%。CCES01-2004认为C3A含量不宜超过8%（海水中不超过10%）。硫酸盐含量在热带气候环境中，在浇筑大体积混凝土时，应特别关注内部硫酸盐侵蚀（Internal Sulphate Attack, ISA）和延迟钙矾石的生成（Delayed Ettringite Formation, DEF）造成的破坏作用[12]。在硬化混凝土中，硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应，生成膨胀性产物或者硫酸盐自生发生膨胀性结晶，都将对混凝土产生破坏作用。硫酸盐在硬化混凝土中引起生成钙矾石、石膏和钙硅石是导致破坏作用的主要原因[13]。硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙和硫酸镁是侵蚀性硫酸盐的主要存在形式。因此，需要限制原材料的硫酸盐含量以及混凝土中总的硫酸盐含量。钙矾石数量控制适量时既可以是膨胀源，又可以是强度源，掺加膨胀剂可以达到补偿收缩，膨胀或自应力的技术要求，但是任其自由膨胀或掺量过大时，则会因膨胀破坏硬化混凝土的结构引起强度降低，或者使混凝土遭到破坏。内部硫酸盐侵蚀主要仍是避免因硫酸盐引起膨胀造成混凝土破坏，对于普通波特兰水泥，许多研究表明，膨胀小于×10-3不会产生破坏，H．Lafuma认为水泥SO3含量为4%时开始膨胀，膨胀不超过2×10-3，水泥石是稳定的。 M．A．Samarai研究中东地区的硫酸盐侵蚀取不引起混凝土破坏的最大膨胀量为%[10]。中国建设部标准规定细集料和粗集料中SO3：含量不得大于其重量的1%。《水运工程混凝上施工规范》（JTJ 268-96）规定细集料中SO3含量不得大于%，有抗冻要求时粗集料中SO3含量不得大于%，无抗冻要求时，SO3含量不得大于%。拌合水中硫酸盐含量以SO42-计不大于%。从上述引用数据可以看出，对于允许SO3含量和允许最大膨胀性的有关规定和建议比较混乱，一般以最大膨胀值不超过%较为适宜，混凝土材料中硫酸盐引起的膨胀不超过%的含量即SO3的允许含量。在大多数水泥及一些骨料中都有硫酸盐。混凝土硬化后，水泥和骨料或其它组分中多余的可溶性硫酸盐可能引起膨胀和破坏。为防止这种后果，水泥、粒化高炉矿渣、粉煤灰、轻骨料以及高炉矿渣骨料的规范都限定了硫酸盐的含量。 BS EN 12620: 2002 指出：当需要混凝土用骨料和填充骨料的酸溶性硫化物含量时，可根据EN1744-1：1998中第12条测定，并根据下表中相关的分类提供数值。如果需要骨料和填充骨料的总含硫量，可根据EN 1744-1：1998计算，并且不超过下面值： a）气冷高炉矿渣2%总含硫量（质量比） b）非气冷高炉矿渣1%总含硫量（质量比）当骨料中含有磁黄铁矿（不稳定的FeS形式）时需要特别小心。当确定含有该矿物时，可选用A中总含硫量最大值%。在英国，有关天然骨料引起的硫酸盐问题很少。但是，世界范围内含硫酸盐的天然骨料引起的混凝土的破坏的数量是巨大的。当骨料的来源是新的或可能含有硫酸盐时，在采用前建议先对骨料的硫酸盐含量进行测试。延迟钙矾石生成与碱骨料反应相似，源自混凝土内部的化学腐蚀还有混凝土中的钙矾石延迟生成（Delayed Ettringite Formation，简写作DEF）。钙矾石是水泥中的石膏等硫酸盐和铝酸三钙等铝酸盐与水接触起反应的水化产物，正常情况下应在混凝土拌合后的水泥水化初期形成。但是在高温条件下，钙矾石分解成单硫型硫铝酸盐、SO42-、Ca2+、Al3+，被水化硅酸钙凝胶吸附吸，之后，在适宜的条件下重新生成钙矾石，钙矾石是一种膨胀性晶体，它如果在混凝土硬化后生长，将导致混凝土发生严重的粉碎性破坏，造成重大损失。发生延迟钙矾石生成，一般需要具备两个条件：1）混凝土温度高于70℃并维持一段时间；2）混凝土后来要处于高湿度或水环境中。另一种情况是，在硬化后的混凝土中剩有较多的早期未起反应的硫酸盐和铝酸三钙（C3A），如果在混凝土以后的使用过程中如接触到水就会再起反应，延迟生成钙矾石，导致已经硬化的混凝土开裂。 DEF是一种影响混凝土结构耐久性的因素。防止钙矾石延迟生成的主要途径是降低养护温度，限制水泥熟料中的硫酸盐和C3A含量，混凝土在使用阶段避免与水接触。因此，需要控制混凝土内部温度（大体积混凝土问题），或者控制水泥或混凝土中的硫酸盐含量，如使用SO3含量小于4%的复合水泥。在掺加膨胀剂的补偿收缩混凝土中，SO3含量可达5 %以上，在水化过程中所生成的大量钙矾石，如果大体积混凝土内部温度超过70℃，则可能发生分解，并在内部温度降低后，在硬化混凝土内部再次生成，产生膨胀应力，使混凝土结构存在隐患。因此必须注意大体积补偿收缩混凝土内部延迟钙矾石生成的可能性及其影响因素。同时，在制定水泥和外加剂规范时应合理控制其中与DEF相关组分的含量的同时，还应合理限定蒸养混凝土的最高养护温度（一般不超过65℃）。鉴于槟城二桥所处的湿热环境，特别是浇筑大体积混凝土时以及在预制混凝土构件进行蒸汽养护时，应特别注意延迟钙矾石生产引起的混凝土破坏。可以采取的措施： 1）限制硫酸盐含量： 2）控制温度：避免使用高水化热胶凝材料，使用粉煤灰、矿渣；控制养护温度；设置冷却系统；控制原材料温度和入模浇筑温度等。配合比关键参数研究概述混凝土的配合比设计，第一是选择混凝土的合适组分，第二是确定它们的相对数量（比例）。在正常施工的条件下，混凝土的配合比基本上决定了混凝土的新拌性能和硬化性能。配合比的确定，通常会受到下列因素的制约和影响[6]：经济性：包括材料费用、劳动力和设备成本；工作性：配合比需要保证混凝土易于浇筑和捣实，易修饰性好，尽可能地减小离析和泌水。强度和耐久性：配合比需要保证强度和耐久性要求，以满足工程的设计需要。上述因素在通常情况下很难完全兼顾，这就需要工程师在进行权衡分析后，做出适宜的取舍。相关标准对耐久性混凝土关键参数的要求胶凝材料的种类和用量、水灰比以及保护层厚度是决定混凝土结构耐久性的几个关键性参数。（1）英国标准BS 8500-1:2002的规定英国标准中对海水引起钢筋锈蚀的混凝土结构，满足不少于50年的设计使用年限下的混凝土进行了规定，见下表。表4-9 混凝土性能和组成的限值（海水引起钢筋锈蚀，预定工作寿命至少50年）环境作用级别保护层名义厚度a（mm）最低强度等级最大W/C比水泥或组料最小含量kg/m3 水泥或组料 XS1 40c+ΔC C35/45 表4-12中数值加20 kg/m3 4组 C32/40 5组 C25/30 6组 35+ΔC C40/50 4组 C35/45 5组 C28/35 6组 30+ΔC C50/60 4组 C45/55 5组 C35/45 6组 XS2 40c+ΔC C28/35 4组 C25/30 5组 C20/25 6组 35+ΔC C32/40 4组 C28/35 5组 C25/30 6组 30+ΔC C40/50 4组 C35/45 5组 C32/40 6组 XS3 50c+ΔC C40/50 - 4组 C28/36 5组 C25/30 6组 45+ΔC C45/55 4组 C28/35 5组 C28/35 6组 40+ΔC C35/45 5组 C32/40 6组 a. 用保护层最小厚度加允差ΔC表示，以补偿钢筋的定位精度。 b. 见表4－11第4、5行各组允许使用的水泥和组料 c. 当保护层名义大于此值，混凝土质量（最低强度等级和最大W/C比等）也不应比本行所列出的降低。注：环境作用级别见BS EN 206－1，具体见本报告的部分。海水接触的混凝土性能与组分的限值见下表。表4-10 与海水接触的混凝土性能与组分的限值最低强度等级最大W/C 比最小水泥用量水泥与组料类型a C28/35 见表4-12 组4 C25/30 组5 C20/25 组6 a 见表4-11 每一组别允许使用的水泥或组料表4-11 水泥与组料类型名称标准抗硫酸盐组别抗氯盐（XD2、XS3、XS）组别硅酸盐水泥 CEM I BS EN 197-1 1 4 硅酸盐-硅粉水泥 CEM II/A-D BS EN 197-1 1 4 硅酸盐-石灰石水泥 CEM II/A-L BS EN 197-1 1 4 CEM II/A-LL BS EN 197-1 1 4 硅酸盐-火山灰水泥 CEM II/A-Qa BS EN 197-1 1 4 CEM II/B-Qa BS EN 197-1 b b 硅酸盐-矿渣水泥 CEM II/A-S BS EN 197-1 1 4 CEM II/B-S BS EN 197-1 1 4 硅酸盐-粉煤灰水泥 CEN II/A-V BS EN 197-1 1 4 CEM II/B-Vc BS EN 197-1 2ad 5 高炉水泥e CEM III/A BS EN 197-1 1 5 CEM III/Bf BS EN 197-1 2b g 6 火山灰水泥h， I CEM IV/Bc BS EN 197-1 2aj 6 抗硫酸盐硅酸盐水泥 SRPC BS 4027 3 4 矿渣水泥 BIIIA BS 146 1 5 BIIIBf BS 146 2bg 6 火山灰粉煤灰水泥 PIV/B-Vc BS 6610 2aj 6 符合BS 8500-2:2000附录A的规定并在混凝土搅拌机中配合的组料，包括CEMI型硅酸盐水泥、粉煤灰、磨细矿渣、石灰石粉： CEMI 水泥，加6%-20%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加21%-35%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加21%-35%组料重的磨细粉煤灰CEMI 水泥，加36%-55%组料重的粉煤灰 CEMI 水泥，加36%-55%组料重的磨细粉煤灰 CEMI 水泥，加6%-36%组料重的磨细矿渣 CEMI 水泥，加36%-65%组料重的磨细矿渣 CEMI 水泥，加组料66%-80%重的磨细矿渣 CEMI 水泥，加组料6%-20%重的石灰石粉 CIIA-V CIIB-V CIIB-Vc CIVE-V CIVB-Vc CII-Sk CIIIA CIIIBf CIIA-L,-LL BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 BS 8500-2 1 1 2ad 1 2aj 1 1 2b 1 4 5 5 6 6 4 5 6 4 a. 仅为偏高岭土。 b. 未提供指导。 c. 需要抗硫酸盐的组分，即加入不小于25%且不大于40%的粉煤灰，并加缩写字“+SR”。 d. 粉煤灰量不小于水泥或组料重的25%。当小于25%时，水泥或组料应列入组1。 e. 高于表中矿渣含量允许值的水泥或组料，可用于某些特殊用途，但本附录中不提供指导。 f. 需要有抗硫酸盐组分时（见注g），加缩写“+SR”。 g. 当矿渣的铝酸盐含量超过14%，则硅酸盐水泥中的C3A量应不超过10%。如果不符合这一要求，抗硫酸盐分组列入1。 h. 与硅质粉煤灰混合的CEM Ⅳ/A水泥，应划为CEM Ⅱ-Ⅴ水泥一类。 i. 仅为硅质粉煤灰。 j. 磨细粉煤灰含量不超过水泥或组料重的40%。如超过40%，不提供指导。 k. 如有必要，这一级别可细分为CIIA-S（6%-20%磨细矿渣）和（IIB-S（21%-35%磨细矿渣）。表4-12 水泥或组料的最低用量确定的最大水灰比W/C 水泥或组料的最低用量（kg/m3）最大骨料粒径 ≥40mm 20mm 14mm 10mm 240 240 260 280 240 260 280 300 260 280 300 320 0..55 280 300 320 340 300 320 340 360 320 340 360 360 340 360 360 360 360 360 360 360 （2）CCES 01-2004 不同环境作用等级和不同使用年限的钢筋混凝土结构与预应力混凝土结构，其混凝土的最低强度等级、最大水胶比和单方混凝土胶凝材料的最低用量宜满足下表的规定。表4-12 混凝土最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量（kg/m3）设计使用年限环境作用等级 100年 50年 30年 A C30，， 280 C25，， 260 C25，， 240 B C35，， 300 C30，， 280 C30，， 260 C C40，， 320 C35，， 300 C35，， 300 D C45，， 340 C40，， 320 C40，， 320 E C50，， 360 C45，， 340 C45，， 340 F C55，， 380 C50，， 360 C50，， 360 注：1、对于氯盐环境（ⅢD和ⅣD），这一混凝土最大水胶比宜降为。 2、引气混凝土的最低强度等级与最大水胶比可按降低一个环境作用等级采用。 3、表中胶凝材料最小用量与骨料最大粒径约为20mm的混凝土相对应，当最大粒径较小或较大时需适当增减胶凝材料用量 4、对于冻融和化学腐蚀环境下的薄壁构件，其水胶比宜适当低于表中对应的数值。 5、环境作用等级见附录研究报告：耐久混凝土的最低要求英国BCA对欧洲规范中有关混凝土耐久性要求的英国补充条款所作的研究分析与建议，该报告与BS 8500 有所差别，但仍有参考价值。提出海水侵蚀环境中100以上使用年限的混凝土的要求（表4-13）。表4-13 使用年限至少100年的混凝土组成与性能（海水氯化物引起的钢筋锈蚀）环境作用类别中等湿度湿、极少干燥干湿交替 XS1 XS2A/XS2B XS3 最低强度等级 C45a 表4-14 C50 C45 最大W/C 最小保护层厚度 55mm（现浇） 65mm（现浇） 50 70mm（现浇水平顶面） 80mm（现浇水平顶面） 65 45mm（工厂预制） 55mm（工厂预制） 40 水泥所有水泥硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、硅酸盐矿渣水泥（非熟料≤20%）。硅酸盐粉煤灰水泥（非熟料≤20%）火山灰水泥b 硅酸盐矿渣水泥（非熟料含量21-35%），硅酸盐硅灰水泥（非熟料含量6-10%），硅酸盐粉煤灰水泥（非熟料含量21-35%），矿渣水泥（非熟料含量36-80%），火山灰水泥组合：矿渣（%） ≤80 ≤20 36-80 粉煤灰（%） ≤55 35-55 21-35 对于非熟料含量为21-35%的硅酸盐粉煤灰水泥，非熟料含量为45-89%的硅酸盐火山水泥，最低强度可降一级；硅质粉煤灰，掺量大于20%。表4-14 环境作用等级XS2A的混凝土最小胶凝材料与最大水灰比（混凝土保护层均为40mm，充分振捣密实、骨料最大名义粒径为20mm）水泥最小水泥用量最大水灰比硅酸盐水泥 330 硅酸盐矿渣水泥（非熟料含量65-94%）硅酸盐硅灰水泥（非熟料6-10%）硅酸盐粉煤灰水泥（非熟料含量6-35%）高炉水泥（非熟料含量36-80%）硅酸盐粉煤灰水泥（粉煤灰≥25%） 300 高炉水泥（矿渣≥74%，≤90%）抗硫酸盐硅酸盐水泥 280 小结通过对上述标准和报告的研究分析，可以看到，对于海洋环境中的混凝土结构，应该通过控制以下参数来提高其耐久性：选择具有抗氯盐、抗硫酸盐能力的矿物掺合料水泥，一般常用的矿物掺合料是粉煤灰和矿渣；应增加胶凝材料的用量，降低水灰比来获得密实的混凝土；应增加混凝土的保护层厚度，现浇结构的保护层应比预应力结构的保护层厚。国外工程实践证明，提高混凝土的抗渗性、保护钢筋不被锈蚀是保证海工工程结构耐久性的最重要措施。因此相关的国际标准都强调混凝土的抗渗透性，规定了混凝土保护层厚度，要求采用低水胶比并采用超细粉料等达到低渗透性。如美国混凝土学会标准《离岸固定式混凝土结构设计施工指南》（ACI 257-84）规定：浪溅区混凝土水胶比不高于，混凝土保护层厚度不低于65mm，国际预应力混凝土学会（FIP）制定的《海工混凝土结构施工设计建议》（1985）规定：浪溅区混凝土水胶比不高于，最好不高。混凝土保护层厚度不低于65mm。英国《离岸固定式混凝土结构设计施工规范》（BS 6235-82）规定：浪溅区混凝土水胶比不高于，混凝土保护层厚度不低于75mm。我国《海工工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（TJT 275-2000）规定：浪溅区混凝土水胶比不高于，混凝土保护层厚度不低于65mm。施工条件施工的重要性施工是将设计逐步实现的过程。再好的设计，都需要施工来实现。施工质量的好坏决定了设计意图能否实现以及实现的程度如何。坏的施工质量，将使设计意图无法实现。当然设计应充分考虑可施工性，否则，就有设计意图落空的危险。对于混凝土而言，混凝土的运输如果不能满足混凝土的凝结速度和浇筑速度的要求，可能造成混凝土浇筑运抵现场前工作性损失过大而无法浇筑，或者出现混凝土浇筑不连续，引起质量问题。因此需要确定运输时间，并保证混凝土拌合物在此期间保持合适的工作性。浇筑过程中，振捣成型需要由经过技术培训的工人操作，否则，振捣时间不足会导致混凝土不密实；反之，振捣时间过长则会造成混凝土大量泌水。振捣器如果被错放到钢筋上，可能造成钢筋定位出现偏差，并可能引起邻近处已经浇筑但未完全硬化的混凝土中的钢筋松动滑移，握裹力丧失并可能引起裂缝。如果发生高抛浇筑，可能造成混凝土离析、泌水。不恰当的浇筑顺序将引起混凝土的质量问题，甚至工程事故。施工缝处理不好，将影响结构的整体性，特别成为耐久性的薄弱环节。养护是保证混凝土质量的关键环节之一。特别是对于抑制或消除混凝土的早期开裂具有特殊的作用。特别是表面积大的构件，如又处于高温、高风速环境中，及时养护是较小混凝土塑性开裂的重要措施。大体积混凝土的养护不当和温度控制不到位，是引发裂缝的主要原因。因此，应根据混凝土的种类、结构部位以及施工条件，制定相应的混凝土养护措施并严格执行，这是控制裂缝、获得良好混凝土品质的关键环节之一。人为因素是造成混凝土质量的一个重要原因。必须通过严密的施工组织和技术培训，加强质量控制来保证混凝土的施工质量。马来西亚当地的施工现状搅拌、运输、浇筑和养护现浇混凝土需要在海上作业，一种方式是将陆地混凝土搅拌站的搅拌车用船运载至浇筑现场。这种方式可以减轻环境污染，但是对新拌混凝土的性能如保坍性要求较高，需要很强的运输能力和组织能力。第二种方式是采用混凝土搅拌船，在现场搅拌浇筑。这种施工方式的质量控制难度较大。据了解，混凝土开裂是马来西亚当地混凝土常见的质量问题，除了早期热裂缝外，由于施工操作中，作业人员过振，或者震动器接触钢筋，钢筋牵连到相邻部位尚未完全硬化的混凝土，导致混凝土与钢筋的界面松动，粘结力丧失，由此引起更多的裂缝。根据当地经验，由于中午气温较高，混凝土温升引起严重的裂缝问题，加之，天气炎热，工人的工作环境恶劣，工作质量较差，常常是引起裂缝的重要原因。因此，浇筑较高强度等级的混凝土，一般选择在下午或者晚上进行为好。当地湿热，虽然具有较高的RH，但仍然需要加强早期养护，否则容易引起开裂。现浇混凝土的预应力措施将在现场进行，海上作业施工难度较大，应采取相应措施，确保施工质量。施工技术与质量控制水平（1）混凝土搅拌站搅拌站的质量控制水平一般为：立方体强度的变异系数为4MPa。当地混凝土搅拌站有湿法与干法之分，前者是将所有原料搅拌（采用mixer——转速不小于18转/min）后由车辆（车辆载有的搅拌器称为agitator——转速小于18转/min）运输，而后者是将所有原料（包括水）配比完成后，由运载工具（转载mixer而非agitator）如混凝土运输车自生具备的搅拌机进行搅拌，其实二者并无干于湿的区别。据介绍，当地引起混凝土质量问题有一个原因是雷击导致混凝土搅拌站的称量系统失灵或者失准，由此造成当地的某重要建筑出现严重的混凝土质量事故而引发数百万金额的经济索赔。鉴于当地，雷雨天气频繁，应考虑到这种意外因素对混凝土质量的影响。混凝土开裂问题是最常见的质量问题。搅拌站将拌合用水进行冷却至7℃左右，搅拌后混凝土出机温度约在30℃，因此，混凝土的热裂缝问题较为严重。但一般不进行骨料等其他原材料的冷却。大体积混凝土中一般不使用高等级的混凝土，目前在施工中采用冷却水管的做法并不多见，在位于吉隆坡中心的KLCC建筑区采用了该技术，这可能是当地最早使用该方法的工程。（2）预制构件生产厂当地预制构件一般采用先张预应力混凝土技术，执行英国标准，或者当地马来西亚标准（与英国标准十分接近），预制构件如混凝土管道也部分执行澳大利亚的标准。施工技术规范，质量控制体系较完善；混凝土的配料、搅拌采用计算机系统控制；蒸汽养护温度控制在65℃以下，很少发生延迟钙矾石生成破坏的情况。但应注意，当地政府部门对混凝土搅拌站和预制构件厂的技术监管（如计量核准等）似乎不强。总体而言，与中国国内相比，马来西亚当地的基础建设规模无法与中国相比，建筑技术总体上低于中国国内水平，国内使用的一些新材料、新工艺在当地使用不多或者刚刚起步。因此，在使用新的施工技术时，应考虑到这种差异性。对施工的要求，将在总体解决方案中提出。裂缝控制与防腐措施裂缝问题既涉及材料因素、施工措施，也涉及结构的外部因素。而裂缝是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要问题，因此需要专门列出讨论。 20世纪80年代以来，全世界范围内出现了较大规模的混凝土耐久性危机，许多结构物如桥梁、隧道等，服役不足二十年就已经遭到严重破坏，需要耗费巨资维修与重建，造成了资源和能源的极大浪费。这其中相当一部分是由于混凝土的开裂造成的，根据美国国家公路合作研究计划1995 年检查的结果，有10 万座混凝土桥面板在浇筑后一个月内就出现了间隔1~3 米的贯穿性裂缝[16]。混凝土裂缝大致分为两种：一种是结构在荷载作用下发生大的变形而出现的裂缝，称之为“荷载裂缝”；另一种是混凝土材料的变形（包括干燥收缩、温度收缩、膨胀以及不均匀沉降、钢筋锈胀等）引起的裂缝。据有关调查，工程实践中的裂缝，约80%以上属于“非荷载裂缝”[17]。裂缝对混凝土结构耐久性的影响是不言而喻的。裂缝出现后，侵蚀介质（水分、氧气、二氧化碳、氯化物、硫酸盐等）可以快速进入混凝土内部，其速度比在完好混凝土中通过扩散、渗透发生的侵入速度高出几个数量级。但并非所有的裂缝都会严重影响混凝土结构的安全性和耐久性。当裂缝的宽度小到一定范围内，就不会对混凝土结构造成大的损害。在世界各国的土木结构规范中，对混凝土结构都有限制最大裂缝宽度的条文[19]，以确保混凝土结构在预定的服役期内满足适用性和耐久性的要求。在使用荷载下，只要裂缝宽度小于或等于规范规定的最大裂缝宽度，结构就具有要求的耐久性和要求的适用性。表5-1 各种规范规定的最大裂缝宽度的限值数据来源 Wmax/mm 数据来源 Wmax/mm SDJ 20-78 BS 5400（1978） TJ10-74 BS 5400（1990） GBJ10-89 CEB-FIP（1970） GB 50010-2002 见下表 CP110（1972） TBJ2-85 DN1045 ACI318-71 ACI 224 见表5-2 ACI318-83 ACI 224R-01 Control of Cracking in Concrete Structures对钢筋混凝土裂缝宽度的限制见表5-2。表5-2 钢筋混凝土在工作荷载下的裂缝宽度暴露条件裂缝宽度/mm 干燥空气或有保护膜湿气、土壤除冰盐海水和海水浪溅区，干湿循环驻水结构英国标准BS 5400-4: 1990对裂缝宽度的要求见表5-3。表5-3 设计控制的裂缝宽度环境示例裂缝宽度/mm 极端严重混凝土表面暴露于海水或者磨蚀作用下 pH值≤的水中海洋结构，与沼泽地带水接触的结构；非常严重混凝土表面直接与除冰盐接触或者海水喷溅区行车道附近的墙，女儿墙的边缘梁，近海混凝土；严重混凝土表面暴露于大风雨中或者干湿循环中离行车道较远的墙，桥面板腹面，部分埋于土中的结构；中度混凝土表面高于地下水不遭受雨、除冰盐和海水喷溅的作用混凝土表面长期处于pH>的水浸泡被桥面板遮蔽的表面，混凝土永久处于水下具有防水保护或者被永久性模板防护的混凝土中国标准GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》中对不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值ωlim。表5-4 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值环境类别钢筋混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级 ωlim（mm）裂缝控制等级 ωlim（mm）一三（）三二三二 - 三三一 - 荷载裂缝荷载裂缝需要通过结构设计，并采取相应的构造措施解决，本研究不再过多讨论。早期非荷载裂缝的机理大量的工程实践已表明[18]，80%以上的混凝土结构裂缝并非由于其承载能力不足，而是因混凝土材料在环境温度、湿度或自身内因作用下产生的非荷载因素引起的。近年来为了提高水泥的早期强度，水泥厂一般采取增加硅酸三钙的矿物含量，提高水泥的细度等措施，这些都将对混凝土早期的性能产生影响，从而影响到混凝土早期的抗开裂能力。影响混凝土早期开裂特性的材料因素主要包括胶凝材料体系、混凝土早期的水化放热特性、体积变化和力学性能发展等。早期时混凝土中胶凝材料的水化热集中释放，混凝土的体积变化剧烈，混凝土的自收缩主要发生在早期，弹性模量从零增长到数十个GPa，混凝土硬化后的应力松弛能力也持续变差，而且混凝土早期的抗拉强度相对较低，在约束条件下，由温度和收缩而产生的变形引起的内应力可能会使得混凝土产生裂缝。因此，本研究主要考虑混凝土早期开裂，即在投入运营之前出现的裂缝。现代混凝土的变化及其对开裂的影响（1）混凝土拌合物的沉降与泌水随着结构物设计向大型化与复杂形状发展，以及施工技术（例如泵送）的提高，因此对混凝土拌合物流动性的要求日益提高。下表显示了混凝土拌合物工作性能的变化。表5-5 拌合物坍落度的变化年代成型要求坍落度（mm） 50年代干硬、插捣 0～20 60年代干硬、插捣、低频振捣 20～40 70年代塑性、低频振捣 50～90 80年代泵送、流态、高频振捣 100～200 90年代泵送、自密实 160～250 大坍落度混凝土容易产生沉降和泌水现象，可能引起开裂。而且，近年来，掺用高效减水剂、粉煤灰（尤其是Ⅰ级灰）使拌合物的保水性变差，也是增大沉降和泌水的重要因素。（2）混凝土材料体积变形混凝土从水化开始后，就伴随着体积变化。通常情况下，混凝土的体积变形表主要现为收缩，而当混凝土结构受到来自外部或（和）内部的约束，收缩可能引起混凝土受拉，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，就会发生开裂。混凝土的体积变形主要有以下几类： 1）塑性收缩现代混凝土的越来越趋向于低水胶比和低用水量，如果养护不及时，塑性收缩对混凝土早期性能的影响更加显著。 2）自生收缩水灰比越低，自收缩越大。而且自收缩主要产于前几天尤其是第一天。有研究表明，当混凝土的水胶比低于时，自收缩率高达（2000-400）×10-6[20]，已经成为混凝土开裂的主要因素之一。 3）干燥收缩干燥收缩在普通混凝土中高达（500-600）×10-6，是混凝土产生裂缝的主要原因。 4）温度收缩大型混凝土结构工程（如长大跨桥梁、高层建筑、海上石油钻井平台、海底隧道等），构件断面加大、强度等级提高、水泥用量增加，致使硬化混凝土的温度收缩及其产生开裂的现象加剧。（3）混凝土的延伸性相同的收缩，弹性模量越小，产生一弹性拉应力越小。徐变越大，应力松弛效果越显著，残余拉应力就越小。Gerald Pickett（1942年）指出：“在大多数情况下，如果不是因为徐变，混凝土会严重地开裂。徐变通常与强度相反：强度越高，徐变就越小。水泥浆体强度越低，徐变能力越大。使混凝土结构在早期开裂起主导地位的原因之一，就是为满足现代高速施工所采用的高早强水泥及其混凝土拌合物[22]。早期强度发展快的混凝土，抗拉强度虽然随抗压强度发展加快而加快，但相对幅度较小，而其弹性模量迅速增大，徐变松弛作用则很快减小，综合效果是其延伸性明显地变差。因此，现今使用高活性水泥（水泥用量大、细度大，C3A含量高，C3S含量高，C2S含量低）、水泥温度高、水灰比较低、掺加硅粉、掺加早强剂等措施，使得混凝土早期强度发展迅速，松弛能力下降，导致现代混凝土的早期抗裂性变差，而同时自生收缩、温度收缩等体积变形加剧，这两方面原因使得混凝土早期开裂风险大大增加。（4）约束约束是混凝土或结构开裂的必要条件之一。如果混凝土处于自由状态，即使它发生较大的体积变形，也不会产生拉应力，也就不存在开裂问题。对于混凝土构件来说，约束来自外部；对于混凝土材料本身而言，约束也可能来在内部。材料本身变形的不协调，如水泥浆体和骨料之间，大体积混凝土地内部与外表之间、不均匀沉降等都能产生约束作用。约束作用越强，同样变形产生的拉应力就越大，开裂风险越高。不当养护造成的开裂混凝土的养护是保证混凝土质量的重要环节。养护不当可能造成混凝土的质量问题，最直观的表现就是开裂。养护不及时，就可能出现混凝土的塑性开裂。养护时间不够，过早拆模，如在混凝土浇筑后1～2d，这通常是出现表面裂缝的关键阶段，这时拆模可能引起开裂。当混凝土内部温度很高，而用温度过低的水喷淋和浇洒养护时，有可能引起开裂。近年来的研究表明[23]：近代早期温度应力分析表明水化的影响未必是有害的。目前实际中采用的外部绝热来降低温差的方法未必妥当。因此，额外绝热设施的使用，需要通过严格的分析。理论和实践都表明：随便采用高效的保温措施通常是弊大于利的。在混凝土浇筑后，采取多层覆盖养护保温措施，进一步提高了温峰，不仅增加养护费用，而且加剧了降温阶段养护工作的难度[24]。德国慕尼黑技术大学提出：在混凝土刚浇筑后的升温阶段，覆盖麻袋或草袋并向上喷雾，通过水分蒸发带走部分热量，使混凝土温峰尽量降低，直到测温表明混凝土开始降温时，再撤掉麻袋或草袋并覆盖塑料膜进行保温养护，可以取得更好的效果和较低的费用[23]。可见，采取适当的养护方式，对于防止混凝土的开裂有着重要的意义。大体积混凝土与早期热裂缝按照美国混凝土学会ACI给出的定义：“混凝土尺寸大到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂的，称为大体积混凝土。”通常来说，大体积混凝土具有一些共同特征，如结构较厚实，混凝土现浇量大，水泥水化热积累使结构产生较大的温度变形和温度应力，需要采取措施控制温度裂缝的出现等。与普通尺寸的混凝土相比，大体积混凝土不易散热，内部温升大，开裂问题突出表现为早期热裂缝影响工程结构的耐久性和安全性。同时，如果温度达到65-70℃以上，还有可能引起延迟钙矾石生成的破坏作用，具体分析见“延迟钙矾石生成”一节。混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝。温差裂缝产生的主要原因是胶凝材料（主要是水泥）水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。 BA 24/87《混凝土早期热裂缝》对混凝土的早期热裂缝的原因进行了解释和说明，并提出了适宜的控制措施。该技术文件将混凝土早期热变形受到约束是产生热裂缝的最主要原因。指出：对于大尺寸构件，由于散热缓慢，混凝土的温峰较高，最终混凝土的温度变形大。一旦混凝土的热变形受到完全或者部分的约束，将不同程度地引起开裂。早期混凝土热变形的约束可分为内约束和外约束。内约束可以由截面内温差引起，例如大体积混凝土的内部和表面，可能由于温差过大而引起相互约束作用。这种情况下，绝热性的模板可以减缓这种约束效应。另一种内约束可能由钢筋引起，因此需要限制最高配筋率、避免钢筋重叠分布。同时，过高的配筋率在经济上也是不允许的。外部约束又分为端部约束和边缘面约束。他们各自引起裂缝的分布位置和裂缝走向并不相同。钢筋的在混凝土中的作用之一就是可以控制混凝土的开裂。配筋率达到最小配筋率就可以有效防止混凝土的开裂。通过“粘结滑移”（bond-slip）理论可以计算混凝土的开裂间距和裂缝宽度与配筋率之间的关系。后张预应力构件，在张拉之前，属于配筋率较低的普通混凝土构件，因此可能在早期出现热裂缝。（后张预应力混凝土的问题请参见后文的专题研究）早期热裂缝的控制措施一般性原则和措施裂缝控制是限制环境中侵蚀性介质进入混凝土结构的第一道防线，控制裂缝尤其是早期裂缝，对保证混凝土结构达到设计要求的耐久性，有重要意义。裂缝控制需要建设单位、设计人员、材料供应商和施工承包商共同的努力，但是施工过程的各环节对混凝土成型质量和裂缝控制尤为重要针对非荷载裂缝，从材料因素和施工措施入手，是解决混凝土早期开裂的重要手段。防止混凝土有害裂缝的发生，才能切实保证建筑物的设计使用年限。控制荷载裂缝的一般性原则和措施有：（1）选择抗裂性好的胶凝材料低含碱量（Na2O，K2O）、低C3A和C3S、高含硫酸盐（相对于铝酸盐）且不太细的水泥抗裂性较好，水泥品种对自生收缩有较大影响[5]。中热水泥与低热水泥浆的自生收缩明显低于普通水泥浆体。使用大掺量的粉煤灰、磨细矿渣可以显著降低混凝土的开裂风险。磨细矿渣如掺量小于70%，其比表面积不宜超过450m2/kg。尽量避免使用硅灰，必要使用硅灰时，应与至少大掺量的粉煤灰复合。（2）减小沉降、泌水和离析可以通过如下措施达到减小沉降、泌水和离析的目的：a）注意水泥与外加剂的相容性；b）使用大掺量矿物掺合料；c）添加引气剂、增粘剂；d）控制拌合物坍落度，在满足施工要求的前提下应使之尽量小；e）控制粗骨料最大粒径；f）调节砂率使拌合物的粘聚性适宜等。（3）限制早期强度发展不可追求混凝土的高早强，尽量控制减小2天内强度增长速率。合理设计混凝土强度等级、龄期。实际上混凝土强度越高，开裂风险越趋于增加，在侵蚀环境中越易于出现过早劣化的问题。第一条新德国铁路的隧道衬砌曾严重地开裂，那时要求10h强度不低于12MPa；后来规定：以隔热的立方模型浇筑的试件12h最高强度为6MPa；如果超过了，就要用粉煤灰代替更多的水泥；同时，为避免过高的早期强度，试件在56d龄期才试验[5]。（4）优化混凝土配合比因地制宜、因时制宜地进行混凝土配合比设计。在满足其他性能要求的前提下，尽量少用水泥，降低混凝土的单方用水量。这通常需要掺用大量的矿物掺合料、优质高效减水剂、引气剂等化学外加剂以及改善骨料级配。骨料在大体积混凝土中所占比例较大，因此在选择骨料时，应选择线膨胀系数小（例如与花岗岩相比，石灰岩的热膨胀系数就较小）、岩石弹性模量较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。提倡使用引气剂。选用配合比时尽量减小水泥用量和胶凝材料总量（用水量），除非必需（如自密实混凝土），不追求拌合物的大坍落度。（5）正确选用施工方式应该注意混凝土的浇筑顺序，必要时需要对相邻结构进行预热，以减小温差。需要控制混凝土拌合物的入模温度，这除了选用发热量小的水泥和掺入大量的粉煤灰、矿渣等矿物掺合料外，还应控制这些原材料包括水泥、骨料、搅拌用水等的温度，以及运输过程的遮荫等，避免混凝土内部温升过高。例如冷却骨料或在搅拌时加入碎冰（这时要注意：加其他组分前干冰要已经全部化解）。必要时，需要进行人工冷却，如采用冷却水管。合理分段分层浇筑，增加散热面，加快散热速率，有效减小温度和收缩应力；选择正确的养护方法并及时进行养护，以避免塑性收缩裂缝的出现。对于不同结构形式和尺寸的构件，应采取不同的养护方法：对于上表面暴露面积大的薄板，应及早用塑料膜布覆盖，以防止表面蒸发；而厚板（如底板）应在升温阶段，以覆盖草袋、麻袋并喷雾以降低温峰；而在降温阶段应撤掉草袋、麻袋并覆盖塑料膜布保温。对于壁板、梁、厚板侧面等应注意控制沉降、泌水的发生。文献[26]提出的养护措施的若干原则和具体措施值得借鉴： 1）尽早开始湿养护。墙、柱等在拆模前应及早松动模板浇水，或是用透水性模板或吸水性模板。 2）在最小断面大于30 cm的构件中，早期温度应力引起的开裂往往占大部分，因此温度控制很重要。首先应降低浇筑温度。 3）拆模时间应视混凝土内部温度而定，不能在混凝土内部温度最高时拆模，尤其不能在混凝土内部温度最高时拆模后立即浇凉水，以避免对混凝土产生热震。拆模后注意保温，以避免降温速率太快。 4）避免浇水间断。 5）凝胶越多，体积越不稳定。硬化的混凝土水泥浆体需要有一定量的未水化颗粒稳定其体积。因此浇水周期既要足够，又不宜随意延长。但目前主要问题是湿养护不足。 6）应在混凝土还处于塑性时开始冷却表面。夏季使用钢模板时，可在浇筑时同时向模板表面浇凉水，以推迟混凝土温峰时间，并降低温峰；混凝土内部达到温峰后开始降温，应控制降温速率，避免在混凝土升温后以后尤其是在温度最高时拆模，更不能立即浇凉水。对于厚度超过30cm的墙、柱、基础地板等中等体积和大体积混凝土结构，夏季施工时应尽量降低入模温度，在混凝土达到温峰前应在模板外（对墙、柱）或覆盖的塑料薄膜上面（向板）浇凉水降温，到达温峰以后的降温阶段应采取保温措施以降低降温速率，在混凝土降温阶段应控制降温速率不超过2℃/d。 7）关于温差的控制，当混凝土内外温差和混凝土表面与大气的温差不大于15℃时，混凝土一般就不会开裂。 8）为避免早期裂缝，应尽量控制早期强度过高。 9）掺用大量矿物掺合料时应特别注意保湿养护，养护时间至少需7天。另外，还需选择合理的拆模时间。 BA 24/87的建议减少混凝土的早期热裂缝，一是减小混凝土的早期热变形，二是减小或消除约束作用。（1）减小混凝土的早期热变形为了减小混凝土的早期热变形，需要减小温升和温度膨胀系数。一般情况下，混凝土的热膨胀系数通常为12×10-6/℃。要减小混凝土的温度膨胀系数，实用的方法是使用热膨胀系数低的骨料（如石灰石）。但这常常要考虑获得骨料的价格。影响混凝土温升和温差的基本因素有： 1）截面尺寸：截面尺寸越大，混凝土温度越高。如构件厚度超过500mm，且只有一个有效的（散热）表面，则由于较差的导热性能造成的温度梯度比温峰的作用更大。 2）水泥种类：水泥种类影响放热速率和总放热量。抗硫酸盐水泥（一般C3A、C3S含量低）比普通硅酸盐水泥的温升要低20%-30%。采用低活性胶凝材料如粉煤灰和磨细粒化高炉矿渣可以降低温升。 3）混凝土拌合物的性能：在满足其他性能要求的前提下尽量降低水泥的最大用量。使用减水剂可以在获得相应强度和工作性的同时，降低水泥用量。具有缓凝作用的外加剂对降低温升几乎没有效果，因为它只是延迟水化进程的起始时间。 4）模板与绝热情况：模板与保温绝热措施对于混凝土的温峰和温度梯度有重要作用。绝热程度越高，温峰越高，温度梯度越小。早晨拆模可以减小温峰，但是增加了温度梯度。采用导热性良好的模板如钢模或者玻璃纤维增强塑料模板，18小时后拆模几乎没有差别。对于厚度超过500mm的构件，应通过绝热保温以减小温度梯度，同时限制拆模时间直到温度梯度减小到可以接受的水平。 5）周围的环境与浇筑温度：环境温度不可改变，但是可以控制混凝土的浇筑温度。（2）减小约束作用减小和消除约束作用可以减小开裂风险。 1）施工缝的要求施工缝将引起对新浇混凝土的约束，从而增加开裂风险。这时，需要配筋来限制开裂。 2）施工顺序在某些情况下，改变施工顺序可以减少约束作用。连续墙施工时，连续浇筑区段的约束比间隔区段的小，连续桥面板浇筑也有类似的问题。浇筑时间也可以改变约束作用。在浇筑桥墩或柱时，最好缩短竖向浇筑层之间的浇筑时间，如果下层混凝土尚未硬化，则几乎不产生约束。 3）设置变形缝设置变形缝可以减小约束作用。这适合于长度方向上的约束。膨胀缝和收缩缝都可以减小约束，从而减小开裂风险。如果不设置变形缝，需要配置足够的钢筋来限制混凝土的开裂。 ACI的报告马来西亚地处热带，常年高温，热天浇筑混凝土可能引起质量问题。参考附录“ ACI报告：在热天生产优质混凝土”将对施工控制早期热裂缝有重要的参考意义。同时可以参考ACI的另一个报告——ACI 305R-99: Hot Weather Concreting. 工程案例措施举例与分析（1）德国某桥梁德国慕尼黑工业大学将其研究成果应用于一座大桥近300m长的桥面板施工时，由于采取了下面一系列措施，使被称之为“加速试验场”（指受到兼具各种严酷条件作用的结构）的超长桥面板连续浇筑后，没有出现任何裂缝。该混凝土设计与浇筑的特点由Springenschmid教授汇总如下[27]： 1）用开裂试验架及相应的试验方法选择检测开裂温度低于10℃的水泥。 2）使用热膨胀系数小的骨料。 3）水泥用量低（280kg/m3），加60kg/m3粉煤灰。 4）要求90d龄期强度（40MPa），而不是通常的28d（约为34MPa）。 5）混凝土的浇筑温度要求在7～12℃之间。 6）施工时用日本Tanabe（1993年）开发的早期应力计量测初龄混凝土的内应力。 7）通过混凝土浇筑过程的控制，使约束尽量减小。 8）混凝土成型后用湿毛毡覆盖1d，通过水蒸发达到冷却作用，然后改用隔热垫覆盖，尽量减小板内的温差。 9）托架处所用模板是隔热的，以尽量减小白铁皮托架和桥面板很厚的中断面间的温差，避免了托架处出现表面裂缝和横缝。上面所列的九条措施中，前三条涉及材料及其配比选用，后面六条则涉及施工。（2）中国黄河小浪底工程[28] 温度裂缝的解决取决于有效地控制温度变化幅度和温差的减少，小浪底工程实践采用的措施并进行不同组合加以运用，基本上是以下几个方面: 1）使用低水化热的水泥或胶凝材料； 2）在满足混凝土强度、抗渗性和耐久性要求的前提下尽量减少水泥用量；一般条件下，大体积混凝土的水化热和散热速度与水泥用量成正比，因而减少一定比例的水泥用量几乎减少相同比例的温升。掺用粉煤灰、引气剂，使用适宜的级配骨料，其综合效益是显著的，使混凝土减少水泥用量15 %～25 %成为可能。水泥用量从350kg/ m3 减少到310kg/ m3 ，28 天绝热温升约减少 ℃，甚至更多。 3）改善施工程序，有助于避免和减少裂缝并对控制温度变化有益； 4）采用人工措施如预冷、后冷和用隔热材料保护混凝土表面。最主要的温控措施之一就是人工强制冷却法。使冷却液体在埋入混凝土中的管路内通过，其目的是为了将混凝土冷却到接近最终稳定的温度。另一种人工措施是绝热法。一般采用保温材料覆盖，现已广泛地把绝热作为防止开裂的温控方法，主要是用于保护混凝土表面免受急剧的温降影响。通过预冷，降低混凝土各种组分的浇筑温度。小浪底工程中，要求C20 以上的混凝土在拌合楼拌合混凝土时常年使用-8 ℃～-2 ℃的冰屑代替部分拌合用水，最多时用量为加水量的90 %；同时采用冷却拌合用水、加冰屑以及冷却骨料等综合措施。在高温季节施工时，使混凝土的浇筑温度降到10 ℃左右，甚至更低。将全年的浇筑温度控制在10～13 ℃，是作为控制大体积混凝土温度增加的一项重要措施。另外，使用引气剂、采用级配适应的骨料和进行有效地预冷，其综合效果是非常显著的实践证明，这些措施综合运用，使小浪底工程的裂缝大大减少，有的部位几乎完全避免，这样做是经济而有效的。保护层名义保护层指设计时在施工图上标注的钢筋保护层厚度，它由最小保护层厚度加上保护层允差Δc组成，以补偿钢筋的定位精度。名义保护层=最小保护层+Δc（施工误差）（保护层允差Δc通常在5mm到15mm的范围内）混凝土的保护层厚度是保护钢筋不受氯离子和碳化侵蚀的最重要的方法。BS 5400-4: 1990 （表5-6）根据不同的暴露条件给出了名义保护层厚度。名义保护层厚度不应低于表5-6所给出的数值。而且，BD 57/01和BS 5400-4: 1990明确了必须在表5-6给出的保护层厚度上再增加10mm的附加保护层厚度以确保钢筋被充分保护。但是在易腐蚀区域如膨胀性接缝的下部区域和与流动水接触的钢筋混凝土，设计者应根据情况进一步增加保护层的厚度。而且应该注意到，BS 5400-4: 1990的要求并不意味着设计者不能使用更厚的保护层（与裂缝宽度的计算有关）。其中条文对名义保护层的定义进一步让设计者清楚：在计算裂缝宽度时，应该将额外增加的保护层厚度置于不顾。表5-6 特殊暴露环境下的钢筋的名义保护层厚度环境示例名义保护层厚度a/mm 混凝土等级 25 30 40 50及其以上极端严重混凝土表面暴露于海水或者磨蚀作用下 pH值≤的水中海洋结构，与沼泽地带水接触的结构； b b 65c 55 非常严重混凝土表面直接与除冰盐接触或者海水喷溅区行车道附近的墙，女儿墙的边缘梁，近海混凝土； b d 50c 40 严重混凝土表面暴露于大风雨中或者干湿循环中离行车道较远的墙，桥面板腹面，部分埋于土中的结构； b 45c 35 30 中度混凝土表面高于地下水不遭受雨、除冰盐和海水喷溅的作用混凝土表面长期处于pH>的水浸泡被桥面板遮蔽的表面，混凝土永久处于水下具有防水保护或者被永久性模板防护的混凝土 45 35 30 25 实际的混凝土保护层可能比名义保护层厚度小5mm以内；不允许使用的混凝土等级；引气混凝土应该明确湿表面遭受冻融的位置；对于女儿墙梁仅30等级以上的混凝土可以引气，且名义保护层厚度为60mm BS 5400-4: 1990对表5-6中涉及的不同等级混凝土强度的发展情况描述如下表所示。表5-7 混凝土强度的发展（MPa）等级特征强度不同龄期的立方体强度 7天 2个月 3个月 6个月 1年 30 30 20 33 35 36 37 40 40 28 44 50 50 50 36 54 60 60 60 45 64 70 此外，对保护层厚度的要求请参见“ 配合比关键参数研究”一节。排水、防水措施 BA 57/01对影响桥梁耐久性的因素进行了分析，该技术文件称：英国对200座公路混凝土桥梁进行了调查，发现最严重的破坏因素是从接缝（缝）处渗漏的盐水和糟糕的排水系统。采取主动的方法，通过精细地设计和施工，做好桥面的排水，使水汇入排水系统导走，对于耐久性而言是极端重要（crucial importance）的。提供一套有效的桥面的防水系统同样是极端重要的（crucial importance）。而防水系统中最重要的性能是它的防水能力以及它与桥面的粘结性。可以认为，水是引起桥梁众多病害的“头号敌人”。桥梁防水是桥梁构造耐久性和防腐的第一道屏障，有了良好的防水屏障，就可以大大提高桥梁的耐久性。可见，桥梁防水和排水性能对耐久性的影响重大且深远。整体性与接缝 BA 57/01提出在概念设计阶段提高耐久性的措施时认为，连续性结构比简支桥面板更耐久，原因主要是桥面接缝处会发生盐水渗漏到桥墩桥台上。原则上，应尽可能采用连续桥面。一般采用全部或者部分连续性桥面结构，尽量减少接缝。当采用预制（预应力）梁时，获得结构的连续性具有一定的挑战性，BA 57/01提供了在英国成功使用的五种可能的方法以获得结构的连续性。作为连续性桥面板概念的延伸，桥梁可以设计成桥台与桥面无伸缩缝连接，这种形式就是整体性施工，当然这必须预知它们之间的相对沉降足够小，并且桥跨不能太长以致出现不能接受的热变形问题。目前这种类型的桥梁，全长可到60m。采用整体性桥台，支座和膨胀性接缝将被减少，维修工作也相应减少。为了防止盐水渗漏到地下结构中，膨胀性接缝应该具有水密性。但是这些接缝处难免最终渗漏，因此设计者应该不仅考虑采用保护性涂层，还应在接缝下设计排水。在接缝周围进行精细的设计和处理将对混凝土结构的耐久性大有裨益。桥面膨胀性接缝的失效通常引起附近混凝土结构的严重腐蚀。接缝周围区域不应该存在积留水分的孔洞，并通过一个有效的排水系统将水分及时排走。所有的部件应该精细设计，保证能够进行必要的检查和维修。 BA 57/01指出膨胀性接缝下部等处可以使用非铁类加强筋或不锈钢作为防腐的材料。 BA57/01指出，设计者在对膨胀性接缝进行设计和细部处理时，应参考BD 33和BA 26以及Transport Research Laboratory Application Guide 29: Practical guide to the use of expansion joints。目前，伸缩缝一直桥梁施工和维护中的难题。由于桥梁的伸缩缝长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难以修补的部位。伸缩缝在设计、施工上稍有缺陷或不足，就会引起其早期破坏；而桥梁伸缩缝的破坏，又可能引起很大的车辆冲击荷载，恶化行车状况，进一步降低桥梁使用寿命。桥梁伸缩缝问题对其整体耐久性和经济性的影响是严重的，在伸缩缝维护和更换时引起的交通延误等问题更提升了人们对于伸缩缝耐久性的关注。桥梁的接缝应进行精心的设计和足够细致的处理，关键是解决好防水和排水的问题。结构体系防水、排水的原则与措施（1）桥梁耐久性设计时的防水策略基于桥梁耐久性设计的整体防水性、可换、可修性等原则，在桥梁防水设计阶段应该充分考虑以下几项原则和策略： 1）桥梁防水、排水设计的整体性原则进行桥梁防水设计时，不但要充分重视桥面部分（主梁），也不可忽略伸缩缝、接缝等部位的防水要求，局部的防水缺陷往往使水流可以由此侵入桥梁的其他部位，从而极大地限制了整个防水体系功能的发挥。桥梁本身的防水系统必须和路基排水等周围其他的排水系统协调一致，才能保证水流被及时收集和排出桥梁范围。 2）防水、排水系统应该满足可检、可修、可换的要求与其他构件相似，桥梁排水系统必须经常进行维护、修理，以保证其正常功能的发挥。此外，桥梁排水系统的使用寿命通常较桥梁的整体使用寿命短，在桥梁使用过程中一般需要进行更换，因此防水体系的设计和构造必须保证其易于维护、清扫及更换。 3）结构防水的两种策略可以选择将水快速引离结构较脆弱的地方，或桥梁必须采取一定的防护措施来达到提高桥梁防水性能的目标。即处理水的问题有两种具体策略：1）排水，确保水可以被快速的集中并排出；2）防水，通过结构表面处治、电化学设备或采取结构措施的方法对桥梁进行防水保护。（2）桥梁防水设计的具体措施及示例 1）对桥面防水、排水的要求桥面防水性能的优劣不仅涉及到桥面主梁、伸缩缝等众多构件的耐久性，而且直接影响到下部结构的防水性能，是桥梁防水重要组成部分。合理的桥梁表面排水设计对于保证水被快速和有效的收集并及时排出桥面义重大。习惯的做法是将桥面做成足够大的坡度（包括纵坡和横坡），将水收集到缘石处的积水口，再通过悬吊在桥面下或浇筑在桥面内的排水管排出桥面。排水系统必须耐用，材料必须坚固、能够抵抗一般化学物质的侵袭。在桥梁范围内外，与主要排水系统的连接应该与诸如管道清扫口等实用的细节相谐调，排水系统的结合点应位于便于检修的部位。作为桥面防水层的铺装料，必须满足以下条件：①良好的抗渗性；②与水泥混凝土桥面和沥青面层有足够的粘结强度；③面层碾压后，有良好的无破损性；④良好的耐高、低温性能；⑤对桥面状况的良好适应性；⑥能较好抵御桥面裂缝的影响；⑦材料寿命应不低于面层寿命；⑧良好的边缘密封性。 2）桥梁构件典型防水措施与构造基于耐久性的桥梁防水设计，首先要解决好桥梁的排水问题，通过合理的结构构造措施，使桥梁表面雨水尽快和完全地排出，不能将水扩散到桥梁的其他构件。可以认为，桥梁的耐久性与排水问题有密切关系，排水设计的最重要的原则是“无水—无麻烦”。 ①消除积水条件在接近水平放置的桥梁构件的暴露表面上，应尽量不设置排水系统出口，以减少因漏水导致的积水现象。 ②减少潮湿及溅水区域的表面面积道路两侧的桥台和桥墩，距离道路远的比距道路近的有利，这是因为距离较远时，因交通造成的溅水和水雾可大大减小。而使用除冰盐时，这一点就更为重要。 ③对于难以避免的要受到严重雨水侵害的构件，设计时应使其便于更换（见图5-1）。除了考虑更换的需要，为获得充分的抗渗和抗扩散能力，以防止水份、空气和侵蚀性物质的侵入，使用表面涂层也是有效的措施。图5-1 经常处于盐水侵蚀环境的构件应便于更换 ④主梁内确保良好的排水和通风性能水可以在暴露结构的任何孔洞中积存，在温湿的气候条件下，这可使结构混凝土中的湿度状况和侵蚀性物质的浓度增加到临界状态，而不引起人们的注意，从而产生一些在外表观察不到的有害作用。因此，板中的孔洞以及箱形梁内的空间应具有良好的排水和通风。 ⑤桥台与翼墙的防水桥台和翼墙受到其背后、侧面及前面填料渗水的侵害，这些都对钢筋造成潜在的威胁。为解决这些问题，基础的底面可以由防水薄膜保护，第一层防护是在与填料接触的所有混凝土表面进行沥青涂层防护。排水层被设置在桥台和翼墙的后部，可以降低水压，所以毛细水压可以消除，从泄水孔排出，参见图5-2示意。任何进入支座基座的水可以通过基座后部的小排水道收集，并从一端或两端排入排水系统。 ⑥桥梁接缝的防水 a）桥梁接缝或接缝处，由于混凝土开裂、厚度过薄等原因，水总是会由伸缩缝等部位沿着封头的微小裂缝逐渐进入主梁内部，并且进入内部的水很难排除来。这样，就直接对梁体造成侵害，使化学侵害开展起来。因此，桥梁接缝防水也是薄弱环节。图5-2 桥墩（台）的排水细节示意图 b）对于由多块板或梁组装成的桥梁，在接缝处，由于施工空间小、工作量小，往往重视不够。加之后浇混凝土收缩的影响，许多桥梁在使用早期就出现铰缝渗水的严重情况。我们知道，铰缝是桥面板之间横向联结的重要部件，其承受很大的剪力，作用在于增强桥面板受力的横向联系和桥面整体性，一旦受到水侵害，出现强度降低甚至损害，就可能出现桥梁实际受力的横向分布与计算不同的情况，甚至出现单板受力的不利情况。调查发现，边板的渗水情况往往比中板严重。原因可能在于，由于桥面混凝土的平整度控制不好，以及防撞护栏的阻挡，桥面水容易在桥面两侧低洼处滞留。而边缘防水又往往是薄弱之处，极易对边板造成渗水侵害。 BA 57/01对桥梁防水、排水的要求 BA 57反复强调，排水与防水是结构耐久性中具有至关重要的作用。设计者在进行混凝土桥面的设计时应参考BD 47和BA 47。设计排水系统应注意减小堵塞发生的风险，且便于清理。排水系统应具有足够的稳固性以抵抗在清理过程中引起的损害，这在很多已建成的桥梁中是一个突出的问题。排水系统应该能够抵抗来自路面可能的化学物质的侵蚀。桥面的排水和防水层应采用封闭系统，主动引导水流进入公路主要的排水系统。应避免让水流从桥面排水管中自由洒落，原因是：在有风的情况下，水分可以形成水雾和喷溅到结构上；自由排放可能会污染河流；自由排放可能对桥下的土壤表层造成破坏；水分洒落到人行道或者车道，一旦结冰将会造成危险。禁止将排水系统与结构合为一体，例如将集水沟设计在梁中，将管道设计在柱中。必要的排水如通过桥面板应尽可能地短。排水系统应方便进行清理和管道通塞工作。应考虑在清理过程中尽可能减少对正常交通的影响。桥面的排水决不能进入桥墩和桥台附近的排水层，因为来自桥面板的盐水可能引起地下结构的钢筋的锈蚀。而且，累积的泥沙和残渣可能堵塞排水层。提高桥梁的耐久性措施有：桥面板的顶面应该有足够的坡度，以避免积水，尤其是在桥面板接缝附近；在规定间距内，排水口应使用有足够尺寸的产品。如果除冰盐可能引起破坏，有必要考虑使用附加措施如涂层和额外的防水层等；在路缘、女儿墙、工作井的附近区域最容易发生水的渗流，应进行细致的处理；检修孔应该设置在桥面板的下面，以避免水分渗漏进入桥面板。如果必须设置在桥面板上面，应该进行合适的密封和（或）采用主动排水的人工孔，但需获得检查部门的同意。桥墩、桥台包括桥台的背面都应提供排水设施。桥面的空间部分（如箱梁、格构式构件以及空腹板）应设置孔洞以排走可能进入的水分，否则将引起腐蚀和劣化；箱型构件应该使用密封的检修口或者人工孔罩，以防止水分渗漏进入箱体。应设置足够且、有效的通风和排水孔以减少可能侵入到箱体内的水分的凝聚和堵塞。通风和排水孔应进行精细地设计以防止鸟类和其他动物的进入和群居。下列混凝土表面应采用柏油、低熔点沥青或者在公路工程规范中允许使用的其他专利材料进行防水处理： 1）桥面板端的竖直面和桥台的某些墙面； 2）桥墩和桥台的顶面； 3）人工难以进入但可能发生渗漏的区域，如梁端； 4）埋入混凝土的表面。如果防水膜可能直接遭受行人的踩踏，它们必须具有足够的抵抗外力损害的能力。关于钢筋混凝土的防腐措施概述国内外大量实践证明，在严酷的腐蚀环境中，单靠混凝土本身有时不足以保护钢筋免遭锈蚀。因此需要采取一些防腐蚀措施来提高结构的耐久性。（1）钢筋混凝土目前，对钢筋混凝土的防腐措施，常见的技术有： 1）使用特殊钢材，如环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等； 2）使用钢筋阻锈剂； 3）混凝土的外防护环氧涂层钢筋应与最基本的防腐蚀措施（采用优质的耐久混凝土）相结合才更有效。由于环氧涂层钢筋在运输、吊装、搬运和加工过程中应避免损伤涂层，如果涂层破损却无法修复完整，在服役过程中，可能在破损处发生严重的钢筋点蚀，使得该处成为力筋的薄弱环节。保证环氧膜层的完整性是环氧涂层钢筋得以防锈的关键。膜层损伤有时难以避免，可同时采用钢筋阻锈剂弥补其不足或使之更为有效。另外，与无涂层的普通钢筋相比，环氧涂层钢筋与混凝土之间的粘结强度下降20%，因而采用环氧涂层钢筋时的钢筋绑扎搭接长度，以及混凝土构件的刚度与裂缝计算值，均与采用普通钢筋时有所不同。BA 57/01指出：在目前的公路结构中，不提倡使用环氧涂层钢筋。其他的工程经验和有关文献认为环氧涂层钢筋存在一些耐久性问题，特别是容易发生涂层破损，造成钢筋的点蚀。在碳化引起钢筋锈蚀的一般环境下，可选用镀锌钢筋（热浸锌）延长结构物的使用年限，但并不宜用在氯盐环境中。 BA 57/01指出：非铁类加强筋可以考虑在易发生腐蚀的混凝土截面或者检修人员难以到达的位置，那里发生的劣化无法被人及时发现并进行修复。在钢筋混凝土易发生腐蚀的区域，如膨胀性接缝下部、梁的女儿墙边缘、浪溅区和海洋环境中的地下结构，尤其是冬季使用除冰盐的重要公路，可考虑使用不锈钢。不锈钢钢筋的价格昂贵，不锈钢的使用，将会增加首次建设的费用，但是从整个生命周期而言，它可以减少后期的检测、维修费用。在一定条件下使用还是经济合理的。因此，在特别严重的腐蚀环境下，要求确保百年以上使用年限的特殊重要工程（如槟城二桥），可选用不锈钢钢筋。不锈钢钢筋不得与普通钢筋电连接。美国混凝土学会（ACI）确认钢筋阻锈剂是保护混凝土中钢筋的三种有效措施之一（另外两种是环氧涂层钢筋和阴极保护）。钢筋阻锈剂在美国的工程应用已近三十年，在日本则更早（与海砂并用）。与密实的优质混凝土配合，钢筋阻锈剂的防护能力能够大幅提高。优质混凝土不仅能延缓并减少腐蚀介质（Cl-）扩散到钢筋表面，而且能长期有效地保持钢筋阻锈剂的浓度，使阻锈剂得以长期发挥效能。阻锈剂应保证防腐蚀有效性以及对混凝土性能的无害性，但阻锈剂自身的耐久性（长期有效性）也同样重要。阻锈剂的相关论述见专题研究之“钢筋阻锈剂问题”。混凝土的外防护的详细论述见专项分析研究之“混凝土的外防护”。本研究建议使用的方案在后文的“混凝土的外防护技术”中阐述。（2）预应力混凝土关于预应力混凝土的防腐要求与措施，详见预应力专题研究部分。小结考虑到马来西亚当地使用钢筋阻锈剂的技术并不普遍，当地阻锈剂产品的质量和性能未能完全掌握，也未经当地工程实践的检验，使用钢筋阻锈剂不但提高了混凝土的成本，而且存在一定的技术风险，因此本研究认为，不宜将钢筋阻锈剂作为槟城二桥结构混凝土防腐措施的首选措施。同时，环氧涂层钢筋由于握裹力下降，且作业过程中的破损难以避免，又需要钢筋阻锈剂的配合，因此，也不建议将环氧涂层钢筋作为防腐措施的首选方案。在环境恶劣的结构部位，如浪溅区，如果实际施工条件允许并获得批准，不排斥使用不锈钢作为该结构部位的最外层钢筋。同时，建议在浪溅区和水位变动区的混凝土表面使用外防护涂料，以抵御海水侵蚀介质的渗透和积累。具体方案见下文。专题分析研究预应力体系的耐久性问题概述预应力体系是桥梁的最重要组成部分之一，该体系的耐久性在很大程度上决定了桥梁整体的耐久性。因此需要对预应力体系的耐久性进行专门的专题研究。根据《马来西亚槟城第二跨海大桥方案设计说明》，该桥的预应力体系布置为：主梁采用纵横向预应力布置，腹板承受剪力较小，不设置竖向预应力。主梁纵向兼有体内束和体外预应力束，体内束采用 6-12、6-16 和 6-19 钢绞线，体外束采用6 根 6-25 钢绞线。体内束采用塑料波纹管成孔，辅以真空压浆工艺，增强结构的耐久性；体外束初步考虑由单根无粘结钢绞线组成，采用外包HDPE 管、内注油脂防腐。体内束和体外束的布置思路是：充分利用体内、体外束各自不同的受力、构造特点，体内束主要承担结构自重和二期恒载产生的内力，以提高预应力束工作效率；体外束承担运营阶段活载产生的内力，适当减小截面尺寸。横向预应力钢束 6-3 钢绞线，扁塑料波纹管成孔，在预制场内张拉锚固。上述预应力按照工艺可分为粘结性后张预应力（体内）与无粘结后张预应力（体外）。预应力混凝土结构的耐久性破坏机理预应力混凝土的破坏始于预应力筋（钢绞线）锈蚀破坏，一旦预应力筋失效，将引起预应力结构发生严重的安全问题。预应力筋在耐久性措施不足或者失效后，可能发生电化学腐蚀。电化学腐蚀发生需要同时具备以下三个条件： 1）钢筋（钢绞线）表面的钝化膜遭到破坏，最常见的是来自海洋或者除冰盐的氯盐腐蚀； 2）水分的存在，这是在两个电极之间形成电通路的必要条件； 3）充分的供氧条件，没有氧气的存在，电化学过程不能持续进行，钢筋也就不发腐蚀成钢锈。由于预应力筋始终处于高拉应力状态，在腐蚀介质存在的情况下会发生应力腐蚀。高拉应力使得钢筋表面的钝化膜容易破损，侵蚀介质乘机进入，进一步削弱材料的性能，裂缝进一步深入发展，应力与侵蚀介质相与为用，大大加剧了钢筋腐蚀的速率和进程。因此，应力腐蚀比一般电化学腐蚀的速率和危害都要大。其特征是形成腐蚀-机械裂缝，这种裂缝不仅可以沿着晶界发展，而且可以穿过晶粒。因此可以大大降低钢筋的机械强度，在应力作用下发生断裂。预应力筋具有小断面、高应力、高脆性的特点，决定了它对应力腐蚀的敏感性。据统计，应力腐蚀是预应力混凝土结构耐久性破坏的主要原因。影响因素（1）裂缝在英国的建议性技术文件BA 24/87指出：后张预应力构件，在张拉之前，属于配筋率较低的普通混凝土构件，因此可能在早期出现热裂缝。裂缝对预应力筋腐蚀的影响不大，其作用仅是起始腐蚀进程并使得该处的钢筋活化，但不控制钢筋的腐蚀速度，腐蚀速度取决于阴阳两极之间的电阻以及阴极处的供氧条件。但是小于的裂缝对预应力筋锈蚀速率的影响也不明显。（2）混凝土的保护层厚度和水灰比对于有粘结的预应力混凝土结构，预应力筋依靠混凝土的保护而不发生锈蚀。足够的保护层厚度是预应力构件在腐蚀环境中耐久性的重要保证。预应力筋腐蚀所需要的氧气供给主要来自混凝土保护层的深入，腐蚀速率取决于保护层的质量和渗透性。（3）湿度条件合适的湿度条件是发生电化学腐蚀和应力腐蚀的必要条件。干燥环境中的钢筋混凝土和预应力混凝土结构一般不会发生严重的腐蚀。而潮湿环境则对耐久性不利。但是完全处于水下，则因供氧条件差而锈蚀程度反而减小。对于后张有粘结预应力构件，预留孔道的注浆是预应力耐久性问题的关键。注浆由于材料和工艺的原因，可能存在注浆不密实和浆料泌水，从而为水分、氧气和侵蚀介质的侵入留下通道，为预应力构件的耐久性埋下了隐患。有资料显示，国内外大量预应力筋的腐蚀就是由于孔道注浆缺陷引起的。而且，孔道注浆无法检查和修补，这是后张有粘结预应力混凝土结构的最大缺陷。（4）碱骨料反应对于槟城二桥，根据调研信息，这个问题基本不存在。预应力混凝土结构形式的耐久性比较目前，国内外使用的预应力混凝土按照预应力施加方式有先张法和后张法两类。后张法还分为有粘结预应力体系、无粘结预应力体系、体外预应力体系等。（1）先张有粘结预应力先张预应力筋的张拉和混凝土的浇筑、养护以及钢筋与混凝土的粘结锚固多在预制工厂条件下完成，质量较易保证。先张有粘结预应力的预应力筋可以张拉到极限强度，构件预应力损失小，承载力高。力筋包裹于混凝土中，且预应力构件一般很少裂缝。根据BA 57/01，预制的先张预应力混凝土结构通常具有良好的耐久性。但应保证在预制梁端部的无粘结预应力筋具有足够的抗腐蚀能力。但是由于先张法需要张拉台座，因而不适用于现浇的预应力混凝土结构。提高混凝土的密实度和保护层厚度，可以显著提高先张法预应力混凝土预制构件的耐久性能[45]。（2）后张有粘结预应力后张有粘结预应力是待混凝土硬化后，通过张拉预留在混凝土内部孔道中的力筋来实现预应力的。混凝土与力筋的粘结通过后期的孔道注浆来实现。预应力的传递理论上依靠力筋与混凝土的粘结，施工工艺复杂，质量控制难度大。后张法有粘结预应力混凝土，由于整体性好，可以在现浇混凝土中使用，因而应用也较为广泛，如大型桥梁中。与先张预应力混凝土不同，后张粘结性预应力混凝土构件在耐久性方面并不令人满意。大多数后张预应力桥梁都设有内部灌浆管道，最主要的耐久性问题发生是由于管道灌浆不充分引起的锚索锈蚀，而且这种腐蚀在常规的桥梁检修过程中无法被发现确认，这就意味着构件承载力发生严重损失而无法预知，从而对公共安全造成严重的威胁。在一些案例中，后张预应力桥在几乎没有或者根本没有预警现象被人观察到的情况下就发生坍塌。20世纪30年代以来，全世界应用最广的后张法预应力管道压浆工艺，经过几十年的实践，被证明质量存在不确定性。1985年英国威尔士一座桥梁因管道压浆质量不良，力筋腐蚀，造成桥梁破坏[3]。根据BA 57/01，如果在灌浆作业过程中，提供了合适的安全保证措施，在非节段性桥梁的后张预应力混凝土构件仍然可以是耐久的。英国混凝土学会的技术报告TR47“耐久的粘结性后张预应力桥梁”提供了较好的技术实践细节，这些细节指导将确保管道灌浆充分和后张预应力体系的具有良好的耐久性。虽然如此，后张粘结性预应力由于施工工艺复杂，质量影响因素多，混凝土的浇筑质量、孔道注浆和预应力损失难以把握，导致其质量保证率不高，预应力损失很大，一直是困扰工程师的难题，且事后无法检查修补，从而为结构的耐久性问题留下重大隐患。国外这类预应力桥梁的耐久性也难以令人满意，逐渐被禁止使用于桥梁工程。1992年，英国运输部宣布禁止在新建桥梁中采用管道注浆的体内有粘结预应力后张结构[46]。虽然1996年又恢复使用，但对悬拼结构仍持不宜采用的态度；并建议采用不腐蚀、不导电的高密度聚乙烯或聚丙烯管道，并要求改进压浆材料和工艺；同时，应加强桥面防水设施。预应力灌浆技术应参考BS EN 445 : 1997 Grout for prestressing tendons。（3）体内无粘结预应力无粘结预应力出现于20世纪70年代，主要是为了克服后张有粘结预应力的缺陷。无粘结预应力筋包裹在充满防腐油脂的PE套管内，受力时可以自由滑动。预应力损失小、计算和施工工艺简单，对混凝土浇筑影响小。但是预应力筋一般不能达到极限强度，构件承载力相对偏低。预应力的传递完全依赖于端头锚具，构件端部长期处于高应力状态。造成无粘结预应力筋腐蚀的主要原因有[47]：锚固区的封锚砂浆不密实，砂浆收缩产生裂缝，造成腐蚀介质侵入锚具的通道，进入钢筋套管内；锚具上无任何防护措施，腐蚀介质经由夹片和力筋之间的缝隙通过毛细水作用进入钢筋内部；锚具与套管连接不当，使得预应力筋暴露在混凝土中；无粘结预应力筋涂料保护层不饱满、不连续；混凝土中存在侵蚀性离子，预应力筋套管开裂破损后，造成腐蚀性离子渗入。可见，除了无粘结预应力筋的质量外，端头锚固区是这种结构耐久性的薄弱环节。端头锚固区的封堵目前采用砂浆和油脂两种方法。用砂浆封堵，人为因素影响很大，事后有无法检查和修补，质量难以保证。用油脂封堵也存在同样的问题，且油脂会对混凝土的性能造成影响。另外一种破坏可能是锚具在高应力状态下失效。虽然目前这种事故的报道不多，但是这种将预应力的成败只系于锚具一种部件上，在结构的安全性上是难以令人信服的。（4）体外预应力将混凝土体内无粘结预应力布置到体外，就是所谓的体外预应力。所以，体外预应力具有体内无粘结预应力技术的全部优点，同时由于预应力筋布置在体外，可以便于检查、维护和更换，必要时还可以进行再张拉，耐久性能优越。特别适合于结构加固和室外结构，尤其是大型预应力混凝土桥梁。根据BA 57/01，在采用体外后张预应力锚索时，应对它们进行具有良好的保护，并保证可检查、维修和可更换。更换的方法和顺序应在设计阶段就被考虑，并且要在更换过程中尽量减少对交通的限制。随着工艺技术的成熟和改进，体外预应力的耐久性得到进一步解决。如在预应力筋表层加涂环氧树脂作为第三道防护以增强耐久性，在控制截面设置转向块以避免偏心距减小，合理控制固定点以避免预应力筋振动。因此，体外预应力混凝土结构在技术和经济上的优势更加明显。欧美各国自上世纪80年代以来，在桥梁工程中大量使用体外预应力技术，并限制后张有粘结预应力技术的使用。仅以法国为例，几乎所有新建的所有大型桥梁都采用了体外预应力技术，在1982年以来，已经先后建成50多座体外预应力混凝土桥[48]。体外预应力混凝土技术已经成为国外桥梁工程的主流。更多设计方面的信息可以参考BD 58 和BA 58。BS 5400-4: 1990不包含无粘结预应力的设计。综上所述，从耐久性的角度而言，应尽量选择耐久性能优越预应力结构形式。先张预应力构件耐久性良好，但可能因受到施工条件的限制而无法在本项目中采用。无粘结预应力筋因防锈能力不甚确切，锈蚀断裂的后果也比有粘结预应力筋严重，所以在易遭锈蚀的不良环境下甚少采用，但如设计成可检查并可替换，就特别适用于严重环境作用下的工程。体外预应力钢筋便于检查和更换，是不良环境条件下比较好的一种预应力结构形式。而尽量避免使用后张体内粘结预应力。对于不得不使用的后张体内粘结预应力，应该采取相应措施提高其耐久性。（见附录）提高预应力体系耐久性的措施一般要求预应力混凝土结构体系应在结构选型和构造上采取措施，保证结构在整体牢固性上有足够的安全裕度，即结构内的个别预应力筋如因锈蚀脆断而造成的局部破坏不致引起大范围的破坏倒塌。处于严酷环境作用等级的预应力混凝土结构宜尽可能采用整体结构，当采用节段拼装式结构或用预应力筋连接相邻的构件成为整体时，应在拼接缝处设置多道防护措施保证预应力筋的密封防锈。后张预应力混凝土结构还应避免施加过大的预应力度，防止在锚头附近出现裂缝，或因预拉区开裂而降低结构耐久性。结构的施工缝和各种连接缝是水、盐等各种有害物质最易侵入的薄弱环节，在其周围的混凝土和钢筋往往受害最烈。随着时间的推移，连接缝处的渗漏常不可避免。尤其是穿过拼缝的预应力钢绞线（如预应力节段拼装梁桥），必须采取套管密封或同时在灌浆中加入阻锈剂等可靠的防腐蚀措施。（1）材料要求混凝土材料要求除了满足本研究高性能混凝土技术提出的要求外，对于预应力混凝土，还应满足如下规定：对于预应力混凝土，新拌混凝土硬化后，实测混凝土中的水溶氯离子含量不应超过胶凝材料重的%。预应力混凝土一般不得使用海砂。（2）保护层与裂缝控制中国混凝土结构设计规范GB50010-2002对预应力筋保护层厚度的要求与普通钢筋相同，美国AASHTO规范也是如此。欧洲规范则要求预应力钢筋的保护层最小厚度在各种环境作用下都比普通钢筋大10mm。预应力筋的锈蚀后果比较严重，如果没有护套或双重保护，其保护层厚度应该大于普通钢筋。钢筋混凝土构件在荷载作用下的表面横向裂缝宽度计算值应不超过下表中的限值。表6-1 表面裂缝计算宽度的允许值环境作用等级钢筋混凝土（mm）有粘结预应力混凝土（mm） A B （）1 C D 按二级裂缝控制或按部分预应力A类构件控制2 E 按一级裂缝控制或按全预应力类构件控制2 F 按一级裂缝控制或按全预应力类构件控制2 注：1、括号中的数据用于钢丝或钢绞线的预应力构件，但有密封套管的后张预应力构件除外。2、二级或一级裂缝控制与GB 50010-2002混凝土结构设计规范的设计方法相应，部分预应力A类构件或全预应力构件与JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范的设计方法相应。欧洲规范prEN 1992对预应力筋按耐久性需要的保护层最小厚度见表6-2。表6-2 预应力筋按耐久性需要的保护层最小厚度环境作用要求的最小保护层厚度结构级别环境作用类别 X0 XC1 XC1/XC2 XC4 XD1/XS1 XD2/XS2 XD3/XS4 1 10 15 20 25 30 35 40 2 10 15 25 30 35 40 45 3 10 20 30 35 40 45 50 4 10 25 35 40 45 50 55 5 15 30 40 45 50 55 60 6 20 35 45 50 55 60 65 注：摘自prEN 1992-1-1 表；结构级别参见该标准的表。（3）预应力筋防护与孔道灌浆在有氧气、水分及氯离子存在的情况下，处于高应力状态的预应力钢筋容易发生应力腐蚀，应力腐蚀一方面会导致钢筋中有效预应力的急剧降低，进一步引起开裂等病害，降低桥梁的耐久性；另一方面，严重的应力腐蚀会导致钢筋出现裂缝并断裂，应力腐蚀断裂是一种无征兆的脆性断裂，其后果往往是灾难性的，这是影响预应力混凝土桥梁构件耐久性及安全性的重要因素。即使是延性极佳的钢材，也可能产生突发性的早期脆断。在预应力混凝土构件中，因应力腐蚀而导致预应力钢筋断裂的事故占有很大的比例。因此，应高度重视预应力钢筋和锚具的防水措施，阻断雨水与预应力钢筋的接触。对于严酷环境中的重要工程，预应力钢绞线应采取多重防护对策，即综合采用多种防护措施，可以多种防护措施平行地起作用（如在提高混凝土耐久性和保护层厚度的基础上，同时采用阻锈剂或环氧涂层钢筋），或在一种措施在使用过程中失效后可以启动另一种措施（如结构中的钢筋发生锈蚀后启动阴极保护）。对于难以采用涂层防护的预应力钢筋和钢绞线的保护，在混凝土或灌浆中掺加钢筋阻锈剂是有效的防护方法之一。作为多重防护措施，钢筋阻锈剂还可与环氧涂层钢筋、阴极保护及混凝土外涂层联合、搭配使用。预应力钢筋的耐久性与不同的预应力体系有关，并在更大程度上受施工质量的影响。在不良的环境条件下，预应力钢筋应采取双重或多道防护，除混凝土保护层外，还要有密封的护套或孔道管如高密度的塑料波形孔道管或环氧涂层金属孔道管。对于氯盐环境且要求的使用年限又较长时，还可同时采用环氧涂层预应力钢筋并在灌浆材料中加入阻锈剂。金属螺旋孔道管无密封功能，除干燥环境条件外不宜采用。需对预应力体系（预应力筋、锚具和孔道管等）的使用年限作出专门评估，要求生产厂家提供相关的资料和说明。同时，应对灌浆材料、施工工艺及质量检验标准提出具体要求。预应力混凝土体系的施工必须由具有专门资质的专业机构完成。后张预应力筋的锈蚀事故多数出在灌浆质量和锚固端的封堵质量上，必须尽一切可能保证孔道中的浆体密实，消除因泌水在孔道顶端形成空隙，或产生依附在筋体上的大小孔隙。灌浆必须有合适的流动度和稠度，既能有效泵送和充填孔道，又能排出孔道中的空气和水。掺加适量的硅粉、粉煤灰和矿渣都有利于减少浆体泌水和离析，但掺加硅粉的浆体有触变性并使粘度增加。预应力混凝土孔道灌浆施工应在专业工程师指导下，由经过专业培训的技工操作。灌浆工艺应经试验剖析检验合格后再在工程上实施。孔道灌浆应采用专用灌浆材料，具有良好的流动性和稠度，不泌水，适于真空压浆，并在硬结后具有良好的体积稳定性（不收缩或低收缩），抗渗性，和足够的粘结强度。孔道灌浆材料和灌浆方法要事先通过试验、论证，尽可能降低浆体硬化后形成的气孔，并宜采用真空灌浆技术。浆体的水胶比应低于本体混凝土的水胶比，一般宜不大于并宜掺加矿物掺合料，终凝时间不大于24h。在施工环境温度下，灌浆材料在6h内应保持可灌性，要求在3小时到24小时内的泌水率小于%。浆体中可加入微膨胀剂保证灌浆的密实性。灌浆材料宜用水泥净浆，孔道空隙较大时可用细砂水泥砂浆以减少收缩，一般应掺入适量减水剂、缓凝剂或引气剂等外加剂，也可掺入粉煤灰提高浆体的工作性和密实性；加入钢筋阻锈剂可提高浆体的防护性能，但不得加入铝粉或含有氯化物、硝酸盐等有害成分的外加剂。灌浆材料的性能测试应包括流动度、泌水率、体积稳定性、强度和沉积率，有时还要测定温度敏感性、触变性等等。如不能保证灌浆在预应力筋穿入孔道后的48h以内和张拉后的24h以内完成，则应采取可靠措施，确保孔道中的预应力筋体系在完成灌浆工序前不出现锈迹。应采用有防腐连续密封护套（或孔道管）的后张预应力体系。置有预应力筋的孔道管或护套应灌注水泥浆体、砂浆、油脂或其他防护材料。对于有粘结后张预应力体系，其孔道管不宜采用无密封功能的金属螺旋管，应采用有良好密封和防腐性能的高密度聚乙烯或聚丙烯波形管，管壁的厚度应不小于2mm，并宜采用真空压浆灌浆工艺。孔道管与端部防腐连接套管之间的连接也应保持密封。对于严重环境作用下的有粘结后张预应力体系，宜采用多道防护措施，如同时采用环氧涂层预应力筋（绞线），或在灌浆材料中加入阻锈剂等。（4）锚固端后张有粘结预应力体系的端部锚固，应采用无收缩高性能细石混凝土封端，其强度等级在各种环境条件下均应高于构件本体混凝土的强度等级，水胶比也不低于本体混凝土并不大于，并需对新老混凝土的连接界面进行防水处理。在氯盐等严重环境作用下，封端混凝土中宜外加阻锈剂或采用水泥基聚合物混凝土，并外覆塑料密封罩。封端混凝土的保护层厚度一般不小于50mm，在盐类腐蚀环境下不小于80mm。对于桥梁等室外预应力构件，应采取构造措施，防止雨水或渗漏水直接作用或流过锚固封堵端的外表面。锚固端的构造应能完全阻止水的渗透，采用浆体封堵和绝缘密封罩等多项措施与外界隔绝，还要采取措施避免雨水或渗漏水与锚固端的外表面接触。采用预应力连续梁，将预应力锚固端置于混凝土隔板或隔墙的构造形式有助于减轻环境的侵蚀作用。后张预应力结构的防腐措施后张法预应力构件的制作则多在施工现场完成，涉及的工序多而复杂，质量控制的难度大。预应力混凝土结构的工程实践表明，后张预应力体系的耐久性往往成为工程中最为薄弱的环节，并对结构安全构成严重威胁。因此需要专门针对后张法预应力体系的耐久性进行研究，对钢筋与锚固端提出防护措施与工艺、构造要求。 BA 57 /01指出：在后张预应力混凝土结构中，需要特别关注的部位就是预应力锚头。设计者应该确保具有足够的抗冲击性钢筋，并且在锚头区域的设计中，保证钢筋不能过分密集而可能引起混凝土难以浇筑和振捣密实。应提高保护层厚度以确保对钢筋的有效保护。外部（体外）后张预应力结构应该仔细设计，确保在不能限制桥梁的交通通行的前提下，能够对单根预应力锚索可进行更换和重张拉。应考虑提供专门的监测设备以探测预应力的损失和腐蚀情况。应设置外部（体外）预应力锚索以便容易进行检查和维修。当然这需要考虑暴露程度与易腐蚀性。关于后张法预应力的耐久性要求参见附录。矿物掺合料问题概述矿物掺合料的种类及其对混凝土性能的影响现今矿物掺合料已成为混凝土的一个重要组分，与外加剂一样，只是掺量要大得多，有时甚至超过水泥用量。（1）火山灰性质所谓火山灰性质，是指它们含有玻璃态或者无定形的氧化硅，本身没有胶凝性，但是以细粉末状态存在时，能够与氢氧化钙和水在常温下起化学反应，生成有胶凝性质的产物。火山灰质材料与水泥混合使用时，与水泥水化时放出的氢氧化钙生成硅酸钙水化物： S + CH + H ( C-S-H 这种二次反应生成的产物，与水泥水化时的产物没有什么本质区别，而且因为用硅酸盐水泥配制的混凝土中，氢氧化钙多以片状结晶富集在骨料和水泥浆之间的过渡区，消耗了部分氢氧化钙并生成C-S-H的火山灰反应，能够加强过渡区的微结构，因而可以提高硬化混凝土的强度、降低其渗透性并改善其耐久性能。（2）矿物掺合料的种类当今使用的矿物掺合料主要包括以下几类： 1）粉煤灰（FA）：煤粉在电厂锅炉燃烧后剩余的灰份，从烟道排出时经收集所得； 2）粒状高炉矿渣（GGBS）：高炉炼铁时浮于锅炉熔融铁水表面的渣，倒入水池或喷水迅速冷却后，经粉磨（或与水泥熟料共磨）后可以使用； 3）硅粉（SF）：硅铁合金生产过程排出的烟气，遇冷凝聚形成微细的粉末； 4）天然火山灰、硅藻土与沸石；其中前三类在国内外混凝土生产中得到广泛应用。（3）化学成分与物理性质常用矿物掺合料的化学成分如表6-3所示。它们含硅量都高于水泥，而且大部分呈有活性的无定形态。硅粉几乎是纯的活性SiO2；粉煤灰分低钙灰和高钙灰两种；高钙灰和磨细矿渣都有大量含钙矿物，能水化并有一定的自凝性，因此不属火山灰质材料，但其水化反应在没有水泥存在时进行得非常缓慢；在水泥的激发下会大大加速。几种主要混合材与矿物掺合料的物理性质示于表6-4。粉煤灰的密度比水泥小，因此用它等重量替代水泥时，形成的浆体体积明显增大；质量良好的粉煤灰由近似球形的颗粒组成，粒径与水泥接近，且有光滑的表面，掺入后可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性，因此广泛用于泵送混凝土施工。硅粉颗粒也接近球形，但粒径要比水泥小两个数量级，表面积非常大。所以用硅粉代替一部分水泥时，混凝土需水量要增大，但是当与高效减水剂一起掺入时，在强烈的剪切搅拌作用下，硅粉微细颗粒均匀分散并填充到水泥颗粒的间隙里，可以配制出比单纯使用高效减水剂时进一步大幅度降低水胶比，并维持所需要流动性的混凝土拌合物。磨细矿渣的颗粒形状、粒径、比表面积、密度均与水泥接近，因此当其等重量代替水泥时，对拌合物需水量、流动性的影响变化不大。可以用特殊的工艺将矿渣磨得更细，但这将增加加工费用，影响广泛使用。表6-3 主要矿物掺合料的组成（%）氧化物粉煤灰磨细矿渣硅粉水泥低钙高钙 SiO2 48 40 36 97 20 Al2O3 27 18 9 2 5 Fe2O3 9 8 1 4 MgO 2 4 11 1 CaO 3 20 40 64 Na2O 1 K2O 4 表6-4 典型矿物掺合料的物理性质粉煤灰磨细矿渣硅粉水泥比重粒径范围（(m） 10-150 3-100 -100 比表面积（m2/kg） 350 400 15000 350 （4）对混凝土强度与其他性能的影响在相同水胶比（水/胶凝材料）的条件下，掺有矿物掺合料并减少了水泥用量的混凝土，通常早期强度发展要受影响。只有掺用硅粉时，由于其表面积巨大，各龄期的强度都会提高。但是，所有用火山灰材料代替水泥的混凝土，后期强度都会有不同程度地提高。对弹性模量、徐变、收缩等性质的影响，与对强度的影响相近。由于掺用矿物掺合料可使混凝土水化热减小、温峰降低，因而延缓水泥水化使微结构密实、孔隙率减小和孔隙细化的作用，以及它们水化反应产物的填充作用、减少氢氧化钙在过渡区富集的强化作用等，所以说矿物掺合料在一定的条件下，能够使混凝土的耐久性不同程度地提高，已为大量研究与工程实践所证实。粉煤灰（1）粉煤灰混凝土的性能粉煤灰作为一种火力发电厂的工业废料用于混凝土也已多年，粉煤灰对混凝土性能的改善作用已经是现代混凝土技术的一个共识。抛开它对节约资源、保护环境和降低混凝土成本等方面的贡献不谈，仅就其对混凝土性能的改善作用而言，它在混凝土拌合物中发挥的“粉煤灰效应”通常归结为“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三种基本效应[14]。有学者[15]甚至将粉煤灰看作为混凝土的第四组分，即除了水泥、水与骨料外的一个独立成分，而不是作为水泥的替代品，由此充分反映出粉煤灰在混凝土中发挥的作用。高掺量粉煤灰混凝土（HFCC）无论新拌还是硬化后都具有优良的性能，因而被广泛、大量地使用于大坝、路基、路面和结构混凝土。使用HFCC的优点：新拌的HFCC粘聚性好，浇筑效果总是令人满意的；后期强度高；能有效抑制碱-硅反应；很好的抗硫酸盐性；低孔隙率和低渗透性；大大降低早期水化热，减少早期裂缝；配比设计时具有更大的灵活性；显著的经济意义。但是应该注意到粉煤灰在使用过程中存在的问题：配比设计的困难：配比的灵活性带来的复杂性，使得工程师面临着许多可选择的因素，他必须了解得比配制无粉煤灰混凝土更多的情况。对用水量的敏感性：掺用粉煤灰后，混凝土强度对用水量的变化更加敏感。而且这种混凝土的工作度比起硅酸盐水泥混凝土来，对用水量的变化也更加敏感。硅酸盐水泥的质量：水泥的质量与组成，对HFCC的强度发展有显著的影响。综上所述，粉煤灰在提高混凝土质量、改善拌合物性能，尤其是耐久性能方面，有着甚至不可替代的作用。（2）英国标准对粉煤灰和粉煤灰水泥性能和品质的要求 1）粉煤灰 ①BS EN 450对粉煤灰的性能提出了要求（与BS 6610相同的指标不再列出）按照EN 196-21测定的氯离子含量不超过%。按照EN 196-2测定的SO3不超过%。按照EN 451-1测定的游离氧化钙不超过%。游离氧化钙超过%而小于%也可以使用，前提是满足安定性要求。细度细度用湿筛分在筛孔以上筛余物的百分率表示。细度的最大值不超过40%，变化范围应在平均值的± 10%以内。活性指数活性指数是用标准砂浆条（75%的基准（水泥＋25%的粉煤灰）的抗压强度与完全使用基准水泥的同期制作的砂浆条抗压强度的百分比表示。28d和90天的活性指数分别不小于75 % 和85 %。安定性用EN 196-3提供的雷氏测试法测试的50%基准水泥＋50%粉煤灰的复合浆体的膨胀量不超过10mm。颗粒密度用EN 196-6测定的粉煤灰颗粒密度不应偏离平均值的±150 kg/m3。 ②BS EN 197-1:2000对粉煤灰的规定：粉煤灰有硅质和钙质之分（V代表硅质粉煤灰，W代表钙质粉煤灰）。前者具有火山灰性质，后者也可能具有水化活性。按照EN 196-2的方法，1小时内的烧失量不超过%。对于烧失量在%%的粉煤灰，如果满足相关标准对耐久性要求，尤其是抗冻性以及与外加剂的相容性要求，仍然可以使用。硅质粉煤灰（V）硅质粉煤灰多是球形颗粒的细粉，具有火山灰活性。实质上包含活性SiO2和Al2O3，剩余成分中包含Fe2O3和其他化合物。活性CaO含量应小于%，按照EN 451-1方法测定的游离CaO含量不超过%。游离CaO含量在%%之间的粉煤灰，如果按照EN 196-3方法，测量30%硅质粉煤灰＋70%CEM I型水泥（硅酸盐水泥）复合浆体的安定性，其膨胀量不超过10mm，那么这种粉煤灰也可以使用。活性SiO2含量不少于%。钙质粉煤灰（W）钙质粉煤灰细粉，具有水化和（或）火山灰性质。实质上包含活性CaO、活性SiO2和Al2O3，剩余成分中包含Fe2O3和其他化合物。钙质粉煤灰的活性CaO含量一般大于%，含有%%活性CaO的粉煤灰应含有不少于%的活性SiO2。含有%以上活性CaO的充分磨细的粉煤灰，按照EN 196-1测定的28d抗压强度不小于。如果按照EN 196-3方法，测量30%钙质粉煤灰＋70%CEM I型水泥（硅酸盐水泥）复合浆体的安定性，其膨胀量不得超过10mm， ③BS EN 450 与BS EN 197-1的关系 BS EN 450 指出：在EN 197-1中对水泥的物理和化学性质的规定应符合BS EN 450。在BS EN 450 第4条规定的特征值应符合10%的分位数（可适当有所出入），而对于BS EN 450所涉及的所有性能，可接受概率应为5%。另外，在EN 197-1中定义的主要缺陷如果超出了BS EN 450中的规定，则其相应的某一性质将不被接受。这就是说BS EN 450的规定要严于 EN 197-1。 2）粉煤灰水泥粉煤灰的另一种使用形式是粉煤灰水泥，为此制定了标准BS 6610，对粉煤灰水泥的组成、生产、强度、物理和化学性质给出了详细的说明。需要说明是的，在英国，火山灰的使用经验仅仅限于粉煤灰，通常作为低热水泥以降低混凝土中的温升，也能用于抵抗硫酸盐和弱酸介质的侵蚀（见BS 8110 和 BRE Digest 363）. BS 6588 规定硅酸盐水泥中粉煤灰含量不超过35 %（m/m），而在BS 6610中，通过试验确定，掺量可达36%-55%（m/m）。同时规定了水泥组分中，活性CaO和活性SiO2的总质量不少于50 %。水泥熟料中，C3S和C2S的含量不少于2/3，CaO/SiO2质量比值不小于，MgO含量不超过 %。粉煤灰至少要求含有2/3以上的玻璃体颗粒。实质上含有活性SiO2和Al2O3。活性CaO 的含量应小于5 %。粉煤灰中，活性SiO2不应少于25 %，烧失量不超过 %。表6-5 粉煤灰水泥的组成范围组分含量硅酸盐水泥熟料 45%-64 % 粉煤灰 36 %-55 % 辅助组分 0%-5% 注：如果需要，辅助组分可能是磨细高炉矿渣、天然火山灰材料或者填料的一种或几种。磨细粒化高炉矿渣（1）矿渣在混凝土中的作用机理与性能优势一般情况下，磨细粒化高炉矿渣（GGBS，以下简称矿渣）的化学成分与水泥接近，但其多以无定形的非晶态玻璃体形式存在，铝酸盐物质含量较水泥多，而CaO含量较水泥少。矿渣活性与与细度的关系密切，细度越大，化学反应活性越高。在碱性环境中，矿渣中的铝酸盐与水反应，在硫酸根共存的条件下，反应产物生成硫铝酸盐，在氯离子存在时，生成Friedel盐（C3A·CaCl2·10H2O）。由于矿渣的铝酸盐含量高，能够与更多的Cl-和SO42-发生反应。如果单从固化氯盐的角度看，矿渣具有明显的优势[59-60]。首先，矿渣的铝酸盐含量比水泥高得多，可以以Friedel盐的形式结合更多的氯离子。其次，水泥中的硫酸根含量比磨细矿渣高得多，因为磨细矿渣中的SO3含量几乎为0，所以，没有SO42-与Cl-发生竞争的情况。再者，矿渣的水化产物的碱性比水泥低，也能促进置换OH-反应的进行，消耗更多的Cl-。所以，矿渣比水泥更具有优越的氯离子结合性能。大量的实验室研究与工程实践证明；使用高掺量磨细矿渣水泥具有较好的耐久性能，包括较低的渗透性和突出的抗硫酸盐侵蚀性能。其原因一方面是矿渣在碱性环境并存在硫酸盐情况下，反应生成了无定形C-S-H（I）凝胶、杆柱状杆沸石类水化硅铝酸钙（钠）以及针状钙矾石类水化硫铝酸钙三类矿物，它们之间具有良好的匹配方式，形成密实的空间网络结构，混凝土具有良好的抗渗性[50] REF _Ref183123241 \r \h \* MERGEFORMAT [51]。另一方面，矿渣掺入后，减少了水泥用量，相应地整个胶凝体系中Ca元素含量减少，而且矿渣的化学发应将消耗掉大量的水泥水化产物Ca(OH)2，最终结果是混凝土中能够引起硫酸盐侵蚀反应的必要物质Ca(OH)2减少。再次，是矿渣颗粒的反应活性相对水泥颗粒而言较低，外来硫酸盐引起的反应程度较低。加之如上文提及的它对氯离子的结合能力较强，因而，矿渣作为提高海工混凝土耐久性的重要原料而被广泛使用。由于采用高掺量（如65%）的磨细粒化高炉矿渣可以提高混凝土的抗氯离子能力，新加坡的住宅与发展委员会（Housing and Development Board of Singapor）已经在两个工程（Marina Bay Reclamation(1991-1994), Tuas Reclamation(1993-1995)）中使用了GGBS。矿渣还有一方面的优势是它能在一定程度上降低水化热，从而降低大体积混凝土的开裂风险。根据工程实践的经验，为了避免大体积混凝土的早期热裂缝问题，在使用高掺量矿渣时，应该避免使用高细度的矿渣，一般不宜超过450m2/kg。当然，高掺量的矿渣可能引起混凝土泌水现象严重，收缩增加，混凝土脆性增加。这是在使用矿渣中应该注意解决的问题。（2）英国标准对矿渣性能与品质的要求 BS 6699 《用于硅酸盐水泥的磨细粒化高炉矿渣规范》指出：高炉矿渣是冶铁工业的副产品，融化状态的矿渣经过水淬后，形成粒状玻璃质物质，经干燥磨细后得到磨细粒化高炉矿渣粉。要求所含的附加材料不超过1%。按照EN 196-6:1989测定的细度（比表面积）不小于275 m2/kg，用BS 6699 附录D提供的XRD衍射法测定的玻璃体含量不少于67%。 30%的硅酸盐水泥，碱含量应在%%之间，掺用70%的磨细粒化高炉矿渣，要求其7d强度不小于12MPa，28d强度不小于 MPa。按照EN 196-3测定的初凝时间不小于硅酸盐水泥自身的凝结时间，测定的安定性不大于10mm。化学组成：不容残余物含量不超过%，测定的氧化镁不超过14%。以硫化物形式存在的硫含量不大于%，以SO3形式存在的硫化物含量不超过%。烧失量不超过%，Mn2O3的含量不超过%。氯离子含量不超过%。按照EN 196-2的测定方法，CaO、MgO和SiO2的含量至少在2/3以上，（CaO + MgO）/（SiO2）的比值不小于，（CaO）/（SiO2）的比值不大于。以上指标的测定方法按照EN 196-2:1987。用BS 6699 附录的方法测定的含湿量不大于干燥矿渣的%。矿渣既可作为复合水泥（例如符合BS 146和BS 4246的硅酸盐矿渣水泥）的成分之一，也可以直接加入混凝土中使用，其应用指导可参见BS 5328， BS 6543 和 BS 8110-1的相关部分。硅灰（1）硅灰的特性与应用硅粉（Silica Fume，SF）是硅铁合金生产过程中排出的烟气，经冷凝集聚形成的微细粉末。它含有至少85%以上的无定形SiO2的球形微细颗粒。硅灰一般具有如下特性： 1）颗粒非常微细，典型的平均直径为μm，比表面积15000m2/kg，而水泥的细度一般在300-350m2/kg之间。由于硅灰是非常细的非晶态硅，所以它的化学反应活性（火山灰活性）很高。在高效减水剂和强力搅拌作用下，可以分散填充到水泥颗粒的间隙中，大幅度降低水胶比，提高混凝土强度和抗渗透性； 2）硅灰比表面积大，因而需水量大，会使拌合物明显粘稠，并加剧自身收缩，通常限制掺量在10%以内，且要尽早开始湿养护。 3）表观密度小，散装或者袋装运输时，体积大、费用高；为了克服这种困难，也有采用水合硅灰浆体（浆体通常含42%-60%（质量）的硅灰），以增加密度，便于运输。同时也有干燥压密的硅灰产品。 4）可以与粉煤灰或纤维材料等复合使用，制备满足特殊需要的混凝土。主要用于等级很高（>80MPa）或者抗渗性要求很高的混凝土；硅灰在混凝土中的主要物理作用有：减小泌水；为水化反应提供晶核生长点，加速水泥水化速率；颗粒填充与包裹作用，为水化产物搭接提供桥梁作用。硅灰在混凝土中的化学作用：由于硅灰具有很高的火山灰活性，它会与混凝土中水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙C-S-H。随着硅灰的掺入，导致水泥浆体中CaO的含量逐渐降低。（2）硅灰对新拌混凝土性能的影响硅灰由于非常巨大的比表面积，因而增加了混凝土拌合物的需水量。一般在使用硅灰时，都需要使用减水剂或者高效减水剂，使用量取决于硅灰掺量和减水剂的类型。硅灰增加了新拌混凝土的粘聚性，减小了离析。一般情况下，有必要将硅灰混凝土的坍落度增加50mm，才能获得与普通混凝土相同的工作性。硅灰并不显著地改变混凝土的坍落度的经时损失。也不显著地改变混凝土的凝结时间。硅灰可以有效减少混凝土泌水，正因为这样，它容易引起混凝土发生塑性收缩。当混凝土表面的水蒸发速率超过混凝土内部向表面泌水的速率，就会发生塑性开裂。实验室和现场经验都表明，硅灰增加了混凝土塑性开裂的趋势。因此，应关注新拌硅灰混凝土早期的表面水分损失，特别是在高温、高风速、低湿度的环境中。使用喷雾、蒸发抑制剂、设置防风障和立即养护是减小硅灰混凝土塑性开裂的一些成功措施。（3）硅灰对混凝土耐久性能的影响使用硅灰最重要的原因是它能提高混凝土的耐久性，主要表现在如下几方面：减小混凝土孔结构中侵蚀介质溶液的传输速率；减小氯离子的侵蚀速率；提高混凝土的抗冻融循环能力；提高抗化学侵蚀能力；提高抗磨蚀能力；提高抗碱骨料反应产生的劣化性膨胀；提高抗硫酸盐侵蚀能力；增加电阻率。但是使用硅灰将提高混凝土成本、而且用量较大时候，增加了混凝土的开裂风险。（4）硅灰与开裂在低w/cm情况下，掺用硅灰的混凝土有增加自干燥的趋势。硅灰增加了水泥浆体中C-S-H凝胶的含量，而C-S-H凝胶通过结合吸附水和层间水增加了自干燥作用。自干燥作用将导致混凝土发生自收缩。在约束混凝土中，当自收缩超过混凝土的极限应变，混凝土将发生开裂。硅灰的使用，明显增加了低水灰比混凝土的自收缩。而自收缩是导致高强混凝土发生开裂的重要原因。因此硅灰有增加了混凝土开裂风险的作用。由于收缩仅仅发生在水泥浆体中，因此在混凝土中，水泥浆体受拉，而骨料受压。在低水胶比混凝土中，掺用硅灰可能使得水泥浆体的自收缩超过其极限抗拉能力而在内部产生微裂缝。硅灰加入混凝土中，加速了水泥的水化，导致放热速率的增加（图5-x），而总的放热量有的数据显示增加，而有的显示减少，但大致与不掺加硅灰的情况相差不大。图6-1 水泥-硅灰浆体的放热速率 GjØrv（1995年）报道了对六处20年龄期、含硅灰结构物的检测，发现混凝土还处于良好状况。然而，GjØrv警告：在W/Cs低于时使用硅灰会引起开裂。硅灰可减小孔隙尺寸，甚至能填充水化水泥浆体的孔隙，降低渗透性并减少氯盐侵入。它还使水泥∕骨料通常多孔的界面区致密而提高强度。然而，混凝土中非常微细颗粒的存在，无论是在水泥里还是火山灰里，都会造成塑性收缩、自生收缩、温度收缩和干燥收缩增大。用硅灰时这种影响特别明显，如图6-2所示[5]。王甲春的研究结果见图6-3和表6-6。从表6-6可以看出，相同水胶比条件下，掺加硅灰试样的开裂时间都明显缩短。在硅酸盐水泥的水化环境里，硅灰具有非常高的火山活性，迅速与水泥的水化产物发生反应，生成C-S-H凝胶，加速硅酸盐水泥的水化，使体系的强度和弹性模量增长迅速，徐变和应力松弛能力下降，胶凝材料的抗干燥收缩开裂的能力下降。图6-2 硅灰使混凝土更易于因塑性收缩、温度收缩、干燥收缩和自收缩而开裂，而不应当用于任何已出现开裂的混凝土工程。（a）水胶比（a）水胶比图6-3 硅灰掺量对环形试样干燥收缩的影响[52] 表6-6 硅灰对开裂时间的影响[52] 试样水泥 5%SF 10%SF 15%SF 水胶比水胶比使用测长法研究水泥浆体的早期收缩，试样为Φ20 mm ×300 mm 的圆柱体塑料波纹软管模。将搅拌好的水泥浆灌如管模中密封，检测其长度变化。试验结果发现，掺加硅灰的水泥浆收缩量明显增加。图6-4 硬化水泥浆体长度变化率与硅灰掺量的关系[53] （1-0%SF；2-3%SF；3-6%SF；4-10%SF）（5）英国标准对硅灰性能与品质的要求 BS EN 13263-1:2005对硅粉的性能进行了规定，以满足BS EN 206-1 和 BS 8500对将硅粉用作II型掺合料的要求。硅粉通常需要与塑化剂和（或）超塑化剂一起使用。按照EN 196-2的方法测试的无定形SiO2含量不少于85%。 1）BS EN 197-1 按照ISO 9286测定的单质Si不超过%。按照EN 451-1测定的游离CaO含量不超过%。按照EN 196-2测定的SO3不超过%。按照EN 451-1测定的游离CaO含量不超过%。按照EN 196-2测定的含碱量（Na2O当量）应该标明。按照EN 196-2测定的Cl–含量不超过质量的%，如果超过%，上限值应该由生产商进行标明。按照EN 196-2测定的1h烧失量不超过%. 按照EN ISO 9277给出的氮吸附法测定的比表面积不小于 m2/g，不大于 m2/g。活性指数通过同龄期的测试砂浆棒（胶凝材料为90%水泥＋10%硅粉）抗压强度与标准砂浆棒（胶凝材料为100%水泥）抗压强度的比值进行确定。砂浆棒的成型按照EN 196-1给出的方法进行，含有硅粉的拌合物应该使用超塑化剂，以使两种拌合物的粘稠度接近。28d的活性指数不小于100% 2）BS EN 13263-2:2005 BS EN 13263-2:2005对硅灰质量的合格性评价进行了规定。硅粉应满足如下要求： a）按照EN 196-2的方法，灼烧1小时内的烧失量不超过%； b）未处理的硅粉，按照其ISO 9277方法测定的比表面积（BET）不低于 m2/g。（6）硅灰在马来西亚当地的应用情况通过实地调研，了解到硅灰在当地实际工程中的应用情况，主要是为了满足混凝土的电通量要求。掺用硅粉可以有效降低混凝土的渗透性，具体表现为电通量的降低，可以将该指标控制在1000库仑以下（现浇混凝土）和500库仑以下（预制混凝土），符合目前马来西亚控制海洋环境中混凝土耐久性的规定指标范围。然而，硅灰可能增加混凝土的开裂风险，尤其本项目处于热带地区，如何有效的控制混凝土的早期热裂缝是一个十分重要的技术问题，对此问题应特别关注。同时，硅灰在马来西亚当地的销售价格较高，在1500 RM/吨左右。上述矿物掺合料的相关技术规定可参考中国国家标准《矿物掺合料应用技术规范（报批稿）》（附录）矿物掺合料的组合使用矿物掺合料复合使用，通常可以获得比单掺其中一种更好的效果，发挥所谓的“超叠效应”。硅酸盐水泥、硅灰与粉煤灰或者矿渣一起联合使用（所谓的三组分混凝土），可以以较低的成本获得很好的耐久性能和较高早期强度的混凝土，并且新拌混凝土的工作性也更好。研究发现，当硅灰与粉煤灰组合使用时，化学反应活性比单独使用粉煤灰的高很多，而且在所有龄期，混凝土中的大孔体积大大减少。混凝土的后期强度并不减小，说明混凝土中仍有足够多的Ca(OH)2满足粉煤灰的火山灰反应。研究表明[54]：粉煤灰与硅灰联合使用，在下列混凝土性能上具有更多的优势：高效减水剂的用量、塑性收缩和氯离子渗透性。硅灰与磨细高炉矿渣联合使用，硅灰可以提高混凝土的早期强度，而矿渣则增加了混凝土的后期强度。硅灰与矿渣在水化过程中会竞相争夺Ca(OH)2发生反应，所以，掺用30%的矿渣与掺用25%矿渣＋5%硅灰的砂浆，在浆体的微结构和强度上并不相同。硅粉的存在，改善了水泥浆体与骨料之间的过渡区。Sarkar等人的研究发现，用30%矿渣取代水泥并加入10%硅灰的混凝土，在1天以内，硅灰开始发生反应，而矿渣则缓慢得多，这似乎是硅灰消耗了大量Ca(OH)2的原因。三组分混凝土（包括硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰或者矿渣）的应用在过去几年中得到增长。硅灰和粉煤灰作为矿物掺合料复合使用，具有比单独掺加其中之一都要好的性能。大量的研究工作集中在两个方面：一是补偿粉煤灰混凝土的早期强度，二是评估二者复合使用的耐久性能。研究表明，硅灰在上述两方面都有优异的表现。掺用硅灰和矿渣的三组分混凝土也具有良好的性能。它能减小了氯离子扩散系数，降低渗透性，而且对碱硅反应引起的劣化膨胀有很好的抑制效果，尤其在抗硫酸盐侵蚀方面具有突出的优势。对三组分混凝土（水泥＋矿渣（含量分别为20，30，50，和80%）＋5%的硅灰）的研究表明：对三组分混凝土非常早地进行水养护，对于降低长期的总收缩（自收缩＋干燥收缩）十分重要[55]。复合使用的比例，可参照中国国家标准《矿物掺合料应用技术规范（报批稿）》规定：复合掺合料中各组分的掺量不宜超过任一组分单掺时的上限掺量（见表6-7）。对预应力混凝土，粉煤灰的最大掺量不宜超过30%。表6-7 矿物掺合料占胶凝材料总量的百分率（βb）限值矿物掺合料种类水胶比水泥品种硅酸盐水泥（%）普通硅酸盐水泥（%）粉煤灰（F类Ⅰ、Ⅱ级） ≤ ≤50 ≤40 ＞ ≤40 ≤30 粒化高炉矿渣粉 ≤ ≤70 ≤60 ＞ ≤60 ≤50 钢渣粉 - ≤30 ≤20 磷渣粉 - ≤30 ≤20 硅灰 - ≤15 ≤15 沸石粉 - ≤15 ≤15 复合掺合料 ≤ ≤65 ≤55 ＞ ≤55 ≤45 注： 1 C类粉煤灰用于结构混凝土时，应安定性合格，其掺量应通过试验确定，但不应超过本表中F类粉煤灰的规定限量；对硫酸盐侵蚀环境下的混凝土不得用C类粉煤灰。 2 在素混凝土中，粉煤灰的级别和最大掺量可不受表规定的限制。 3 复合掺合料中各组分的掺量不宜超过任一组分单掺时的上限掺量。 4 对预应力混凝土，粉煤灰的最大掺量不宜超过30%。本研究建议使用的掺合料综上所述，由于掺用硅灰导致混凝土的收缩增大，开裂风险增加，特别是在气温较高的马来西亚地区。而且硅灰价格高昂，使用硅灰将增加造价。在技术上，硅灰并非是非用不可的组分，适当地使用粉煤灰与矿渣的组合，完全可以满足混凝土耐久性能的要求。权衡利弊，本研究认为，宜采用粉煤灰、磨细高炉矿渣及其它们的组合作为槟城二桥耐久混凝土的矿物掺合料。钢筋阻锈剂问题从混凝土材料设计和工程的角度考虑，防止钢筋腐蚀必须充分发挥保护层的保护作用、提高施工质量、控制水胶比、保证混凝土的致密性，也即要使钢筋在更长时期内处于钝化状态。混凝土中掺加阻锈剂也是一些工程采取的提高混凝土耐久性能的方法之一。与涂层保护、阴极保护、碱化和去氯离子等其它方法相比，掺加阻锈剂是较为简单有效的方法之一。因此，钢筋阻锈剂常用于海洋建筑物、停车场建筑和北方桥梁建筑等有氯盐存在的地方。阻锈剂的定义、分类和作用机理阻锈剂定义中国交通行业标准《钢筋混凝土阻锈剂》JTT 537-2004将阻锈剂定义为：能抑制或减轻混凝土中钢筋腐蚀的外加剂。《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275-2000则将阻锈剂定义为：能抑制钢筋电化学腐蚀的混凝土外加剂。中国国家标准《工业建筑防腐蚀技术规范》GB 50046-95将阻锈剂定义为：掺入混凝土中以阻止或减缓钢筋腐蚀的外加剂。阻锈剂至少应满足下列五个要求[57]： 1）阻锈剂分子应具有强的接受电子或给出电子的性质，或两者兼有； 2）阻锈剂易溶于水而又不易从混凝土中滤出； 3）在相对低的电流值下引起相应电极的极化； 4）在使用环境的pH值和温度下有效； 5）对混凝土各种性能不产生较大的副作用，与混凝土有较好的相容性。阻锈剂分类钢筋阻锈剂的分类方法大致有下面几种：（1）按使用方式和应用对象分 1）掺入型阻锈剂（DCI）：直接掺加到混凝土中，主要用于新建混凝土工程，也可用于修复工程； 2）迁移型阻锈剂（MCI）：涂到混凝土表面，渗透到混凝土内并到达钢筋周围，主要用于老工程的修复。（2）按形态分为 1）水剂型阻锈剂； 2）粉剂型阻锈剂。（3）按化学成份分为 1）无机型阻锈剂； 2）有机型阻锈剂； 3）混合型阻锈剂。（4）按作用机理划分为 1）阴极型阻锈剂； 2）阳极型阻锈剂； 3）混合型阻锈剂。阻锈剂作用机理阻锈剂的作用机理相当复杂，没有通用的统一理论可以解释。大多数阻锈剂的作用机理是在钢筋表面生成一种化学物质薄层来阻止腐蚀发生，或抑制腐蚀物质迁移，阻止它到达钢筋。阻锈剂通过阻断阳极反应、阴极反应或同时阻断两种反应，从而延迟钢筋腐蚀的时间和速度，延长结构的使用寿命。防止坑蚀（氯盐引起的钢筋腐蚀的代表形式）阻锈剂的作用机理为： 1）阻锈剂和氯离子竞争性表面吸附过程； 2）增加和维护局部（坑穴）环境的pH值； 3）阻锈剂和氯离子竞争性迁移到坑穴，由此可以降低氯离子浓度和保持pH值不变，从而降低钢筋腐蚀的发展。阳极型阻锈外加剂是通过扼制阳极的反应而起作用，是具有接受电子的能力而起阻锈作用的物质。这类外加剂只有在足够高的浓度下有效。所需要的阻锈剂浓度取决于环境氯化物的水平。当掺加量不足时（如亚硝酸钙）腐蚀仍会发生，可能局部加剧并造成严重锈痕。对于阴极型阻锈剂来说，它或由阴极反应、或因阴极选择沉积起作用。这类材料是强的电子接受者，与阳极阻锈剂不同，它们的作用一般是间接的。阴极阻锈剂都是盐基性的，可提高混凝土中液相的pH值，降低铁离子溶解度，它们延缓阴极反应，也增大了电路的电阻，限制可还原物向阴极的扩散。混合型阻锈剂则同时影响阳极和阴极反应，适用于氯化物引起的腐蚀，也适用于金属表面微电池引起的腐蚀。阻锈剂技术现状阻锈剂的发展现状前苏联、日本和美国是最早使用钢筋阻锈剂的国家。日本从20世纪50年代开始开发利用海砂，由于自身的特殊环境，日本不仅要解决海洋环境中氯盐的腐蚀问题，还要设法防止海砂中氯盐对钢筋的腐蚀问题。1973年冲绳发电站工程正式使用钢筋阻锈剂，此后日本大量使用阻锈剂并制定了一系列的相关标准来指导应用。前苏联在其国家标准《建筑防腐蚀设计规范》中纳入钢筋阻锈剂内容。美国从70年代未开始研究使用钢筋阻锈剂，并于80年代开始推广。美国混凝土学会（ACI）、美国腐蚀工程师协会（NACE）、美国公路运输联合会（AASHTO）等相关机构都对钢筋阻锈剂的效果给予确认并纳入相关标准[58]。中国从20世纪60年代开始研究钢筋阻锈剂。80年代初，冶金工业部为解决海盐、海洋环境对钢筋混凝土建筑物的腐蚀问题，对复合型阻锈剂进行了专题研究。1985年在山东三山岛金矿工程中首次大量应用RI型钢筋阻锈剂。此外，南京水科院等单位也对钢筋阻锈剂进行了系列研究和应用。早期的钢筋阻锈剂成分主要是苯甲酸钠、亚硝酸盐和铬酸盐等，这些阻锈剂的效果并不完全令人满意，对新拌混凝土和硬化混凝土性能都有一定影响，有些还对环境产生不良影响。80年代以来，有机阻锈剂得到很大发展，出现含有各种胺、醇胺以及其盐类与其它有机和无机物复合的阻锈剂。进入90年代，一些发达国家相继开发了单氟磷酸钠等新型阻锈剂，它们可通过在混凝土表面涂抹渗透到混凝土钢筋表面，在混凝土中水解产生较高的碱度环境，从而保护钢筋表面的钝化状态。中国关于阻锈剂的标准（1）国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046-95）《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-95）针对存在氯离子侵蚀的混凝土构筑物，提出具体规定如下： 1）受氯离子为主的气态、固态介质作用的钢筋混凝土构件，宜掺入钢筋阻锈剂。采用钢筋阻锈剂的品种应对混凝土的物理力学性能和化学性质无不良影响，并应有评价数据。 2）在氯离子腐蚀条件下，混凝土桩宜掺入钢筋阻锈剂。 3）腐蚀等级为中等腐蚀时，掺有钢筋阻锈剂的一般混凝土构件，可不作表面防护。（2）行业标准《钢筋阻锈剂使用技术规程》（YB/T2821-98）原冶金工业部制定的《钢筋阻锈剂使用技术规程》（YB/T2821-98）是中国最早的阻锈剂标准之一，它对阻锈剂的技术性能、使用环境和用量等方面均作出详细的规定。钢筋阻锈剂的基本性能应符合表6-8要求。表6-8 钢筋阻锈剂的基本性能性能试验项目规定指标粉剂型水剂型防锈性 1.盐水浸渍试验无锈电位0~-250mV 无锈电位0~-250mV 2.干湿冷热（60次）无锈无锈 3.电化学综合试验合格合格对混凝土性能影响试验 1.抗压强度不降低不降低 2.抗渗性不降低不降低 3.初终凝时间/min -60~+120（对比基准组） -60~+60（对比基准组）（3）行业标准《钢筋混凝土阻锈剂》（JT/T537-2004）交通部2004年发布实施《钢筋混凝土阻锈剂》，该标准对钢筋混凝土阻锈剂的定义、产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等方面进行详细的规定。与《钢筋阻锈剂使用技术规程》（YB/T2821-98）相比，两者抗压强度比稍有差异。（4）行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）交通部2000年12月发布《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》，用来指导海港工程混凝土结构耐久性的设计和施工。其中第条对钢筋阻锈剂的应用条件、检测标准和掺量等提出具体的规定。特别强调在混凝土构件保护层偏薄、氯离子含量超过相应规定、混凝土用于恶劣环境的浪溅区和水位变化区情况下，应掺加阻锈剂进一步提高优质混凝土或高性能混凝土的护筋性。阻锈剂可与高性能混凝土、环氧涂层钢筋、混凝土表面涂层、硅烷浸渍等联合使用，并具有叠加保护效果。国外相关标准美国、前苏联及日本等发达国家最早开发、应用钢筋阻锈剂技术，开展阻锈剂的作用机理研究等工作。由于当前最先进的阻锈剂技术仍然掌握在发达国家的手里，所以发达国家的阻锈剂产品标准体系更为严格、完善，对工程应用具有更强的指导作用。（1）《混凝土钢筋阻锈剂》ASTM C1582/C1582M-04 针对用于混凝土的钢筋阻锈剂，ASTM制定C1582/C1582M-04标准，为检测者和购买者提供技术指标要求。掺加阻锈剂的混凝土必须满足下表6-9要求：表6-9 掺加阻锈剂的混凝土物理性能要求项目指标凝结时间初凝时间 ±3:30 终凝时间 ±3:30 抗压强度 3d 80 7d 80 28d 80 6m - 1y - 抗折强度 3d 80 7d 80 28d 80 长度变化，最大收缩（选择性要求）控制试样的百分数 135 比控制试样增加百分点相对耐久性系数，% ≥80 ASTM还规定阻锈剂自身的性能要求如下： 1）受检阻锈剂除了配制混凝土满足上表要求外，当选择本规程第10条规定的钢筋深度和第11条规定的配合比并根据测试方法ASTM G109试验时，还需要满足下述性能要求： 2）受检混凝土梁的综合电流平均值必须≤50库仑。 3）测试完成时，受检混凝土梁的平均侵蚀面积必须小于或等于对比混凝土梁的平均侵蚀面积的1/3。 4）测试完成时，受检混凝土梁的平均氯离子含量必须大于或等于氯离子临界含量。（2）《混凝土中钢筋腐蚀防护》ACI 222R-01 美国混凝土协会ACI 222委员会制订的《混凝土钢筋腐蚀防护》ACI 222R-01中规定新建筑物的腐蚀防护方法可分为三类：第1类为设计和建筑施工，使用硅酸盐水泥混凝土可最大程度防止钢筋腐蚀；第2类为渗透处理，将混凝土构件表面渗透处理来阻止氯离子渗入混凝土内部；第3类为直接阻止钢筋腐蚀的技术，使用不锈钢筋或者使氯离子不能对无保护钢筋产生影响。 ACI 222R强调增加保护层厚度、降低水灰比、提高混凝土致密性和加强混凝土排水等方法来预防腐蚀产生。化学阻锈剂是当未保护钢筋混凝土含有的氯离子超过极限值时，掺加的一种推迟腐蚀起始时间、显著降低腐蚀速度或两种作用都具有的外加剂。研究结果表明铬酸盐、磷酸盐、次磷酸盐、碱、亚硝酸盐、氟化物和胺等阻锈剂的效果差异很大。有些阻锈剂在试验测试中效果明显，而其它阻锈剂则得到相反的结果。有些阻锈剂还具有化学效应，并可能影响混凝土物理性能。所有阻锈剂在用于混凝土前必须进行测试。亚硝酸钙已被公认为有效的阻锈剂，从1990年起，含有胺和脂肪酸脂的阻锈剂和由链烷醇胺组成的阻锈剂也被以为非常有效。人们仍在继续研究阻锈剂对新建筑物、现有建筑物的修补和复原的效果。（3）《钢筋混凝土阻锈剂》JIS A6205 日本工业标准《钢筋混凝土阻锈剂》JIS A6205对阻锈剂的各个方面均做出详细的规定。阻锈剂的性能必须满足相关测试，对于凝结时间和抗压强度，应按照混凝土坍落度为8cm和18cm进行测试。测试结果要符合下表6-10规定。阻锈剂的其它性能要求还包括：氯离子含量应≤ JIS A6205 对阻锈剂的标识和质量报告内容也做出详细的规定。通过全面而严格的质量要求，最终可严格控制阻锈剂的质量，满足工程耐久性需要。表6-10 阻锈剂性能要求项目技术要求测试方法腐蚀状态（目测）不能有腐蚀根据条测试阻锈百分比% >95％根据条测试混凝土凝结时间的差异，min 开始 -60~+60 根据条测试结束 -60~+60 混凝土抗压强度比，% 7d >90 28d >90 重要阻锈剂品种及其阻锈原理中国最早广泛应用的阻锈剂是亚硝酸钠，实践表明亚硝酸钠有较好的阻锈效果。由于亚硝酸钠阻锈剂在混凝土中易于盐析，它同时具有致癌作用和增加混凝土内碱含量而易导致碱骨料反应等负面作用，所以现在很多国家严禁使用亚硝酸钠作为阻锈剂。亚硝酸钙作为一种广泛使用的阻锈剂，在美国、日本和中东都有着长期的应用历史，现在研究证明亚硝酸钙用于高质量混凝土和足够厚度的保护层可以获得较好的效果。亚硝酸钙对混凝土影响与亚硝酸钠类似，但是它不会盐析，所以其阻锈性能优于亚硝酸钠。此外，亚硝酸钙对碱-骨料反应没有不利影响。现今中国市场上的重要阻锈剂品种主要包括：中冶集团建筑研究院生产的RI阻锈剂；Grace公司生产的DCI阻锈剂；Cortec公司生产的MCI渗透型阻锈剂；Sika公司生产的FerroGard阻锈剂。 RI阻锈剂 RI系列钢筋阻锈剂已具有20多年的应用历史。RI系列钢筋阻锈剂为亚硝酸钙基复合阻锈剂，至今已经在国内数百个工程应用，并在国内阻锈剂市场上享有很好的声誉。RI系列阻锈剂已出口到非洲和中东部分国家和地区，并成功应用于当地各种工程。 RI系列钢筋阻锈剂在1987年通过部级鉴定，达到国外同类产品水平。纳入多个规范、规程和地方文件。 RI系列钢筋阻锈剂的作用机理是亚硝酸钙具有氧化性能，能够氧化二价铁离子（Fe2+）生成三价铁离子（Fe3+），生成难溶解的氧化铁稳定钝化膜。氯离子和亚硝酸根离子同时在钢筋表面发生复杂的竞争性反应，氯离子通过生成Fe2+加速钢筋腐蚀，亚硝酸离子通过生成钝化氧化铁（Fe2O3）阻止钢筋腐蚀。亚硝酸钙通过下述反应阻止或防碍Fe2+离子逸出：这个反应阻止氯离子的进一步腐蚀，但亚硝酸根离子还原为氧化氮气体，会减少混凝土中钢筋周围的亚硝酸根离子浓度，在固定亚硝酸钙掺量的条件下，当氯离子量增加时，其保持钝化的能力降低。因此亚硝酸根离子浓度与氯离子相对浓度之比至关重要。当低Cl-/NO2-值（小于）时，阳极钢筋的电位是钝化的，对于高Cl-/NO2-值，钢筋最终会腐蚀破坏。因此掺亚硝酸钙Cl-/NO2-值位于~之间时，钢筋的腐蚀速度可比末掺亚硝酸钙降低10倍。由于混凝土中氯离子不仅来源于原材料，除冰盐和海洋暴露环境会积累氯离子到一定浓度水平。必须充分考虑氯离子的各种来源，确定亚硝酸根离子的浓度和阻锈剂掺量，才会获得最佳阻锈效果。 MCI阻锈剂 MCI系列产品由美国Cortec公司生产，已有20多年的历史。该类阻锈剂具有在混凝土的孔隙中通过气相和液相扩散到钢筋表面形成吸附膜从而产生阻锈作用的特点，因此被命名为迁移性阻锈剂MCI（Migrating Corrosion Inhibitor）。该产品在美国、加拿大、俄罗斯、日本、韩国等国家广泛使用于工业与民用建筑、海洋建筑、桥梁工程的防腐，中国于1990年引入MCI产品和技术，经中国国家建材检测中心测定后，已经在许多工程中得到应用。美国工程实验公司（American Engineering Testing， Inc）按照ASTM G109对Cortec公司阻锈剂MCI进行了试验，结果测定的钢筋开始腐蚀时间、腐蚀速度，以及混凝土表面开裂和钢筋两面腐蚀状况可断定它们为有效的阻锈剂。 MCI是由气相缓释剂和其它有机阻锈剂复合而成，主要成分为氨基羧酸盐。MCI同时在阳极区和阴极区反应，产生有效阻锈作用，这种有机阻锈剂在水和金属之间形成一个分子厚的膜层，在形成胺膜的情况下，分子的一端憎水而另一端亲水，这些分子垂直钢筋表面彼此平行排列形成一道屏障。渗透性阻锈剂首先通过混凝土毛细孔经液体扩散，然后由它的高蒸汽压力，并经混凝土显微裂缝向混凝土内渗入，这种扩散过程需要一定的时间才能到达钢筋表面形成保护层。 Sika阻锈剂 Sika FerroGard阻锈剂由Sika公司研制开发。它包括掺入型Sika FerroGard 901和迁移型Sika FerroGard 903两种类型。Sika FerroGard不含亚硝酸盐，为绿色环保产品，体现了当前阻锈剂技术发展的方向。 Radiochemistry研究院的Karlsruhe研究中心、Heidelberg大学Phys.-chem学院和中国国家建筑材料测试中心分别测定sika FerroGard阻锈剂，结果表明对钢筋锈蚀具有一定效果。 Sika FerroGard阻锈剂为一种水性复合产品，渗透能力和对钢筋的吸附力极强，它包含有多种不同类型的氨基醇与特种无机组分，能在钢筋表面形成一层厚达100~1000Å的保护膜，这些组分共同作用，使这层保护膜有极高的完整性。该阻锈剂可同时吸附到钢筋的阴、阳两极进行保护，因此保护效果极佳。在阳极，保护膜阻止了铁离子流失，在阴极，保护膜形成对氧的屏障，此外，它可以将钢筋表面已有的氯离子置换出来。 DCI阻锈剂 DCI阻锈剂由Grace公司研制生产。DCI阻锈剂作为符合ASTM C494要求的一种C类外加剂，也可以促进混凝土的强度发展。可用于受到氯化物腐蚀的地下结构、桥梁平台、预应力构件及海中结构。 DCI阻锈剂是含有亚硝酸钙的体系，和RI作用机理基本相同，亚硝酸钙与嵌入混凝土的钢筋发生作用，防止其被盐类侵蚀。通过与钢筋发生化学作用，可形成一层屏障，防止氯化物的渗透。当在混凝土中加入足够数量的DCI（用量取决于混凝土中氯离子的预计含量及结构的设计寿命），便可以在混凝土基体中形成一个有效的腐蚀控制体系。阻锈剂对混凝土性能的影响及技术经济性评价阻锈剂对混凝土性能的影响作为一种化学外加剂，混凝土阻锈剂含有复杂的化学成份，特别是一些盐分和有机物质，会对混凝土性能产生一定程度的影响。由于阻锈剂生产厂家不同，产品不同，所以它们对混凝土性能影响也不相同。亚硝酸盐基阻锈剂可以明显缩短混凝土凝结时间、提高早期强度和影响坍落度。虽然RI阻锈剂为亚硝酸钙基复合阻锈剂，但是它复合其它化学成分，具有减水效果，因此增强作用更加明显。DCI阻锈剂也为亚硝酸钙基复合阻锈剂，它也会促进混凝土凝结、增大混凝土早期强度、加剧坍落度损失，并可降低混凝土含气量。对于亚硝酸钙基阻锈剂的这些特点，特别是当它们用于较高温度环境时，必须通过加入缓凝剂等来克服混凝土工作性损失和过早硬化，提高混凝土的易浇筑性。 MCI阻锈剂在混凝土中掺量固定为 Sika FerroGard阻锈剂不影响混凝土拌合物的坍落度、凝结时间等性能，也不影响硬化混凝土强度、可渗透性和含气量等性能，它与各种混凝土以及西卡公司的各种外加剂有很好的相容性。可用于预应力混凝土、碳化混凝土（低pH值环境）、海工建筑、使用海砂的建筑物、工业厂房及其它面临氯离子腐蚀的混凝土。Sika FerroGard阻锈剂不会因添加量少而加剧钢筋腐蚀（如亚硝酸钙），也不影响混凝土对钢筋的握裹力。阻锈剂的经济性评价当前混凝土阻锈剂市场比较复杂，产品种类繁多并且相同种类产品质量也相差很大。产品价格从每公斤几元到几百元不等，掺量也相差很大。一般来讲，高效质优的阻锈剂掺量一般较少，其对混凝土中钢筋的保护效果足以满足耐久性能要求。阻锈剂的技术经济性评价首要考虑其掺量、价格和单位成本，同时要考虑阻锈剂对混凝土拌合物性能、力学性能、耐久性能和长期性能的影响。只有在性能接近的情况下，不同阻锈剂的经济性比较才具有现实意义。除C80 PHC桩以外，槟城二桥的混凝土等级为C35、C40、C55，根据工程经验，假定不同等级混凝土使用的胶凝材料总量分别是：C35为400~420kg/m3；C40为420~450kg/m3；C55为450~500kg/m3，根据中国境内RI、Grace、Sika和Cortec经销商的产品报价，对不同等级混凝土配合比进行阻锈剂附加成本计算如下表6-11所示。表6-11 不同强度等级混凝土中掺加不同阻锈剂的经济成本产品名称生产厂家推荐掺量价格（¥/kg） 1m3不同强度等级混凝土的阻锈剂成本（¥） C35 C40 C55 RI 6~15kg/m3 33~ 33~ 33~ MCI 527 Sika 10~12kg/m3 18 180~216 180~216 180~216 Grace 10~30 L/m3 68~204 68~204 68~204 结论及建议如上所述，尽管没有统一理论解释阻锈剂作用机理，但是掺加某些类型的阻锈剂会提高混凝土的抗腐蚀性能。掺加阻锈剂的缺点主要体现为：一般会影响新拌混凝土和硬化混凝土的各种性能；一般需要调整混凝土配合比来满足性能要求；混凝土掺加阻锈剂的附加成本太高，即与其它混凝土耐久性技术措施相比，其性价比较低等。根据专题分析研究之“桥梁结构的寿命预测”结果，当混凝土施工质量达到设计要求时，马来西亚槟城二桥的设计保护层厚度能够确保结构达到120年的设计寿命。此外，马来西亚槟城二桥通过选用低水灰比高性能混凝土、严格限制胶凝材料用量和原材料质量、控制新拌混凝土氯离子含量、优化混凝土配合比、涂刷硅烷涂层等措施，来提高混凝土的致密性和施工质量，从而使混凝土结构满足耐久性设计120年要求。由于英国标准并不特别提倡使用阻锈剂，马来西亚目前使用钢筋阻锈剂的工程也很少，所以建议马来西亚槟城二桥结构混凝土是否掺加阻锈剂需要综合考虑经济成本等各个方面。如中国杭州湾东海大桥一样，当高性能混凝土的设计、施工、安装等方面均采用严格的技术措施并可获得优质混凝土时，掺加阻锈剂就不是提高混凝土耐久性的必须条件。混凝土桥梁的涂装保护表层外防护在BS 8500中作为混凝土结构五种附加防护措施之一被提出，可以通过在其表面涂刷防腐涂料来增强混凝土的耐久性。桥梁属于水工构筑物，经常受到水及其他腐蚀性介质的侵蚀。混凝土结构的外防护，虽然还没有提高到像钢结构防护那样普遍，但其有效性已经被证明。混凝土表面的涂装保护是一种较好的防腐保护措施，近年来发展迅速。因此，本研究认为，马来西亚槟城二桥在使用高性能耐久混凝土等相关提高耐久性措施的基础上，还有必要进行表面涂装保护。除了阻止水分携带侵蚀介质侵入混凝土外，也能减轻海洋生物、微生物对混凝土的腐蚀作用。涂料品种使用涂料对混凝土表面保护、防腐的主要目的因混凝土所处的环境，即混凝土可能受到的腐蚀性侵害的种类不同而有偏重，如表6-12所示[62]。表6-12 混凝土表面保护、防腐的主要目的及其适宜使用的涂料品种保护目的适宜于使用的场合适宜使用的涂料品种抵抗化学腐蚀化学工业、食品和油墨制造业、造纸业等环氧树脂类、聚氨酯类、聚脂类防水渗透污水处理厂、食品和油墨制造业，海堤，近海建筑和各种水工建筑等环氧树脂类、聚氨酯类、聚脂类、聚合物改性水泥基涂料、氯化橡胶类、沥青类、有机硅类等防止混凝土碳化各类混凝土建筑物、构筑物等各类丙烯酸类、环氧树脂类、聚氨酯类、局合物改性水泥基涂料等防氯离子渗透各类建筑物、海上构筑物等各类丙烯酸类、环氧树脂类、聚氨脂类、聚合物改性水泥基涂料、沥青类、有机硅类等防粘贴、防涂鸦各类城市公用建筑物环氧树脂、聚氨酯类等耐磨性海上构筑物、相关制造厂、废水处理场合有腐蚀性介质寝室的工业地面等环氧树脂、聚氨酯类、聚脂类等用于混凝土桥梁表面保护、防腐涂料，目前最主要品种为环氧树脂类和有机硅类涂料等，就这两类涂料作简单介绍。（1）环氧树脂类涂料环氧树脂类涂料很适合于混凝土的涂装，对涂料有很强的附着力，又具有很强的耐化学腐蚀性能。通常，采用液态环氧树脂、液态固化剂和高渗透性的溶剂来配制混凝土表面涂料。既能够向混凝土中渗透较高的深度而对混凝土起到增强作用，又能够保证涂料与基层的附着力。环氧树脂能够耐受高辐射的化学品，也能够承受在去离子水中的持续浸泡。用于混凝土表面保护环氧树脂类涂料有普通环氧涂料、稀释触变性液态环氧底漆和厚浆型环氧涂料等。 1）普通环氧涂料：普通环氧涂料为溶剂型涂料，其黏度相对较低，可涂装已经处理过的混凝土表面。配制时多选用较高分子量的环氧树脂，与通常用于钢材表面的环氧涂料相似。普通环氧涂料已经广泛用于混凝土表面。这类涂料能够满足混凝土表面涂装要求的耐碱性、相容性和附着力等。若配套以稀释底漆，则能够进一步提高渗透性，增强附着力。 2）稀释触变性液态环氧底漆：可以直接涂装于混凝土表面，并能够成为环氧罩面涂料的良好底涂层。稀释触变性液态环氧底漆与普通型环氧树脂类涂料配套使用。底漆由液态环氧树脂和高渗透性溶剂组成，能够渗透于混凝土中，几乎不会在混凝土表面留下涂膜，能够彻底浸润混凝土。总之，这类涂料可应用于任何的混凝土表面。可以耐受水的浸泡，中等腐蚀性化学品的浸泡。 3）厚浆型环氧涂料：也称腻子，由液态环氧树脂和催化剂以及细骨料配制而成，采取喷涂或刮涂施工。涂料中的液态环氧树脂的比例较高，能够有效地润湿表面并向混凝土内部渗透，从而能够得到较高的附着力。这类涂膜厚度可以达到～，能够完全消除混凝土表面的缺陷。能够弥补混凝土表面的缺陷，可单独使用，也可以与在其表面再涂装普通的环氧罩面涂料。（2）有机硅类涂料（硅烷浸渍剂）海港工程混凝土结构处于氯化物侵入的恶劣环境中，由于毛细管的吸收或扩散作用，使氯化物侵入混凝土中，这是混凝土结构中钢筋腐蚀的最重要原因之一。硅烷系液态憎水剂浸渍混凝土表面，即使这种憎水剂渗入混凝土毛细孔中的深度只有数毫米，但是，由于它与已水化的水泥发生化学反应，反应物使毛细孔壁憎水化，使水分和水分所携带的氯化物都难以渗入混凝土。除了公认的憎水性，硅烷也不会受到新浇混凝土碱性环境的破坏。硅烷渗入混凝土表面深处固化，形成有机硅树脂，分布在混凝土毛细孔内壁，甚至到达最小的毛细孔壁上，并和混凝土主体化学键合，形成保护层。硅烷还有很好的抗紫外线和抗氧化性能，硅烷能够提供长期持久的保护，具有涂料等其他产品无法达到的优异性能。特别是无溶剂的异丁烯三氯氧基硅烷单体，与其它硅烷系材料相比，它阻止水与氯化物被混凝土吸收的效果，特别是被孔隙率较低的混凝土建筑材料吸收的效果更加显著，更加持久（可长达15年，甚至更多时间）。这种施工简便、经济、长效的防腐蚀技术，最近成功地应用于跨波罗的海Storebelt桥的浪溅区的梁、板底侧面、澳大利亚悉尼海岸上的歌剧院屋顶、德国莱茵河口Flebe桥等结构。中国某港二期集装箱码头与护岸工程在浪溅区高性能混凝土梁体的侧面和底面上（4万m2），浸渍异丁烯三乙氧基硅烷也取得了有益的效果，实际调研结果显示离梁体编码深4mm处的硅烷含量平均值为%，氯化物渗入量的降低效果为94%，均满足有关标准的规定，硅烷生产供应厂家与施工单位共同保证其质量保证期为15年。涂料的性能要求（1）渗透性涂料向混凝土基层中的渗透对于涂料能够良好地附着于混凝土表面起着重要作用。涂料能够向混凝土表面渗透一定的深度，对涂料获得较长使用期限，较好地承受外部环境对混凝土破坏的能力具有重要作用。长期研究和实践表面，低分子量的液态环氧树脂、液态固化剂和高渗透性的溶剂相结合的体系被认为是最佳的混凝土涂装体系。（2）耐碱性涂料的耐碱性是在混凝土表面涂装时的最基本性能要求。由于混凝土的pH值处于12～13的范围内，任何可能与碱有反应的涂料都会影响涂料的附着力。涂料的耐碱性不良可能会引起涂膜的脱落。目前环氧树脂涂料是能够用于混凝土表面的耐碱性最好的涂料之一。（3）涂膜厚度用于混凝土表面的涂膜必须具有一定的厚度，除了向混凝土中渗透以外，在表面也必须达到一定厚度，以克服涂膜缺陷和混凝土表面的粗糙度。厚涂膜还有助于抵抗混凝土收缩的内应力，消除收缩裂纹。（4）柔韧性和延伸性混凝土的硬度比钢材低，脆性更是比钢材大。因而，混凝土表面用涂料最好应有一定的柔韧性和延伸性，以适应混凝土胀缩的体积变化。只有当涂料的韧性和渗透性结合在一起时，才能够产生高的附着力和耐磨性。（5）附着力当混凝土处于潮湿状态时，涂料则必须借助于渗透性和对混凝土表面的润湿来提高其与混凝土表面的附着力，以抵抗或承受混凝土内水压的增高。由于涂膜“被水压”的存在或涂膜浸入水中会引起涂膜的起泡，故涂膜必须与混凝土表面有强的附着力。涂料涂装的工艺要点（1）材料检测要求对于供应进场的涂料、喷砂使用的磨料、高压水的水质等均应按批量抽验，并按标书确定的合格指标判断可否投入使用，这是控制涂装质量的第一道把关口。（2）涂层施工前技术准备混凝土结构涂装前的主要技术准备内容详见表6-13. 表6-13 混凝土结构涂装施工前的技术准备要求处理方法检查方法在20℃、相对湿度65% 的条件下，混凝土需要至少28天的硬化期。等过了规定的硬化期之后，才开始申请进行涂装工程。请业主或混凝土承包商提供相关文件或资料。用磨料或高压水喷射法，除去混凝土表面的水浆、风化物、油污和劣化的混凝土等，然后用水淋洗，除去沉积物。用磨料或高压水喷射的方法，除去混凝土表面的水泥浮浆、风化物、油污和劣化的混凝土等，然后用水淋洗，除去沉积物。通过观察和使用锋利小刀检查。对有怀疑的区域，建议先进行小面积试验。混凝土表面无风化物（白色沉积物）出现白色沉积物的小区域，应用机械清除或用10%盐酸溶液按以下步骤处理： ①用清洁水浸透表面。 ②用10%盐酸溶液处理。 ③用高压水大面积冲洗（最小 150×105Pa ）。通过观察来检查。风化物是在混凝土硬化过程中形成的水溶性盐，通过水由混凝土内部带出表面。混凝土内的水含量小于4%。如果水含量大于4%，不进行涂装工程。需要专用的检测仪器。混凝土的抗张强度最小要有： =114 psi （墙体和天花板） =261 psi （地板和箱等受压构件）油漆说明书都会把混凝土适宜的抗张强度要求列作必要条件。请业主或混凝土承包商提供相关文件或资料。钢筋保护层厚度规定如下: 户内构件：最小10mm 短期户外构件：最小20mm 长期户外构件：最小30mm 如在恶劣环境下，例如，40℃、相对湿度约60%，则钢筋保护层厚度至少要加厚5倍。如混凝土钢筋保护层太薄，任何油漆配套都难以起到好的保护效果。对于又陈旧又薄的混凝土钢筋保护层，容易引起油漆的分层剥落。使用一种叫“Covermeter”或“Profometer”等类似的磁力仪器测量混凝土覆盖层的厚度。（3）涂层施工工艺 1）表面处理严格的表面处理是决定混凝土结构涂层寿命诸多因素中的首要因素。表面处理不但要形成一个清洁的表面，以消除混凝土施工后表面粉尘，临时砂浆，残余的脱模剂等等容易使漆膜附着力失误的隐患，而且要使该表面的粗糙度适当，以增加涂层与基体间的附着力。而喷砂，高压水冲刷，砂轮打磨等等，迄今仍是混凝土涂装前表面处理的最常用的工艺选择。 2）涂层施工工艺要点施工人员在涂装前，应认真阅读项目规范的每个系统的涂装工艺文件。了解结构构件各部位的涂料配套。学习指定的涂料产品说明书及其施工指导。质量不合格的油漆不能投入使用，所有油漆须报验合格后方可使用。禁止将不同品种、不同牌号和不同厂家的涂料混掺调用。对于将要喷涂的混凝土表面需报验并确认其清洁度、合格后方可涂装。确认施工现场环境和相对湿度符合所用的涂料产品说明书所规定的范围，并做好涂装环境条件的记录备查。检查每道油漆的准备和使用，包括油漆的型号、批号、色号、数量等；分清所用涂料的干燥类型，特别要注意双组份油漆的施工，包括固化剂和基料的混合比例、混合使用时间及固化剂的品牌随季节变化而变化的规定；正确使用稀释剂，注意随施工环境温度、湿度的变化而随时调整油漆的施工粘度，防止干喷和流挂。上、下道油漆工序的间隔时间，要求严格遵守涂料产品说明书上所规定的重涂间隔时间。双组分涂料每次调配的数量要同工作量、涂料的混合使用时间和施工人力、作业班次相适应，太多或太少均不利于施工。混合比例要准确，按涂料供应商产品说明书中规体积比（或重量比）混合加入。检查调整每道油漆施工设备、工具。做到配备齐全，并保证其在最简便、最佳施工条件。喷漆前做好预涂。双组分涂料所用的喷枪，在每次喷涂完工后，要及时用配套稀释剂清洗喷枪和管路，以免涂料胶化而堵塞。要注意涂料的存放、开启和使用前的混合、搅拌等具体要求。加强施工现场检测，特别是在涂装过程中要不断检测调节每道油漆的湿膜厚度，以控制干膜厚度，控制涂层系统的总干膜厚度。此外，随时目测每道油漆在成膜过程中的外观变化，注意有无漏喷、流挂、针孔、气泡、色泽不均、厚度不匀等异常情况，并在涂料供应商的技术服务人员的指导下，随时调节、及时修补，并做好纪录。（4）涂层施工现场管理重要性大型工程项目涂装现场需要严格的现场管理。主要内容包括人员培训、工艺与工艺纪律、质量控制、材料定额管理、吊装与运输、工具与装备、涂装环境控制等。此外，应按照标准（如GB 7692、GB 6514）的要求，加强涂装现场文明生产、消防、卫生、安全等管理工作。应根据选用的涂料特征，按照涂料的施工要求进行涂装。（5）涂装质量控制涂装质量控制对于保证工程质量是很重要的。在涂装过程中应注意如下的一些质量控制项目。 1）混凝土强度和基层完整性，强度符合相关要求；应修补存在的空鼓、气孔、裂纹和浮浆；对于旧混凝土表面应除去表面风化物、泥浆、沙粒和油污等。 2）混凝土硬化期，在温度为20℃，相对湿度65%的条件下不少于28天，温度低时应适当延长养护期。 3）施工条件，含水率应小于6%；相对湿度小于85%；温度小于40℃；底材表面温度至少高于露点温度3℃。 4）涂料混合和稀释，按规定比例进行混合，稀释剂用量不超过工艺规范的要求。 5）喷涂施工和干燥重涂，按照说明书要求和工艺规范进行。 6）涂膜厚度，规定单位面积上的涂料用量（预先计算出施工面积和涂料用量），或者采用试板测量法计算（采用电子干涂膜测厚度仪）。混凝土表面的涂膜厚度控制与钢材表面不同，不能采用常用的干膜测厚仪测厚。涂料相对于一定的干膜厚度，其用量也是一定的，在实际施工过程中，涂料会有很大损耗，这取决于基层表面的粗糙度，喷涂时的气候情况，结构的几何形状、涂膜的分布，喷漆泵、喷漆管和涂料桶内的合理损耗，以及施工时的浪费等因素。计算涂料用量时必须将损耗计入。 7）涂膜外观，要求平整光滑、色泽均匀，无针孔、漏喷、色差和橘皮等涂膜病态。桥梁混凝土的涂料配套体系桥梁混凝土根据其结构部位的不同有多种涂装配套体系可供选择。通过调研国内外相关混凝土桥梁的防护涂装方案，作如下小结。一般地说，用于大气中结构部位（包括箱梁结构、帽梁、桥塔以及引桥桥墩等）可以选择的涂装配套体系有以下几种[9]。大气中结构部位涂装配套体系1：直接涂刷一定厚度的硅烷浸渍剂（一道或两道）。大气中结构部位涂装配套体系2：环氧封闭漆（30µm）+环氧厚浆型封闭漆（2×60µm）+氯化橡胶调和腻子（1000µm）+氯化橡胶面漆（2×40µm）。大气中结构部位涂装配套体系3：环氧封闭漆（一道）+厚浆环氧漆（100µm+80µm）+丙烯酸厚浆面漆（2×40µm）。用于桥墩部位的浪溅区和水位变动区的混凝土结构可以选择的涂装配套体系有以下几种：桥墩浪溅区和水位变动区涂装配套体系1：环氧封闭漆+厚浆环氧漆（2×100µm）+丙烯酸厚浆面漆（100µm）。桥墩浪溅区和水位变动区涂装配套体系2：环氧封闭底漆+无溶剂环氧腻子+无溶剂环氧涂料（两道）。建议的解决方案根据在马来西亚进行的实地调研考察，目前在马来西亚的混凝土桥梁结构中进行涂装外防护的实例相对较少。在与当地工程建设机构与高校研究院所的交流中也再次证实了这一观点，并了解到在马来西亚的混凝土桥梁中有采用涂装外防护的具体工程中，主要采用环氧类涂料和硅烷类涂剂两种类型，环氧类涂料的采纳程度和使用效果更好。现结合马来西亚槟城第二大桥所在地——槟城的实际气候与水文条件，以前述的技术调研为依据提出针对槟城二桥的混凝土涂装外防护的建议性解决方案（见下表），该方案是适合当地实际情况，并可以有效的提高桥梁混凝土结构的耐久性。表6-14 建议涂装方案桥梁混凝土部位建议选用涂装材料选用理由备注大气区硅烷浸渍剂价格低廉，操作简便，提高使用耐久性能。在混凝土结构表面涂刷覆盖。浪溅区环氧涂层体系a 有效防护，工艺成熟，价格合理，有效提高使用耐久性能。结合实际情况，上限可向上延伸富余。水位变动区环氧涂层体系a 同上结合实际情况，下限可向下延伸富余。水下区在混凝土结构拆模时喷涂有机成膜养护剂b 临时性保护性措施，经济合理。防止拆模后，混凝土结构过早接触海水，有害介质侵入混凝土内部，影响使用寿命。注：a. 浪溅区与水位变动区可以采用相同的环氧涂层体系，便于施工，且完全可以符合要求，具体的建议参考涂装体系配套方案见表6-15、表6-16（配合某国际知名涂料厂商共同提出）；b. 混凝土有机养护剂，喷涂在混凝土表面，迅速形成覆盖薄膜，同时与混凝土面层的游离氢氧化钙作用，在层内形成致密坚硬的表层。由此阻止混凝土中水份的蒸发，使水泥充分水化而达到自养的目的。有利的性能：1. 具有良好的成膜、保水性能；2. 养护的混凝土强度与湿麻袋覆盖养护的混凝土强度相当；3. 对混凝土干缩无不良影响；4. 养护后，喷涂表面不需清洗，日久自行脱落消失，不影响混凝土表面装饰；5. 无毒、无臭、对人体无害。表6-15 环氧漆涂层配套1 涂层油漆类型干膜厚度（μm）封闭层环氧封闭漆按混凝土表面灵活掌握腻子层环氧腻子用于填坑、找平底面合一超强环氧漆 350-500 总计 350-500 表6-16 环氧漆涂层配套2 涂层油漆类型干膜厚度（μm）腻子层环氧腻子用于填坑、找平底面合一超强环氧漆 200 底面合一超强环氧漆 300 总计 500 桥梁结构的寿命预测对重要建筑物的使用寿命进行评估与预测，是耐久性设计的一项重要内容。在有关的耐久性设计指导中明确指出：“对于可能遭受氯盐引起钢筋锈蚀的重要混凝土工程，宜根据具体环境条件和材料劣化模型，进行结构使用年限的验算。”寿命预测对所采取的耐久性设计方案是否能够满足设计年限要求的检验，以确保耐久性方案的有效性。海洋环境中的混凝土结构，在建设之初进行耐久性预评估和寿命预测分析，是具有重要的实际意义。首先，为工程初步设计提供重要参考依据，做到有的放矢，是确保工程安全和达到使用寿命的第一步；其次，是在保证达到工程使用寿命的前提下，降低其生命周期维护成本。欧洲和北美等发达国家的经验表明，桥梁等基础设施工程结构的裂化、损坏严重，维护和修复这些结构所需要的费用大大超过了新建的工程费用。本专题针对马来西亚槟城二桥跨海大桥，对其混凝土结构重要且不宜修复的部位，如：承台、桥墩和箱梁等，进行氯离子侵蚀环境下的耐久性评估和使用寿命预测分析。氯离子侵蚀导致混凝土结构的失效破坏过程钢筋锈蚀是混凝土结构破坏的最主要原因。在海洋环境中，氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀是最重要的劣化因素。因此，耐久性设计的最主要任务是防止和抑制氯离子对混凝土结构的侵蚀。可见，氯离子侵蚀是桥梁结构使用寿命的决定性因素，寿命预测势必以氯离子侵蚀钢筋混凝土为基本前提。氯离子引起的混凝土结构破坏过程一般分为两个阶段，如图6-5所示：1）初始阶段，氯离子透过混凝土保护层，不断在钢筋表面积聚，当其浓度超过临界值后，钢筋开始腐蚀；2）钢筋腐蚀发展阶段，钢筋开始腐蚀后，腐蚀产物膨胀积聚，会使保护层开裂，一旦出现裂缝，腐蚀速度加快，导致钢筋截面不断减小及强度降低，同时伴有混凝土保护层剥落的现象。图6-5 氯离子侵蚀环境下混凝土结构的损伤破坏过程与寿命预测相关的问题氯离子的来源与氯离子扩散系数氯离子除了来自混凝土的各种原料外，还来自于外界环境。严格检测和控制混凝土的各种原材料的氯盐含量，可以将混凝土内部的氯离子浓度降低到足够安全的程度。而外界环境的氯离子则一般无法消除。跨海大桥必然要经受来自海水中氯离子的侵蚀。氯离子会通过混凝土表面的吸附、渗透、扩散、毛细吸附等各种途径侵入混凝土内部。在1972年，Collepardi首次采用菲克第二扩散定律来描述氯离子沿混凝土深度方向上的分布情况，将各种侵入作用均等效为扩散作用，取得了极好的相关性。此后，大多数数学模型都是基于菲克第二扩散定律来模拟或预测氯离子侵入混凝土的过程，如：Duracrete、Life365、DuCOM和Clinconc等著名的预测模型。氯离子扩散系数是用来反映混凝土对氯离子侵蚀抵抗能力的一个重要参数。扩散系数越小，抵抗侵蚀的能力就越强。目前测量混凝土扩散系数的方法有很多，在耐久性评估和寿命预测分析中，普遍认可的是北欧NT Build 443推荐的浸泡法回归得到的表观扩散系数和唐路平教授提出的RCM（CHT）快速测量方法得到的Dnssm或DRCM（NT Build 492）。扩散系数与很多因素有关，如温度越高，扩散系数越大；时间越长（水化程度越高），扩散系数越小；水胶比越小，扩散系数越小；另外，掺加矿渣、硅粉等矿物掺合料会降低混凝土的扩散系数。氯离子的结合一般认为，只有游离（自由）氯离子对混凝土中钢筋锈蚀产生作用，而结合氯不产生作用。由于混凝土成分与氯离子产生结合或水化产物吸附氯离子，将影响氯离子在混凝土中的传输，从而对钢筋锈蚀和结构使用寿命产生影响。结合有两种方式，一种是被化学结合生成新的水化物，另一种是被物理吸附。无论如何，氯离子结合会降低氯离子在混凝土中的传输速度，减少到达钢筋并积聚的数量。混凝土的组成以及不同的水化产物对氯离子的结合能力不同。例如分别用普通硅酸盐水泥和矿渣水泥配制的混凝土，其结合氯离子的能力有较大差异。临界浓度与表面氯离子浓度氯离子经过混凝土保护层侵入钢筋表面，积累到一定浓度时就会引起钢筋锈蚀，这个引起钢筋开始锈蚀的氯离子浓度称之为临界氯离子浓度。许多研究报道了引起钢筋脱钝的临界值，但试验结果各不相同，这是由于影响因素众多，如：混凝土成分、水泥类型、掺合料、温度、钢筋表面、阻锈剂等条件。氯离子临界浓度一般有以下几种表示方法： 1）以混凝土质量表示的总氯离子量； 2）以水泥质量表示的总氯离子量； 3）以水泥质量表示的自由（水溶性）氯离子量； 4）孔隙溶液中的Cl-/OH-的值。表面氯离子浓度是影响其向混凝土内部扩散的驱动力，表面浓度越高，钢筋表面达到临界锈蚀状态的时间就越早。海洋环境中混凝土结构不同部位，有不同的表面氯离子浓度。如水下区和浪溅区的混凝土表面氯离子浓度随着时间的增长而增加。暴露于海上大气区的混凝土桥墩随着高度和方向的不同，有着不同的表面氯离子浓度，背风面比迎风面有更高的氯离子浓度。 Life365建议初步设计计算的混凝土表面氯离子浓度可采用下表中的数值。表6-17 海工混凝土表面氯离子浓度（占混凝土重量百分比）结构部位表面氯离子浓度的积累速度（%/年）最大表面氯离子浓度（%）潮差区即时的浪溅区海岸800m内海岸1500m内裂缝的影响混凝土抵抗氯离子的侵蚀，裂缝的宽度是一个重要影响因素。一般来讲，裂缝宽度越大，越容易导致有害因子的侵入，会使其中钢筋的锈蚀开始时间提前。根据ASTM1202的定义，开裂的高强混凝土（69～79MPa），在裂缝宽度小于时都具有较低的氯离子渗透性。预应力构件在作用的频遇组合（短期效应组合）时的混凝土拉应力限制系数和钢筋混凝土构件在作用的准永久组合（长期效应组合）时的最大裂缝宽度，不得超过下表规定的限值。表6-18 混凝土拉应力限制系数及最大裂缝宽度限值构件类别钢筋种类大气区浪溅区水位变动区水下区预应力混凝土冷拉Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级 = = = = 碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋、Ⅱ650级、或Ⅱ800级冷轧带肋钢筋 = 不允许出现拉应力 = = 钢筋混凝土 Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级钢筋和Ⅱ550级冷轧带肋钢筋 mm mm mm 通过结构设计和相关构造措施，并选择合理的原材料，按照正确的配合比配制的混凝土，在正常施工和正确的养护措施下，可以做到消除混凝土可见的宏观裂缝。实际调查和研究的结构表明，细微的不可见微裂缝不会明显影响到混凝土的使用寿命。因此，基于氯离子侵蚀的混凝土结构寿命预测可以按照无裂缝的假设进行。寿命预测方法简介目前，在预测新建混凝土结构的使用寿命和现有混凝上结构剩余使用寿命中，常采用以下几种方法：（1）基于经验的预测方法这是基于实验室或实地测试和有经验的专家判断，以及以往知识、经验累积的一种半定量预测方法。目前的一些规范和标准实际上也是这样来估计寿命的，认为如果混凝土结构能严格按标准去设计施工，将会具有所需的寿命。当设计寿命较短，而且服役条件不太严酷，混凝土可以按设计寿命服役。但是当设计寿命较长，或遇到新情况，或将要用到新的混凝土材料，这种方法将不能对服役寿命做出可信的判断。（2）基于性能比较的预测方法基于性能比较的方法还没有普遍地应用于实际工程，但是随着老龄化结构数目的增加，这种方法有其广泛应用的前景。这种方法假定混凝土在某一期限内是耐久的，那么相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。但问题是由于材料、几何尺寸、施工现场等的不同，每一个混凝土结构都会有其独一无二性；而且经过多年后，混凝土材料的性质也发生了变化，如今天的普通水泥比四十年前磨得更细，为了增加早期强度，使得需要使用比以前更少灰浆的混合料和采用更低的水灰比。另外，由于混凝土结构处于不同的微观气候下，这对混凝土的耐久性可能会有不可预计的结果，所以不能简单地通过比较来估计混凝土结构的使用寿命。（3）快速试验预测方法快速试验通过施加高压力或浸泡在高浓度的侵蚀物质中，在较高的温度和湿度下来加速混凝土结构退化的过程。如果快速试验能合理地设计、实施并对实验数据加以处理，就能够对混凝土性能和寿命提供一个合理的预测。其要求在于快速试验中的退化机制与实际使用条件下的退化机制是相同的。快速试验的困难在于缺乏混凝土在役性能方面的长期数据，但至少可以用来解决预测使用寿命的数学模型问题。（4）数学模型预测方法采用数学模型预测使用寿命是目前较多使用的方法，其基本原理是认为钢筋混凝土结构的失效是由于氯离子侵蚀或碳化作用引起的钢筋锈蚀。而对于氯离子侵蚀，认为扩散是氯离子侵蚀过程的主导方式，以菲克定理作为描述扩散过程的数学表达，可以建立混凝土结构寿命预测的方法。预测的可靠程度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性有关。模型需要参数的选取，如按海洋结构距离海岸线的距离横向划分环境条件，以及按纵向高度划分海洋结构的不同环境条件（涉及表面浓度、临界浓度等参数的选取），见表6-19。预测使用的数学方法有确定性方法和随机方法之分。前者是将影响结构使用寿命的各因素均作为确定的量值，由此得到的寿命预测结果只能是均值意义上的使用寿命。在耐久性评估中，无论采用哪一种寿命准则，由于影响结构使用寿命的各因素都是随机变量，甚至是随时间变化的随机过程。如混凝土保护层厚度经实测统计是符合正态分布的随机变量，当由于混凝土腐蚀或钢筋锈蚀而使混凝土保护层剥落时，甚至是随机过程。临界氯离子浓度是符合正态分布的随机变量，扩散系数也是随机变量。因此采用概率方法进行结构的耐久性评估与寿命预测显然是较为合理的。表6-19 海水环境混凝土部位划分掩护条件划分类别大气区浪溅区水位变动区水下区有掩护条件按港工设计水位设计高水位加以上大气区下界至设计高水位减之间浪溅区下界至设计低水位减 m之间水位变动区以下无掩护条件按港工设计水位设计高水位加（+）以上大气区下界至设计高水位减之间浪溅区下界至设计低水位减 m之间水位变动区以下按天文潮潮位最高天文潮位加倍百年一遇有效波高以上大气区下界至最高天文潮位减百年一遇有效波高以上之间浪溅区下界至最低天文潮位减倍百年一遇有效波高以上水位变动区以下注：①值为设计高水位时的重现期50年（波列累积频率为1%的波高）波峰面高度； ②当浪溅区上界计算值低于码头面高程时，应取码头面高程为浪溅区上界； ③当无掩护条件的海港工程混凝土结构无法按港工有关规范计算设计水位时，可按天文潮潮位确定混凝土的部位划分。图6-6表示混凝土结构耐久性寿命的失效概率和目标使用寿命的示意图。图6-6 失效概率与目标使用寿命模型的选用与说明耐久性设计是20世纪80年代以来研究发展的结果，当时认为服务年限只能是一个随机数值，荷兰TNO证明对于各种材料，正确的设计决策可以使服务年限的随机性质转化为可计算的。如前所述，氯离子侵蚀环境中，混凝土结构的耐久性寿命预测模型有Duracrete、Life365、DuCOM和Clinconc等。混凝土结构的耐久性设计根据是： 1）根据结构破坏形式，实际和准确地定义环境作用（海洋环境：水下区、潮差区、浪溅区和大气区）。 2）混凝土和钢筋的材料参数（主要是混凝土的抗氯离子渗透性能和钢筋保护层厚度）。 3）结构劣化过程的数学模型（基于Fick第二扩散定律及其解析解）。 4）以极限状态表示的现场结构性能（这里将耐久性极限状态定义为混凝土中钢筋开始发生锈蚀，即：混凝土表面氯离子浓度达到临界值）。 5）可靠度（根据EC1和NEN6700的数据，为～，这里取）。根据并综合目前的调查文献资料，本专题的耐久性寿命预测将采用随机概率方法。模型及参数的选取综合考虑了Duracrete的《General Guidelines for Durability Design and Redesign》报告和统计资料。基于菲克第二扩散定律的解析解如式（1）所示：（1）式中： x——混凝土保护层厚度，设计值； C（x，t）——t时刻，混凝土保护层深度（钢筋表面）的氯离子浓度； C0——混凝土内部的初始氯离子含量； Cs——混凝土表面氯离子浓度； erf——误差函数； D——氯离子扩散系数； t——暴露时间。本专题确定的模型，除了式（1）中的基本因素（初始氯离子含量、扩散系数、保护层厚度、混凝土表面氯离子浓度、暴露时间）以外，还考虑养护条件、环境条件、扩散系数随时间的衰减、龄期比较系数（由于混凝土的抗氯离子渗透性能是以84d龄期表示的，而养护龄期为28天）等因素的影响，这样。基于（1）式，得到的钢筋表面氯离子浓度随时间的修正计算模型为：（2）式中： ——混凝土表面氯离子浓度； ——混凝土中的初始氯离子含量； ——钢筋保护层厚度； ——氯离子扩散系数，可以用RCM试验来表示； ——环境系数； ——养护系数； ——龄期比较系数； ——龄期系数； ——暴露时间； ——混凝土养护龄期。当混凝土中的钢筋表面氯离子浓度达到其锈蚀的临界值后，钢筋就有发生锈蚀的可能。模型中，各分项系数的特征值取值具体如下： 1）养护系数，见表6-20所示。表6-20 养护系数特征值变量条件特征值单位 3d养护 - 7d养护 - 28d养护 - 说明：在Duracrete模型中，28天养护的养护系数取值为，这里为安全起见，将28天养护的养护系数特征值取值为。 2）环境系数，见表6-21所示。表6-21 环境系数特征值变量条件特征值单位矿渣水泥水下区 - 矿渣水泥潮差区 - 矿渣水泥浪溅区 - 矿渣水泥大气区 - 说明：槟城二桥的混凝土拟采用矿渣水泥作为胶凝材料，下同。 3）混凝土表面氯离子浓度特征值，见表6-22。表6-22 表面氯离子浓度的特征值变量条件特征值单位矿渣水泥水下区胶凝材料质量的% 矿渣水泥潮差区胶凝材料质量的% 矿渣水泥浪溅区胶凝材料质量的% 矿渣水泥大气区胶凝材料质量的% 说明：工程当地的的海水氯离子浓度为%，假定单方混凝土中的胶凝材料用量为400kg/m3，认为同体积中混凝土的氯离子含量和海水的氯离子含量相同，那么表面浓度就为 4）氯离子侵入的龄期系数，见表6-23。表6-23 龄期系数的特征值变量条件特征值单位水下区 - 潮差区与浪溅区 - 大气区 - 说明：随着混凝土成熟度的增加，混凝土的抗氯离子渗透性能，即氯离子扩散系数会随着时间的增长而成指数式衰减。在Duracrete模型中，该参数在潮差区和浪溅区取值为，在水下区取值为，在大气区则取值为。由此可见，本专题的取值在水下区和大气区略为保守。 5）临界氯离子浓度，见表6-24。表6-24 临界氯离子浓度特征值变量条件特征值单位 Clim 矿渣水泥，普通钢筋混凝土胶凝材料质量的% Clim 矿渣水泥，普通钢筋混凝土胶凝材料质量的% 说明：根据文献和调查资料，混凝土中钢筋开始发生锈蚀的临界浓度与混凝土材料、环境条件、钢筋表面条件等因素有关。中交集团的刘秉京教授[1]统计的资料表明，矿渣水泥混凝土的锈蚀临界浓度为%～%，Duracrete认为普通水泥混凝土的钢筋表面氯离子浓度达到%时，有50%的可能发生锈蚀。综合多方面观点，保守取值为%，而预应力钢筋混凝土的临界浓度仅为混凝土中氯离子含量限值（%）的2倍：%（占胶凝材料重量）。 6）龄期比较系数，见表6-25。表6-25 龄期比较系数特征值变量条件特征值单位当龄期系数n为时 - 当龄期系数n为时 - 当龄期系数n为时 - 说明：RCM的氯离子扩散系数试验是基于84天龄期的。如果采用84天龄期得到的扩散系数计算是偏于危险的，前面提到，混凝土的氯离子扩散系数会随着龄期的增长而成指数式衰减（指数就是值），这样在28天龄期时，（84/28）的次方为，（84/28）的次方为，（84/28）的次方为。基于上述确定的模型的参数选取方法，本专题采用拟蒙特卡罗（quosi monte－carlo）方法进行模拟计算。根据随机变量的分布特征，对其进行的离散化，以保护层厚度服从正态分布，均值为，标准差为为例，对其概率密度进行等间距划分，每个间距的中心点作为该划分区域的代表值，本区域的概率密度函数面积为其对应的概率值，如图6-7所示。图6-7 随机变量的离散化（以保护层厚度均值为45mm，标准差为为例）将随机变量离散化后，根据功能函数（式3），输入相应的确定性变量值，可根据图5所示拟Monte－Carlo方法计算不同时间年限对应的失效概率。（3）失效概率与对应的可靠度指标（β）可根据式（4）进行转换。（4） EC1给出的混凝土中钢筋开始发生锈蚀作为使用极限状态对应的可靠度指标（β）为，NEN6700给出的可靠度指标为，本专题确定的可靠度指标为，即对应的失效概率为5%，换句话说，耐久性的可靠保证率为95%。图6-8 拟Monte－Carlo计算流程图计算与分析槟城二桥混凝土耐久性参数初步设定的参数（1）控制混凝土的密实度，见表6-25。表6-25 槟城二桥混凝土抗氯离子渗透性能指标部位强度等级氯离子扩散系数（10-12m2/s）抗氯离子渗透性标准试验（C）备注钢桩填芯 C35 ≤ ≤1500 水下区承台 C40 ≤ ≤1200 浪溅区墩身 C55（主桥） ≤ ≤1000 浪溅区，现浇 C40（引桥） ≤ ≤1000 浪溅区，现浇支座垫石 C40 ≤ ≤1000 大气区梁体 C55 ≤ ≤1000 大气区注：混凝土氯离子扩散系数检测法按RCM快速非稳态电迁移法（12W龄期），电通量参考指标为56天龄期指标。（2）控制混凝土的保护层厚度，见表6-26。表6-26 槟城二桥混凝土保护层厚度位置混凝土强度等级保护层厚度（mm）钻孔桩 C40 75 PHC桩 C80 60 承台 C40 75（底面），65（其他表面）墩身 C40 55 桥台 C40 75（底面），65（其他表面）预应力混凝土箱梁 C55 40（外表面），30（内表面）防撞护栏 C40 50 承台、桥墩和箱梁等主要部位的耐久性寿命计算以本专题所采用的模型（式2）为基础，针对承台、桥墩和箱梁等主要且不易更换或修复的部位，采用随机概率方法进行寿命预测分析。分别计算处于水下区、潮差区和浪溅区的承台部位（除底面外，底面的保护层厚度比其它表面高10mm）；浪溅区的桥墩部位以及大气区的箱梁部位对应的确定性耐久性寿命，均使用矿渣水泥。共设5种工况，见表6-27。表6-27 耐久性寿命分析的工况设定序号结构部位环境条件水泥类型 1 承台水下区矿渣水泥 2 承台潮差区矿渣水泥 3 承台浪溅区矿渣水泥 4 桥墩浪溅区矿渣水泥 5 箱梁大气区矿渣水泥在随机概率寿命预测中，选取9个随机变量：混凝土中的初始氯离子含量（均值取值为标准规定的限值），混凝土保护层厚度、氯离子扩散系数、环境系数、养护系数、龄期系数、临界浓度、混凝土表面浓度和龄期比较系数。所有随机变量均假定为服从正态分布，标准差为均值的1/10，即变异系数为。确定性变量为混凝土的养护龄期，即28d，相当于年。 1）工况1：承台，水下区参数的选取和设定见表6-28，可靠度计算结果见图6-9。表6-28 工况1参数设定序号变量单位均值标准差分布类型 1 初始氯离子含量 % 正态分布 2 保护层厚度 mm 65 正态分布 3 扩散系数 10-12m2/s 正态分布 4 临界浓度 % 正态分布 5 龄期系数 - 正态分布 6 表面氯离子浓度 - 正态分布 7 环境系数 - 正态分布 8 养护系数 - 正态分布 9 龄期比较系数 - 正态分布图6-9 水下区承台的耐久性寿命可靠度 2）工况2：承台，潮差区参数的选取和设定见表6-29，可靠度计算结果见图6-10。表6-29 工况2参数设定序号变量单位均值标准差分布类型 1 初始氯离子含量 % 正态分布 2 保护层厚度 mm 65 正态分布 3 扩散系数 10-12m2/s 正态分布 4 临界浓度 % 正态分布 5 龄期系数 - 正态分布 6 表面氯离子浓度 - 正态分布 7 环境系数 - 正态分布 8 养护系数 - 正态分布 9 龄期比较系数 - 正态分布图6-10 潮差区承台的耐久性寿命可靠度工况3：承台，浪溅区参数的选取和设定见表6-30，可靠度计算结果见图6-11。表6-30 工况3参数设定序号变量单位均值标准差分布类型 1 初始氯离子含量 % 正态分布 2 保护层厚度 mm 65 正态分布 3 扩散系数 10-12m2/s 正态分布 4 临界浓度 % 正态分布 5 龄期系数 - 正态分布 6 表面氯离子浓度 - 正态分布 7 环境系数 - 正态分布 8 养护系数 - 正态分布 9 龄期比较系数 - 正态分布图6-11 浪溅区承台的耐久性寿命可靠度 4）工况4：桥墩，浪溅区参数的选取和设定见表6-31，可靠度计算结果见图6-12。表6-31 工况4参数设定序号变量单位均值标准差分布类型 1 初始氯离子含量 % 正态分布 2 保护层厚度 mm 55 正态分布 3 扩散系数 10-12m2/s 正态分布 4 临界浓度 % 正态分布 5 龄期系数 - 正态分布 6 表面氯离子浓度 - 正态分布 7 环境系数 - 正态分布 8 养护系数 - 正态分布 9 龄期比较系数 - 正态分布图6-12 浪溅区桥墩的耐久性寿命可靠度 5）工况5：箱梁（预应力），大气区参数的选取和设定见表6-32，可靠度计算结果见图6-13。表6-32 工况5参数设定序号变量单位均值标准差分布类型 1 初始氯离子含量 % 正态分布 2 保护层厚度 mm 40 正态分布 3 扩散系数 10-12m2/s 正态分布 4 临界浓度 % 正态分布 5 龄期系数 - 正态分布 6 表面氯离子浓度 - 正态分布 7 环境系数 - 正态分布 8 养护系数 - 正态分布 9 龄期比较系数 - 正态分布图6-13 大气区箱梁的耐久性寿命可靠度这5种工况随着时间的推移，耐久性失效概率和对应的可靠度指标分别如表6-33和表6-34所示。表6-33 5种工况对应的失效概率时间耐久性失效概率（%）（年）承台（水下区）承台（潮差区）承台（浪溅区）桥墩（浪溅区）箱梁（大气区） 10 0 0 0 0 20 0 30 0 40 50 60 70 80 90 100 110 120 表6-34 5种工况对应的可靠度指标时间耐久性寿命可靠度指标（年）承台（水下区）承台（潮差区）承台（浪溅区）桥墩（浪溅区）箱梁（大气区） 10 #NUM! #NUM! #NUM! #NUM! 20 #NUM! 30 #NUM! 40 50 60 70 80 90 100 110 120 注：上述的计算（包括确定性计算和随机概率计算）是偏于保守的，具体是由于：（1）混凝土中的初始氯离子含量是以标准规定的最大限定值来计算的，实际应低于该值；（2）对于矿渣水泥混凝土而言，钢筋开始发生锈蚀的氯离子临界浓度取值偏低；（3）没有考虑混凝土本身结合氯离子的能力，是以总盐（酸溶性）来分析计算的；（4）实际上，钢筋表面的氯离子浓度达到临界值后仍有6～8年的脱钝时间，钢筋才开始锈蚀；（5）若实际的混凝土电阻（500Ω(m）可以延长钢筋开始锈蚀的时间围20～30年。尽管参数的选定偏于保守，从随机概率计算结果可以看出：桥梁设定的耐久性参数（氯离子扩散系数和保护层厚度），对于箱梁（处于海洋大气区）、桥墩（处于浪溅区）和承台（水下区、潮差区和浪溅区）等重要不易更换的结构部位，120年对应的可靠度指标均超过，满足耐久性设计要求。类似工程对比 “7案例研究”介绍世界上已经完成设计使用年限超过100年的桥梁工程情况与耐久性设计方案。它们是丹麦的大贝尔特工程、连接丹麦和瑞典的厄勒海峡大桥、加拿大联盟大桥和中国的杭州湾大桥大桥。根据对四座类似桥梁（除了中国的杭州湾大桥，其余三座桥梁处于寒冷地带，有抗冻性能要求）的耐久性参数和方案措施对比，不难发现：最大水胶比和最小（最大）胶凝材料用量的控制基本相当；混凝土的抗氯离子渗透性能也基本相当，中国的杭州湾大桥的控制参数也是84天的RCM试验得到的氯离子扩散系数；相比较而言，槟城二桥初步设计方案的钢筋保护层厚度偏低，特别是承台部位的保护层厚度薄10～15mm，建议承台部位的底面采用保护层厚度为90mm，其它表面的保护层厚度取值为75mm，桥墩的保护层厚度取值为60mm。浪溅区、潮差区和水下区的混凝土水胶比由~这个范围降低到~内。为达到较好的抗氯离子渗透性能，在混凝土材料的配置上，应采用双掺或三掺矿物掺合料的高性能混凝土，同时应做好早期裂缝和施工质量的控制和管理。此外，处于氯离子侵蚀环境比较严重的混凝土桥梁结构部位，如承台、桥墩和PHC桩，还应采用外防护技术或者其他辅助措施。小结综上论述与分析，为使承台等重要的混凝土结构部位满足设计要求的120年寿命，有以下几点建议： 1）严格控制施工质量。 2）承台、桥墩采用双掺或三掺矿物掺合料的矿渣水泥高性能混凝土。 3）为了达到更高的可靠度，建议适当增加保护层厚度5～10mm。 4）建议采用外防护涂层等辅助措施。案例研究在此选取一些在海洋环境中建造高耐久性钢筋混凝土桥梁的实例，以资借鉴。大贝尔特工程耐久性典型措施大贝尔特连线是连接丹麦本土的一项大型交通工具，包括两座大桥和一条隧道，业主要求： 1）使用寿命：100年 2）整个寿命周期的建设、维护、修复费用最低； 3）改善结构和性能的可靠度。 100年的使用寿命对交通连线的设计、施工和营运都提出了严格的要求。特别是结构处于比较恶劣环境，主要的腐蚀的作用是：钢筋锈蚀、冻融破坏、碱-集料反应和硫酸盐侵蚀。研究确定了混凝土结构破坏的主要诱导因素是氯盐引起的钢筋锈蚀，但设计的同时要考虑硫酸盐侵蚀、海水侵蚀、侵蚀性化学作用和冻融破坏。冻融破坏在很大程度上可以通过适当的配合比设计避免，但防止和延缓氯盐引起的锈蚀则需要采取综合措施，这些措施是： 1）结构设计和耐久性设计要保证在最大程度上结构是可以实现的，且可以检测、维护和修复，需要时可以更换； 2）合理的结构和钢筋布置； 3）适当的混凝土配合比； 4）施工过程高度可靠，工程质量符合要求； 5）初始设计中考虑了系统的营运和维护的计划安排。这里可以清楚地看到，没有维护和修复作为结构设计和运营的组成部分，结构就不可能达到100年的使用寿命，这就是系统检测成为过程重要部分的原因，它的主要目的是及时发现过早破坏的信号，以便在破坏之前采取防护措施；检测要考虑侵蚀物质的传输和腐蚀机理，对这些参数作定期试验。采用多级防护措施，当一种措施被侵蚀介质侵入后，另一种措施起作用，有些措施可以平行发生作用，同时防止侵蚀介质侵入或防止其活化腐蚀。工程采用了多种保护措施防止氯离子和硫酸盐侵蚀，以保证在这种最恶劣的侵蚀环境下结构100年的使用年限。最容易受到侵蚀的部位是墩身的浪溅区、隧道衬里和大梁的边梁，具体的保护措施是： 1）应用优质混凝土（水灰比小于）； 2）增加保护层厚度； 3）采用环氧涂层的钢筋； 4）采用或者准备采用阴极保护； 5）应用不锈钢或者采用表面涂层； 6）外部灌浆（对于隧道）； 7）精心设计结构，使其具有足够的坡度，在敏感部位接缝减到最少，采用圆形拐角。耐久性设计分析该工程总体的耐久性方案可以归结为如下方面：增强结构的整体性，尽量减小施工缝；加强防水、排水设计；保证混凝土表面光滑、少棱角，如墩身转角采用圆弧形状；采用低水灰比的高性能混凝土；增加混凝土保护层：采用100mm保护层厚度及牺牲表面钢筋；或采用不锈钢筋或环氧涂层钢筋；采用环氧涂层钢筋及75mm的混凝土保护层。在浪溅区采用不锈钢筋或表面防护；重要腐蚀部位外表面采用防水硅烷浸渍处理；重视施工，控制混凝土早期热裂缝。根据混凝土的类别确定养护时间，养护包括控制混凝土硬化时的温差，一般温差不大于18℃，施工缝处的温差保持不大于12℃。大体积混凝土部分采用有限元计算，根据计算结果调整混凝土的浇筑温度，埋设冷却水管控制内部冷却速度和时间，依据外界天气条件确定拆模时间以避免混凝土开裂或减少混凝土开裂。制定维护计划。业主选择的营运和维护策略，可保证结构高可靠度和寿命周期低价格，这些是： a）定期检查； b）对重点暴露部位和不一致性加强检查； c）用耐久性元件对结构进行灵敏的跟踪监测； d）主动进行预防性的缺陷维修。定期检测。耐久性检测是长期运营和维护工作的一部分，是整个大贝尔特使用寿命设计的一个组成部分，根据假设的腐蚀和现有数据进行检测，所考虑的腐蚀机理是钢筋的氯盐锈蚀和冻融侵蚀，检测包括下述内容： a）通过用“锈蚀检测系统”（CMS）对现场性能做耐久性检测； b）确定引起锈蚀的临界氯离子值和临界饱和度（冻融）。为此安装了450个锈蚀元件，安装部位是潮差区，浪溅区和大气区，以及东桥和西桥施工缝部位和隧道的智能构件。元件可以获得信息是：①直接的锈蚀时间；②电位；③电阻（湿度）；④温度；⑤锈蚀速度。100年使用寿命要求设计考虑可能影响结构构建的主要腐蚀机理、结构总体布置、材料成分、施工质量和营运，以及维护条件。采用或者预留了阴极保护系统。厄勒海峡大桥与隧道厄勒海峡隧道工程分为沉管隧道和进出口接线引道工程两部分，混凝土总量为750000m³，其中沉管隧道50000m³。沉管隧道长，宽42m，是当时世界上最大的沉管隧道。连接丹麦和瑞典的厄勒海峡工程包括的人工半岛、的沉管隧道、的人工岛和的大桥。隧道和大桥的混凝土构件都要保证100年的使用寿命，在100年内不允许出现锈蚀，结构备有阴极保护，但是要在不启用阴极保护的条件下保证100年的使用寿命。（1）结构应用两种类型混凝土 A型混凝土：最大水灰比，抗压强度45MPa，用于除B型以外的部位； B型混凝土：最大水灰比，最小抗压强度40MPa只用于浪溅区（＜-3m）以下不受冻融作用的部位，其它部位均用A型混凝土。（2）原材料考虑碱-集料反应危害，采用低碱水泥，C3A含量不大于5%，硅灰掺量不大于胶凝材料（水泥+硅灰）质量的5%，饮用水的最大含氯量为600mg/L，最小水泥用量为325kg/m³，最小粉体用量为340 kg/m³，粉体总量的最大氯离子含量为%，混凝土的最大当量碱含量为混凝土质量的3%，混凝土内的砂浆含量为混凝土体积的60%。（3）保护层在浪溅区或浪溅区以上混凝土保护层厚度为75mm，浪溅区用防水涂层保护，保护层厚50mm。（4）裂缝控制根据应力计算确定控制混凝土早龄期开裂，除浪溅区外，裂缝宽度应小于，浪溅区不允许出现裂缝。采用开裂风险来评价混凝土的抗裂性能，优选抗裂性能良好的混凝土配合比。通过系列试验和计算，决定采用波兰特水泥、粉煤灰和2型集料，掺合少量硅灰能增加新拌混凝土的稳定性，提高混凝土的抗氯离子渗透性和增加混凝土的耐久性。施工规范决定，硅灰最大允许掺量为混凝土质量的5%。硅灰掺量大时会增加混凝土的早期收缩，造成开裂危险。加拿大联盟桥联盟桥位于加拿大东海岸，跨越诺桑伯兰海峡，主桥长1099m，是预制、后张、拼装箱梁结构，加拿大政府要求结构使用寿命100年，大桥处于恶劣的海洋环境中，每年有100次的冻融循环，海水流速为2m/s，有浮冰撞击，海峡海水含盐量约为%。大桥主要的腐蚀力是氯盐的侵入及其随后带来的钢筋锈蚀，其他可能的腐蚀力为碱-集料反应、硫酸盐侵蚀、冻融、浮冰磨损、盐冻，以及热梯度在没有控制在允许限度内而引起的混凝土开裂。通过选择材料、仔细配合成分、透彻的拌合、正确的浇筑、适宜的养护和防护实现混凝土的高耐久性。（1）原材料采用含硅灰%的低碱水泥，C3A含量为6%～10%，选择这种C3A含量范围是为了适应海洋环境，即既不让钢筋脱钝，又不发生硫酸盐侵蚀。大部分结构混凝土掺加水泥总量15%的低钙粉煤灰（ASTM F级）。掺加粉煤灰有利于降低发热量，提高抗渗性、和易性和稳定性气泡，在大体积混凝土构件中掺加29%的粉煤灰，可以减少潜在的热开裂。粗细集料要经过大量岩相检验其长期可能存在的问题，碱-集料反应试验结果是：快速砂浆棒膨胀小于%，24个月混凝土棱柱体试验膨胀小于%，均小于规定允许值。（2）混凝土大桥混凝土用量约为360000m³，大致可分为以下四种基本类型： A级大梁、桥墩、基础 A100级防冰围护结构的混凝土 C级引桥墩基础和大体积混凝土（结构断面厚度大于） F级水下结构混凝土（掺合水下不分散剂）除水下混凝土外，其余各种混凝土根据模板净宽和钢筋密集程度，应用最大粒径为20mm或10mm的粗集料。（3）氯离子侵蚀钢筋锈蚀被认为是引气混凝土腐蚀的主要因素，对于引发钢筋锈蚀的临界氯离子量并没有一致的意见，一般认为是水泥质量的%～%，常用临界值为%。渗透性很低的混凝土具有很好的抗腐蚀离子侵入性能，例如高质量的保护层混凝土。应用菲克第二扩散定律，根据钢筋处临界氯离子浓度计算结构的使用寿命。根据诺桑伯兰海峡氯离子浓度2100ppm、扩散系数×10-12m2/s和保护层厚75mm计算，结果显示在60年内没有达到临界氯离子浓度，这种计算是保守的，因为： 1）没有考虑硅灰的结合氯离子性能； 2）扩散系数随龄期延长而衰减，实际测量表明衰减系数是10； 3）这种计算用的是只有水泥的混凝土； 4）测量实际的混凝土电阻（）可以延长钢筋开始腐蚀的时间20～30年。再者，在达到临界氯离子浓度后，结构还会有有效的使用寿命，及时维护能延长其服役年限。表7-1 钢筋的保护层厚度构件部位大桥规范 ACl 357 CSA S6 上部结构顶面钢筋隔墙大梁内面后张管道浪溅区 50+mm 50 mm 35 mm 100 mm 100 mm 90mm 65mm 50mm 50mm 30～40mm 下部结构 100 mm 50mm 后张管道 125 mm 75 mm （4）温度裂缝温度梯度引起混凝土开裂将提供氯离子到达钢筋的通道，或者引起高应力产生其他形式的裂缝，温度裂缝可以是贯穿性裂缝，也可以是在混凝土内生成的微裂缝，或者是产生于混凝土表面的裂缝。联盟桥混凝土规范规定了浇筑温度，最高温度和最大允许温度梯度见表7-2。表7-2 允许温度参数允许的最大值水泥发热量 350KJ/kg（7d）浇筑温度断面较大≥2m 其他混凝土环境≤10℃ 其他混凝土环境＞10℃ 18℃ 25℃ 20℃ 最高温度 70℃ 温差 20℃ 温度和温度梯度可用下述措施控制： 1）应用7d发热量小于350 KJ/kg的水泥； 2）应用低水胶比； 3）应用碎冰代替拌合水； 4）应用辅助胶凝材料代替水泥； 5）临拌合前清洗粗集料使其冷却； 6）需要时调节储仓的通风； 7）不要应用任何提高外部温度的养护大桥的主要构件通过建造模型以确定其可能的开裂，所有大构件的关键部位均埋设热电偶，如果温度梯度超过了规定值，混凝土要进行微裂缝的岩相检验。在本工程中温度裂缝不是主要问题，少数裂缝会自动闭合，有些裂缝用低粘度聚合灌浆即可封闭。（5）混凝土养护湿养护一般认为是有利于混凝土耐久性和强度发展的最需要和最有效的养护方法，有些桥梁构件高度超过30m且在冬季施工，出于实际和安全方面考虑，不可能用湿养护，合同提出几种养护方法如下： 1）水养护； 2）薄膜养护； 3）模板内养护5d； 4）上述方法的结合应用。中国的杭州湾大桥中国的杭州湾大桥，全长36km，其中跨越海域长度近32km。大桥主体结构除南、北航道桥采用钢箱外，其余均为混凝土结构。全桥混凝土用量约250万方，设计使用寿命不少于100年。工程建设前期调查表明，沿海湾混凝土结构腐蚀情况十分严重。90%的损坏是由于环境恶劣、保护层厚度不足、氯离子渗透导致钢筋锈蚀引起的。其它腐蚀因素，如混凝土碳化、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、海洋生物、泥沙冲蚀、冻融等，不是混凝土结构裂化的主要因素。表7-3 环境作用等级划分环境作用级别分区结构部位 C 水下区、泥下区桩基础、陆地承台 D 不与海水直接接触的大气区箱梁、陆地桥墩、上塔柱 E 水位变动区海中承台 F 浪溅区海中桥墩、下塔柱混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量控制见表7-4，最大胶凝材料用量不宜大于500kg/m3，一般不应超过550kg/m3。表7-4 杭州湾大桥混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量工程部位最大水胶比（W/B）最小胶凝材料用量（kg/m3）基桩、承台现浇桥墩、台及索塔 400 预制箱梁、预制桥墩 450 现浇梁及其它部位混凝土 450 各部位的抗氯离子渗透性要求见表7-5。表7-5 杭州湾大桥混凝土抗氯离子渗透性要求（84天龄期）结构部位混凝土氯离子扩散系数（10-12m2/s）钻孔灌注桩陆上部分 ≤ 海上部分 ≤ 承台陆上部分 ≤ 海上部分 ≤ 桥墩现浇 ≤ 预制 ≤ 箱梁 ≤ 桥塔 ≤ 混凝土结构各部位钢筋保护层厚度见表7-6。表7-6 混凝土结构各部位钢筋保护层厚度结构部位腐蚀环境保护层厚度（mm）钻孔桩水下区及海底土中区 75 承台海上：水位变动区 90 陆上：大气区 75 桥墩浪溅区及大气区 60 箱梁大气区 40 表7-7 杭州湾海工耐久混凝土典型配合比部位水胶比每方混凝土材料用量（kg）水泥矿渣粉粉煤灰砂石子水减水剂阻锈剂陆上桩基 165 124 124 754 960 149 - 海上桩基 264 - 216 753 997 150 - 陆上承台、墩身 170 85 170 742 1024 153 - 海上承台 162 81 162 779 1032 134 海上现浇墩身 126 168 126 735 1068 145 海上预制墩身 180 90 180 779 1032 139 箱梁 212 212 47 724 1041 150 1 - 表7-8实测混凝土性能部位 28d抗压强度（MPa） 84dDRCM（10-12m2/s）坍落度（cm）扩展度（cm）抗裂性能陆上桩基 21 43 良好海上桩基 22 55 良好陆上承台、墩身 21 42 良好海上承台 18 - 良好海上现浇墩身 56 18 55 良好海上预制墩身 18 - 良好箱梁 18 40 良好结构混凝土耐久性的总体解决方案一般设计原则提高混凝土结构耐久性的一般设计原则如下： 1）采用的结构类型、结构布置和结构构造应尽可能有利于阻挡或减轻环境对结构的侵蚀作用，便于施工并有利于保证施工质量，便于工程今后使用过程中的检查和维修； 2）提高混凝土材料本身的耐久性。采用低水胶比混凝土，尽可能减少用水量并正确使用矿物掺合料，明确耐久混凝土的施工要求，保证混凝土有良好的匀质性、工作性和抗裂性； 3）增加钢筋的混凝土保护层厚度； 4）注重防、排水和连接缝等构造措施，尽可能避免水和氯盐等有害物质接触或渗漏到混凝土表面，尽可能防止混凝土在使用过程中遭受干湿交替； 5）对于严酷环境作用的重要工程，以及易遭锈断、失效后果严重的预应力钢绞线和高强拉索等构件，在其耐久性设计中应采取多重防护对策，即综合采用多种防护措施，可以多种防护措施平行地起作用（如在提高耐久混凝土性质量和保护层厚度的基础上，同时采用阻锈剂或环氧涂层钢筋），或在一种措施在使用过程中失效后可以启动另一种措施（如结构中的钢筋发生锈蚀后启动阴极保护）。 6）在确定钢筋的混凝土保护层厚度和耐久混凝土的技术要求时，不考虑普通建筑饰面（抹灰、面漆、面砖等）和防水层等构造对混凝土结构的有限防护作用。对于结构施工建造中主要起临时承载作用且不具足够耐久性的部件（如隧道的喷混凝土初衬支护，其混凝土的性能和锚杆、钢筋网、钢棚架的保护层均难以满足严重环境作用下的耐久性要求），在结构的承载力设计中不应考虑其贡献。高性能混凝土技术为了配制高性能混凝土并保证混凝土的耐久性，一般应遵循如下原则：选用质量稳定、低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和C3A含量偏高的水泥；选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料；使用优质粉煤灰、矿渣等矿物掺合料或复合矿物掺合料；一般情况下，矿物掺合料应作为耐久混凝土的必需组份；尽量降低拌合水用量，采用高效减水剂；高度重视骨料级配与粗骨料粒形要求；限制单方混凝土中胶凝材料的最低和最高用量，尽可能减少胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。原材料质量和技术指标水泥与胶凝材料在本研究认为，宜采用如下两种水胶凝材料方案： 1）硅酸盐－粉煤灰水泥（粉煤灰含量15%）＋适量磨细高炉矿渣； 2）矿渣水泥：矿渣水泥（矿渣含量50%-70%）；同时可以考虑如下使用方案： 3）OPC水泥＋适量的粉煤灰或者磨细高炉矿渣或者粉煤灰和矿渣的组合其中，硅酸盐-粉煤灰水泥应符合MS 1227：2003（相应的英国标准：BS 6588：1996，BS 6610: 1996）的规定。磨细高炉矿渣粉应符合MS 1387：1995（相应的英国标准BS 6699：1992）。矿渣水泥应符合MS 1389：1995（相应的英国标准：BS 146）规定或者符合符合MS 1388：1995《高矿渣水泥》（相应的英国标准：BS 4246）规定。OPC水泥应符合MS 522：2003的要求。此外，还应符合如下要求：硅酸盐－粉煤灰水泥和矿渣水泥，按照ISO法测定的28天棱柱体胶砂强度宜不低于而不高于。符合MS 1387: 1995（相应的英国标准BS 6699: 1992）的磨细高炉矿渣粉的比表面积宜为400－450 m2/kg，不宜小于350m2/kg，过细的磨细矿渣也不利于控制混凝土水化温升和防裂，一般不宜大于450 m2/kg。需水量比不宜大于105%，烧失量不大于1%。氯盐含量：根据BS EN 197-1的规定，水泥中的氯盐含量不得超过水泥质量的%。磨细高炉矿渣粉的氯离子含量也不得不超过%。碱含量：Na2O当量（Na2O＋）宜小于%，使用低碱水泥一般不会发生碱骨料反应，且水泥的抗裂性能良好。 C3A含量及其他：为改善混凝土的体积稳定性和抗裂性，硅酸盐水泥的细度（比表面积）不宜超过350m2/kg，C3A含量不宜超过8%，用于海水中混凝土的水泥，C3A不超过10%，游离氧化钙不超过%。大体积混凝土宜采用C2S含量相对较高的水泥。如果使用外掺粉煤灰，应满足如下要求：符合BS EN 450要求的粉煤灰，不得使用BS EN 197-1定义的钙质粉煤灰（W）；用于混凝土的粉煤灰应来自燃煤工艺先进的电厂。当BS EN 450与BS EN 197-1的要求不一致时，应以更严格的BS EN 450为准；按照EN 196-21测定的氯离子含量不超过%。按照EN 196-2测定的SO3不超过%。按照EN 451-1测定的游离氧化钙不超过%。安定性：用EN 196-3提供的雷氏测试法测试的50%基准水泥＋50%粉煤灰的复合浆体的膨胀量不超过10mm。烧失量：粉煤灰的烧失量应尽可能低（不宜大于5%，对预应力混凝土应小于3%）；需水量比宜不大于105%。骨料骨料采用马来西亚当地材料砂、石。粗骨料可采用当地碎石，细骨料可使用当地经过淡水清洗的河砂。骨料应符合BS EN 12620: 2002的要求。此外，还应满足如下要求：应采用非碱活性骨料；骨料所含有的可溶性氯离子含量应符合有关要求；硫化物或者硫酸盐（以SO3表示）不超过%；抗硫酸镁试验（EN 1367）的质量损失百分比不大于18%；宜选用质地坚硬、粒形和级配良好的碎石，岩石强度宜大于100MPa；细粉含量（筛通过质量百分比）：混凝土粗、细骨料的细粉含量应分别低于%和3%（按照BS EN 12620: 2002）；粗骨料的压碎指标不大于18%（按照BS EN 12620: 2002）；针、片状颗粒不宜超过5%。细骨料宜选用级配良好、细度模数在～的中粗砂； 10）宜进行坚固性试验，测得的失重率应小于8%（细骨料）和12%（粗骨料）； 11）本工程的钢筋混凝土特别是预应力混凝土严禁使用海砂； 12）粗骨料级配要求：见下表。表8-1 粗骨料级配要求结构部位混凝土强度级别保护层厚度（mm）级配要求承台 C40 75（底面），65（其他表面）宜采用粒径为－的连续级配。墩身 C40 65 当钢筋间距和施工允许时，宜采用粒径为－的连续级配；否则，宜采用粒径为－的连续级配。桥台 C40 75（底面），65（其他表面）预应力混凝土箱梁 C55 40（外表面），35（内表面）宜采用粒径为－的连续级配。防撞护栏 C40 50 当钢筋间距和施工允许时，宜采用粒径为－的连续级配；否则，宜采用粒径为－的连续级配。混凝土用水混凝土用水应满足标准BS EN 1008的规定。此外，一般混凝土用水的指标应符合下表规定，对于本工程，在该表基础上还应符合如下规定：本工程中钢筋混凝土拌合用水的氯离子含量不得超过500mg/L，预应力钢筋混凝土拌合用水的氯离子含量则不得超过350mg/L；不得使用海水或者有害离子超标的水作为混凝土的拌合用水，也不能作为养护用水。表8-2 混凝土拌合用水水质要求项目预应力混凝土钢筋混凝土素混凝土 pH值 ≥ ≥ ≥ 不溶物(mg/L) ≤2000 ≤2000 ≤5000 可溶物(mg/L) ≤2000 ≤5000 ≤10000 Cl-(mg/L) ≤500 ≤1000 ≤3500 SO42-(mg/L) ≤600 ≤2000 ≤2700 碱含量(mg/L) ≤1500 ≤1500 ≤1500 注：碱含量按照Na2O＋计算值表示，采用非碱活性骨料时，可不检验碱含量。化学外加剂本研究认为，用于槟城二桥的高性能混凝土需要掺用减水剂或者高效减水剂。同时，考虑到天气炎热的施工条件，在需要时可以掺加缓凝剂或者缓凝/减水剂，以保证混凝土施工的顺利进行。外加剂一般应当符合BS EN 934-2的规定。 BS 5328-1:1997指出：外加剂不应削弱混凝土的耐久性，不与其它组分生成有害化合物，也不增加钢筋锈蚀的风险。如果同一混凝土配合比中用两种或两种以上外加剂，应当有数据来评估外加剂相互间的作用以及保证它们的相容性。此外，配制耐久混凝土所用的化学外加剂应符合如下要求： 1）各种外加剂应有厂商提供的推荐掺量与相应减水率、主要成分（包括复配组分）的化学名称、氯离子含量、水溶性钠盐含量、含碱量以及施工中必要的注意事项如超量或欠量使用时的有害影响、掺合方法和成功的使用证明等。 2）当混合使用高效减水剂、引气剂、缓凝剂、膨胀剂、阻锈剂及其它防腐剂时，应事先专门测定它们之间的相容性。 3）氯盐不能作为混凝土的外加剂使用；按照EN 480-10测定的水溶性氯离子不超过外加剂质量的%，且各种外加剂中的氯离子含量不得大于混凝土中胶凝材料总重的%； 4）外加剂不得对混凝土中的钢筋锈蚀起促进作用；高效减水剂中的硫酸钠含量不宜大于减水剂干重的15%； 5）按照EN 480-12测定的碱含量（Na2O当量）不得超过供应商的标称值高性能混凝土设计参数根据上述分析，依据相关标准，并参考其他工程案例，提出高性能混凝土的设计参数如下：（1）建议采用的胶凝材料种类（按技术性能的先后顺序排列，可根据实际情况选择其中之一）： 1）硅酸盐－粉煤灰水泥（粉煤灰含量15%）＋适量磨细高炉矿渣； 2）矿渣水泥：矿渣水泥（矿渣含量50%-70%）； 3）符合MS 522：2003要求的OPC＋符合BS EN 450的粉煤灰或者符合MS 1387:1995（相应的英国标准BS 6699：1992）的磨细高炉矿渣或者粉煤灰与矿渣的适宜组合。（2）最大水胶比与最小胶凝材料用量的建议值本研究建议的最大水胶比与最小胶凝材料用量见下表。表8-3 高性能混凝土设计参数的建议值结构混凝土所处的环境条件结构部位强度等级最大水胶比1 最小胶凝材料用量2（kg/m3）大气区箱梁等上部结构 C55 380 浪溅区承台、桥墩承台 C40 墩身 C55（主桥）墩身 C40（引桥）支座垫石 C40 420 水位变动区承台、桥墩 420 水下区桩基础、承台 360 1：水胶比的计算公式：水胶比＝水/（水泥＋k×掺合料），其中在使用粉煤灰和矿渣时，k值在此均为1（在此，均指符合BS 8500-2：2000 附录A规定的组料（全部计入水泥中））； 2：胶凝材料指的是水泥＋符合BS EN 206-1规定的II型无机掺合料（火山灰质或潜在水硬性掺合料，具体主要指粉煤灰、矿渣和硅粉）分区应按照实际情况确定，同一结构部位如果存在于两个以上分区（如桥墩可能位于大气区、浪溅区以及水位变动区），施工时采用一次浇筑成型而不能分开施工时，应按照最严酷的环境考虑，取用较低的水灰比。胶凝材料的用量除满足最小用量要求外，并非越多越好，用量不宜超过500kg/m3，BS 5400-7: 1978指出，除非合同中指明或者得到工程师同意，否则一般水泥用量不应超过550kg/m3。预制构件的混凝土可以参考上述参数，在工艺条件允许下，可以进一步降低水灰比，但不应低于上述要求。在满足施工要求的情况下，最大限度的降低单方混凝土的用水量，在控制水灰比的情况下，可以在满足最小胶凝材料用量的前提下可以减小胶凝材料的用量，对于混凝土的早期热裂缝控制有重要的现实意义。混凝土的氯离子含量不得超过胶凝材料质量的%，碱含量不得超过 kg/m3。硬化混凝土性能指标的确定硬化混凝土应该满足下表所列的耐久性指标。表8-4 混凝土抗性能指标部位强度等级氯离子扩散系数（10-12m2/s）抗氯离子渗透性标准试验（C）备注钢桩填芯 C35 ≤-12 ≤1500 水下区承台 C40 ≤-12 ≤1200 浪溅区墩身 C55（主桥） ≤-12 ≤1000 浪溅区，现浇墩身 C40（引桥） ≤-12 ≤1000 浪溅区，现浇支座垫石 C40 ≤-12 ≤1000 大气区梁体 C55 ≤-12 ≤1000 大气区注：混凝土氯离子扩散系数检测按 RCM 快速非稳态电迁移法（12W 龄期），电通量参考值指标为56天龄期指标。设计要求与构造措施保护层本研究建议的混凝土名义保护层厚度见下表。表8-5 混凝土名义保护层厚度位置混凝土强度级别保护层厚度（mm）钻孔桩 C40 75 PHC 桩 C80 60 承台 C40 75（底面），65（其他表面）墩身 C40 65 桥台 C40 75（底面），65（其他表面）预应力混凝土箱梁 C55 40（外表面），35（内表面）防撞护栏 C40 50 为保证保护层混凝土的表面具有良好的耐久性，BS 8500 提出五种附加防护措施（见下表），可根据实际情况选择使用。表8-6 附加防护措施（APM）编号 APM APM1 APM2 APM3 APM4 APM5 提高混凝土质量采用渗透性可控的模板提供表面保护提供牺牲层场地布设排水裂缝控制裂缝控制的详细论述请参看上文的“裂缝控制与构造措施”部分，早期热裂缝的控制措施与原则已经在上文“早期热裂缝的控制措施”进行了论述。需要强调的是，应在施工开始前，进行混同的抗裂性能对比试验，以优选抗裂性能优良的混凝土方案。以下是BA 57/01对抗裂要求的论述： 1）BS 5400-4:1990 条文规定的主要和次要构件的最小截面配筋率在多数情况下并不足以限制混凝土的早期热裂缝。设计者应该参考BD 28 “混凝土的早期热裂缝”及其建议性解释BA 24/87（见上文“ 24/87的建议”）。 2）设计者应该牢记：实际用的混凝土强度和水泥含量可能比合同规定的数值高出很多，由此可能引起严重的热效应问题。用磨细粉煤灰和磨细粒化高炉矿渣可以减小混凝土的早期热效应，同时可以提高抗氯盐、硫酸盐侵蚀和抑制骨料的碱硅反应。 3）混凝土可能由于受到相邻构件的约束作用（如在双向板的拐角处）而发生开裂。应精心布置钢筋以控制裂缝，必要时，应对这些区域的应力进行细致的调查和分析。防水、排水措施防水、排水的有关论述详见“ 防水、排水措施”。其要点如下：水是混凝土桥梁结构腐蚀的首要因素，因此，应将防水、排水意识提高到极端重要的程度来认识；结构设计应遵循整体性原则，尽可能减小桥梁的各种接缝；确实需要设置接缝的，应采取积极的措施进行排水，当可能存在排水不尽的情况下，应精心设计防水措施；在一切可能发生排水、防水不良的结构部位，需要进行细致的设计，精心的施工；防水、排水系统应该满足可检、可修、可换的要求，并在结构运营中定期检测、维修防水、排水系统；排水系统应将水流引向不影响行人、车流通行和安全的地方，不得顾此失彼，且应考虑排水、防水系统失效可能引起的结构耐久性问题。有排水要求的结构部位应有足够的坡度，所有混凝土表面应做到光滑、平整、少棱角且具有良好的抗渗性能。在恶劣环境中（如海洋环境中），需要采用表面涂层或者硅烷浸渍处理，以提高混凝土的防水性能，同时隔绝有害介质的侵蚀作用。防腐要求与措施从耐久性设计要求的可检性、可修性原则出发，同时为了规避技术风险和节约成本，本研究认为，在保证优质耐久的高性能混凝土的基础上，在混凝土表面进行外防护是一种简单、有效的方法，且可检查、可修复，在可控制性方面比埋入混凝土内部的钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋以及阴极保护强，后者且不说施工技术复杂、出错概率高、成本贵，它们即使在发现失效或者未能达到原先的设计目标时，也无法采取简便的补救措施。在此方面，混凝土外表面的防护具有明显的技术优势和较好的经济性。（1）钢筋混凝土建议在混凝土外表面进行外防护处理，以抵御海水侵蚀介质的渗透和积累。具体方案见下文“ 混凝土的外防护技术”。在环境恶劣的结构部位，如浪溅区，如果实际施工条件允许并获得批准，不排斥使用不锈钢作为该结构部位的最外层钢筋。（2）预应力混凝土关于预应力混凝土的防腐要求与措施，详见预应力专题研究部分，其要点如下：选择先张法预应力、后张无粘结预应力以及体外预应力这类耐久性能良好的结构形式；采用高耐久性的混凝土，并保证足够的保护层厚度；保证施工质量，加强养护，有效控制裂缝；精心设计和处理好关键部位如孔道灌浆、锚头和锚固端以及预应力筋防腐等；后张预应力，特别是有粘结预应力，应更加注重其耐久性的保证措施。除此之外，对于槟城二桥的预应力结构（构件），应在表面进行硅烷浸渍处理。可检性、可修性 BA 57/01指出：设计者在考虑结构形式、细节及其相关方面，应确保结构及其组件能够进行有效地检查和维修。耐久性问题可以通过检查提前发现和确认，以防止严重的结构危害。容易发生除冰盐或其他腐蚀性物质迫害的区域必须保证可以进行检查，必要时应考虑构件可修复或可更换。通常而言，设计目标应考虑为检修人员提供一个干燥、舒适的工作空间，经验表明，工作空间越难进入、越狭窄，检查和维修工作质量越差，进行的频次也越少。设计阶段，应考虑如下情况：能够进行清洗、维修和涂刷处理；在整个服役期间，部分构件（设施）能够进行修复或更换。如支座、接缝、排水、管道、检修孔、可活动部位的润滑部位以及照明系统等；可以在支座处进行顶托以便对支座进行移除和更换；能够进入封闭的隔室或者箱型截面。需要考虑检修人员的安全和健康情况以及所需要考虑所使用的测试设备和对人员的培训。 BA 57/01在论述耐久性问题的发生区域时，指出：混凝土中的半接缝通常存在严重的问题，他们难以进行检查和维修，因此不应用于新的设计中，除非别无选择。另外，混凝土铰属于高应力区域。由于钢筋的阻碍，该部位的混凝土难以密实成型，钢筋容易因盐水的侵入而发生锈蚀。因此，混凝土铰不应用于新的设计中，除非别无选择。如果使用，应保证它可见、可检查和可维修。混凝土的施工与质量控制措施施工是达到实现建造设计目的途径，一切设计都需要通过施工来实现，施工工艺与质量控制措施是结构耐久性的关键环节之一，应特别加以重视。首先结构设计应保证良好的可施工性，否则，混凝土以及相关结构的施工质量得不到保证。在此列出混凝土施工技术和管理的一些要点。一般性原则 1）耐久混凝土工程在正式施工前，应针对工程特点和施工条件，会同设计、施工及混凝土供应等各方，共同制定施工全过程和各个施工环节的质量控制与质量保证措施以及相应的施工技术条例。应控制混凝土运送到工地的时间和出机坍落度、浇筑时间和浇筑时的坍落度、浇筑时气温与混凝土浇筑温度、施工缝的划分、混凝土浇筑高度的控制以及混凝土的养护方式和养护过程，包括养护开始时间、混凝土养护中的表面温度与降温速率、拆模时间与拆模时气温，以及养护后对混凝土强度发展和防裂的防护措施等。耐久混凝土施工中，需要重点保证质量并采取专门措施的内容有：结构表层混凝土的振捣密实与均匀性；混凝土的良好养护；混凝土保护层厚度或钢筋定位的准确性；混凝土裂缝控制。此外，对于后张预应力体系和接缝的施工，也应制定专门的操作规程和检验标准。 2）耐久混凝土的原材料及配比，可在正式施工前的混凝土试配工作中，通过混凝土工作性、强度和耐久性指标的测定，并通过抗裂性能的对比试验后确定。裂缝控制的相关措施，参考本研究的裂缝及其控制部分。 3）混凝土结构的施工顺序应经仔细规划，如墙、板分段分块的施工缝位置与浇筑顺序和后浇带的设置等，以尽量减少新浇混凝土硬化收缩过程中的约束拉应力与开裂。 4）为保证钢筋保护层厚度尺寸及钢筋定位的准确性，宜采用工程塑料制作的保护层定位夹或定型生产的纤维砂浆块。浇筑混凝土前，应仔细检查定位夹或保护层垫块的位置、数量及其紧固程度，并应指定专人作重复性检查以提高保护层厚度尺寸的施工质量保证率。混凝土搅拌合运输混凝土搅拌 1. 称量和配水机械装置，应经计量鉴定并维持在良好状态中。各种衡器应至少每周校核一次，以保证计量准确。 2. 混凝土应在预制场、搅拌站点、拌合厂、搅拌车或搅拌船中集中拌合。拌合设备应能自动控制混合料的配合比、水灰比以及自动控制进料（各种集料、水泥、水等）和出料，并自动控制混合料的拌合时间。所有搅拌设备都应始终保持良好的状况。此外，尚应准备应急的完好搅拌设备，以应付随时出现的问题。 3. 所有混凝土原材料，除水可按体积称量外，其余均应按照质量称量。配料按配料单进行称量。施工过程中应持续监测集料含水率的变化，并依据测试结果及时调整用水量和集料用量。细、粗集料称量的允许偏差为±2%；其他原材料的允许偏差为±1%。 4. 混凝土拌合工作，应将各种组合材料搅拌成分布均匀、颜色一致的混合物。搅拌筒的转动速度，必须按搅拌设备上标出的速度操作。 5. 为保证混凝土的均匀性，混凝土的搅拌宜采用卧轴式、行星式或逆流式搅拌机并严格控制拌合时间。如无特殊需要，泵送混凝土的坍落度不宜过大以避免离析和泌水。混凝土输送 1. 混凝土拌合物运（泵）送到浇筑地点时，应不离析、不分层、并应保证施工要求的工作度。 2. 运输及暂存混凝土的容器应不渗漏、不吸水，必须在每天工作后或浇筑中断30 min时予以清洗干净。 3. 从加水拌合到入模的最长时间，应由试验室根据水泥初凝时间及施工气温确定。混凝土的浇筑、捣实与养护混凝土浇筑 1. 浇筑混凝土前，全部支架、模板和钢筋预埋件应按图纸要求进行检查，并清理干净模板内杂物，使之不得有积水、锯末、施工碎屑和其他附着物质，未经工程师检查批准，不得在结构任何部分浇筑混凝土。 2. 混凝土的浇筑应连续进行，如因故必须间断，间断时间应小于前层混凝土的初凝时间或能重塑的时间。混凝土的运输、浇筑及间歇的全部时间不得超过混凝土的初凝时间。 3. 混凝土浇筑时，对混凝土表面操作应仔细周到，以使混凝土表面光滑、无水囊、气囊或蜂窝。 4. 通常可取混凝土的温度控制值为：如未经试验论证，混凝土的入模温度一般不宜超过28℃并不应大于30℃。构件任一截面在任一时间内的内部最高温度与表层温度之差一般不大于20℃，新浇混凝土与邻接的已硬化混凝土或岩土介质之间的温差不大于20℃，淋注于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度的差值不大于15℃，混凝土的降温速率最大不宜超过2℃∕d。此外，当周围大气温度低于养护中混凝土表面温度超过20℃时，混凝土表面必须保温覆盖以降低降温速率。在炎热气候下浇筑混凝土时，应避免模板和新浇混凝土受阳光直射，入模前的模板与钢筋温度以及附近的局部气温不应超过40℃。应尽可能安排傍晚浇筑而避开炎热的白天，也不宜在早上浇筑以免气温升到最高时加速混凝土的内部温升。 5. 在浇筑过程中，应控制混凝土的均匀性和密实性，不应出现露筋、空洞、冷缝、夹渣、松散等现象，特别对构件棱角处。应采取有效措施，使接缝严密，防止在混凝土振捣过程中出现漏浆。 6. 对于海工耐久混凝土，施工时应尽量减少暴露的工作面，浇筑完成后应立即抹平进入养护程序。 7. 除非监理工程师另外同意，混凝土由高处落下的高度不得超过2 m。超过2 m时应采用导管或溜槽。超过10 m时应采用减速装置。导管或溜槽，应保持干净，使用过程要避免发生混凝土离析。 8. 混凝土浇筑期间，应设专人检查支架、模板、钢筋和预埋件等稳固及安全情况，当发现有松动、变形或移位时，务必及时处理。 9. 混凝土初凝至达到拆模强度之前，模板不得振动，伸出的钢筋不得承受外力。 10. 混凝土泵送施工应遵守有关规定。 11. 除非监理工程师另有指示，墩身混凝土应在一次作业中浇筑完成。混凝土墩身应在浇筑完成后最少24h，且混凝土强度达到设计强度等级值的75%以上，始允许继续浇筑上部混凝土，但图纸上另有注明者除外。混凝土捣实 1. 所有混凝土，一经浇筑应立即进行全面的捣实，使之形成密实、均匀的整体。 2. 振捣器的类型应经监理工程师批准。工地上应配有足够数量的处于良好状态的振捣器，以便可随时替补。 3. 振捣器要垂直地插入混凝土内，并要插至前一层混凝土，以保证新浇混凝土与先浇混凝土结合良好。 4. 混凝土振捣密实的一般标志是混凝土停止下沉、不冒气泡、泛浆、表面平坦。混凝土养护 1. 结构表层混凝土的耐久性质量在很大程度上取决于施工养护过程中的湿度和温度控制。暴露于大气中的新浇混凝土表面应及时浇水或覆盖湿麻袋、湿棉毡等进行养护。如条件许可，应尽可能采用蓄水或洒水养护，但在混凝土发热阶段最好采用喷雾养护，避免混凝土表面温度产生骤然变化。特别是在结构的立面，应采取及时覆盖，或者挡风、浇水等养护措施。 2. 现浇混凝土应有充分的潮湿养护时间。在整个潮湿养护过程中，应根据混凝土温度与气温的差别及变化，及时采取措施，控制混凝土的升温和降温速率。配筋混凝土不得用海水养护，养护水应符合混凝土拌合水的标准。混凝土结构各部分构件，不论采用什么养护方法，在拆模以前均应连续保持湿润。同类构件应在同一条件下养护。 3. 当新浇的结构构件有可能接触流动水时应采取防水措施，保证混凝土在浇筑后7d之内不受水的直接冲刷。对海洋浪溅区以下的新浇混凝土，应保证混凝土在养护期内并在其强度达到设计值以前不受海水与浪花的侵袭。应尽可能推迟新浇混凝土与海水等氯盐环境接触时的龄期，一般不应小于4周。 4. 养护期间，混凝土强度达到 N/mm2之前，不得承受人员、运输工具、模板、支架及脚手架等荷载。 5. 现浇混凝土可使用养护剂进行喷涂养护，暴露于大气中的新浇混凝土表面应及时喷涂养护剂；养护剂应符合有关标准的要求。养护剂宜采用有机成膜类养护剂，不得使用无机类养护剂。 6. 混凝土浇筑完成表面收浆后，应尽快对混凝土进行养护。预制构件蒸汽养护的最高温度不应超过65℃。 7. 对于氯盐和其他化学腐蚀环境下的混凝土，潮湿养护的期限应不少于7天，且养护结束时混凝土达到的最低强度与28天强度的比值应不低于70%。混凝土的外防护技术有关论述见专项分析研究之“混凝土的外防护技术”部分。本研究认为，为了减轻海水对早龄期混凝土的侵蚀作用，应在拆模后考虑采用外涂层防护，对于水下区混凝土，可使用短寿命的涂层（有机成膜类养护剂）对早龄期混凝土的进行防护，使得混凝土的水化尚未充分完成的数月或一年龄期内，减少氯盐等腐蚀物质侵入混凝土内部。混凝土表面应采用外防护进行保护。可参考的技术方案有： 1）环氧类等复合型涂层或厚涂层以沥青、环氧沥青、环氧加煤焦油为基的，可用于地下、水下部分混凝土结构的防护。以环氧树脂、聚氨酯为基的复合型涂层或厚涂层，可用于上部结构。复合型涂层或厚涂层与混凝土的粘结力不小于 N/mm2，自身的耐久性和对混凝土的有效防护时间不应低于20年。 2）硅烷类涂料能够渗透到混凝土内的硅烷类涂料，可作为保护钢筋混凝土的附加措施。硅烷类涂料对混凝土的有效防护时间不应低于15年。 BA 57/01指出：混凝土表面浸渍可以有效提高混凝土抗氯盐侵蚀能力。浸渍工艺的程序要求在BD 43和BA 33中给出，其他方面可参见公路工程规范（Specification for Highway Works），根据该规程1709条文，混凝土需要进行硅烷浸渍，以提高其耐久性。混凝土表面涂层的试验方法与施工和管理，可参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275-2000）的有关规定。 3）其他隔离、隔绝措施如果证明其有效性并具有业主认可的经济性，不排斥采用其他隔离、隔绝措施，包括水泥基聚合物砂浆层、钢丝网水泥防护板等。在结构和施工条件允许的情况下，可选用水泥基聚合物砂浆层作为保护混凝土和混凝土内部钢筋的措施。水泥基聚合物砂浆层的使用寿命可与混凝土相当，对混凝土的防护能力取决于水泥基聚合物砂浆的密实性和覆层厚度。水泥基聚合物砂浆层的厚度不应小于5mm。表8-6 混凝土外防护的建议方案桥梁混凝土部位建议选用涂装材料选用理由备注大气区硅烷浸渍剂价格低廉，操作简便，提高使用耐久性能。在混凝土结构表面涂刷覆盖。浪溅区环氧涂层体系a 有效防护，工艺成熟，价格合理，有效提高使用耐久性能。结合实际情况，上限可向上延伸富余。水位变动区环氧涂层体系a 同上结合实际情况，下限可向下延伸富余。水下区在混凝土结构拆模时喷涂有机成膜养护剂b 临时性保护性措施，经济合理。防止拆模后，混凝土结构过早接触海水，有害介质侵入混凝土内部，影响使用寿命。注：a. 浪溅区与水位变动区可以采用相同的环氧涂层体系，便于施工，且完全可以符合要求，具体的建议参考涂装体系配套方案见表8-7、表8-8所示；b. 混凝土有机养护剂，喷涂在混凝土表面，迅速形成覆盖薄膜，同时与混凝土面层的游离氢氧化钙作用，在层内形成致密坚硬的表层。由此阻止混凝土中水份的蒸发，使水泥充分水化而达到自养的目的。有利的性能：1. 具有良好的成膜、保水性能；2. 养护的混凝土强度与湿麻袋覆盖养护的混凝土强度相当；3. 对混凝土干缩无不良影响；4. 养护后，喷涂表面不需清洗，日久自行脱落消失，不影响混凝土表面装饰；5. 无毒、无臭、对人体无害。表8-7 环氧漆涂层配套1 涂层油漆类型干膜厚度（μm）封闭层环氧封闭漆按混凝土表面灵活掌握腻子层环氧腻子用于填坑、找平底面合一超强环氧漆 350-500 总计 350-500 表8-8 环氧漆涂层配套2 涂层油漆类型干膜厚度（μm）腻子层环氧腻子用于填坑、找平底面合一超强环氧漆 200 底面合一超强环氧漆 300 总计 500 受环境严重腐蚀作用的混凝土结构或部位，可选用玻璃钢或耐腐蚀板、作为保护钢筋混凝土的措施。隔离层的有效防护时间不应低于20年。监测与维护桥梁健康监测是近20年来桥梁工程领域新发展的分支。随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息，并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题。桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护潍修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统对以下几个方面进行监控：桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；桥梁重要非结构构件（加支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；结构构件耐久性；大桥所处环境条件等。可见，耐久性也是健康检测系统中的重要内容之一。健康监测是一项系统工程，是否需要建立监测系统以及如何建立的论证及其技术方案已经超出了本研究的范围。如果考虑在槟城二桥建成后需要建立健康监测系统，则应注意如下关于耐久性监测的事项：监测的重点结构部位是钢管桩、PHC桩、桥梁主跨的箱梁、处于浪溅区的桥墩部位等；监测的内容主要是侵入混凝土内部的侵蚀介质的腐蚀速率信息，包括线性极化电阻、开路电位、电阻、氯离子浓度、二氧化碳浓度、温度、湿度等。这些测量信息通过寿命预测模型的分析和计算，可以对结构耐久性作出评估，给出是否需要进行人工检测、维修的建议；测量上述物理量的传感器元件有的需要在施工之前设计好，在施工时一起埋入混凝土中。如果不准备建立健康监测系统，应在运营过程中，制定检测、维护的制度，对不同部位的构件定期进行检测，发现劣化迹象，及时进行维护和维修。混凝土结构的耐久性或预期使用年限是建立在预定的维修与使用条件下的。构件劣化的及早发现和及早维修，可以减小维修难度，节省费用。特别是排水、防水设施（如排水管道、接缝处等）需要进行及时检查、清理和维修，保证桥梁健康、安全运营。为方便检测维修，在设计中需要预留必要的条件，如通道、工作空间和装置等。检测维护制度制定可参照桥梁结构各部位的设计使用年限（见2 设计使用年限）。投入运行后，桥梁的定期检查、维护、维修制度应由业主制定并付诸实行。下面给出英国、香港两座设计使用年限为120年的桥梁的检修方案，以供参考。需要强调的是，每隔若干年（如10年或20年），应对重要结构部位的混凝土耐久性性能进行检验和评估，包括混凝土的腐蚀程度、混凝土的氯离子含量、渗透性和氯离子扩散系数等，用于评估结构的耐久性状态，并为维修措施提供依据。表8-9 英国、香港两座桥梁及其主要构建使用寿命检修制度[2] 桥梁及主要构件英国某桥香港某桥检查、维护周期寿命（年）检查、维护周期寿命（年）桥梁整体每6年检查一次 120 每5年检查一次 120 基础 - 120 - 120 墩台每20年检查一次 120 每23年检查一次 120 混凝土桥面板 - 120 每23年检查一次 120 钢主梁每12年维护并涂漆一次 120 每5年维护一次、，每10年涂漆一次 120 钢栏杆每12年维护并涂漆一次 120 每1年维护一次、，每10年涂漆一次 60 桥面铺装到期更换 15 到期更换 4 防水层到期更换 15 - - 伸缩缝到期更换 15 到期更换 8 支座到期更换 25 到期更换 60 排水每年维护一次 60 灯柱 - 25 每1年维护一次、，每6年涂漆一次 30 注：表中“-”表示原文献中缺乏该项内容。结构混凝土耐久性的评估与验收槟城二桥的现场混凝土耐久性质量检验至少应包含以下主要内容： 1）测定同条件养护混凝土的强度； 2）测定现场钢筋的混凝土保护层实际厚度； 3）测定实际结构中混凝土的氯离子含量； 4）测定同条件养护混凝土的氯离子扩散系数和电通量； 5）检验外防护技术质量，应符合相关标准的要求。评估与验收所采用的方法和标准应由设计、施工、业主等相关单位共同商讨确定。上述各项检验内容的数据应与设计指标进行比较，例如，应在现场制作混凝土试件中，取芯测定混凝土抗氯离子侵入性的扩散系数或电量指标，并与设计指标进行比较，根据实际检测结果，可以对桥梁使用寿命的预测值进行修正和调整。总论槟城二桥是马来西亚乃至东南亚地区重要的交通设施，是中马两国政府间的重大合作项目。作为混凝土结构跨海大桥，按照英国标准体系，在正常的检测、维护和维修基础上，槟城二桥的设计使用年限至少要达到120年，桥墩、承台、箱梁等不可更换的主体构件应达到此设计年限，其它构件应有30、50年不等的使用寿命。为此，需要对槟城二桥的混凝土结构进行必要的耐久性研究和评估，进行合理的耐久性设计。耐久性问题，影响因素众多，研究体系庞杂。抛开结构因素或者更窄地说是荷载因素不谈，简而言之，耐久性问题是结构材料在环境作用下性能随时间的演化过程。因此，清楚了解环境情况并准确判定它的类别和作用等级是耐久性设计的基础。就大环境而言，槟城二桥处于热带海洋环境中，海水中氯盐、硫酸盐、镁盐以及空气中的CO2等有害介质对混凝土材料以及钢筋混凝土结构有着重要的侵蚀作用，从化学反应角度看，这种侵蚀作用在湿热的马来西亚更加危险；就微环境而言，在大气、水下、浪溅以及潮差区，侵蚀作用的程度有所不同，而且还可能存在海洋生物、微生物的腐蚀作用。经过研究认为，氯离子侵蚀所引起的钢筋锈蚀仍然是槟城二桥面临的最主要腐蚀因素。CO2的碳化作用在高湿度地区的腐蚀程度目前未有统一的看法，但无论如何，即使在湿润环境中，CO2的碳化作用得到加强，它仍然无法与氯离子的危害性相提并论。控制住氯离子侵蚀，就能满足混凝土抗碳化的要求。当然，碳化和氯离子的耦合作用，可能使钢筋锈蚀的发生时间提前，因此，在考虑氯离子侵蚀的程度时，应留有更大的安全裕度，以确保足够的耐久性。密实的、低渗透性的混凝土在海水中受到硫酸盐、镁盐的侵蚀并不明显。减少混凝土胶凝体系中的含Ca量，可以明显减轻硫酸盐的侵蚀。氯盐、水分以及充足的氧气是钢筋锈蚀发生的必要条件。海水的干湿循环区域容易满足这些必要条件，因而腐蚀最严重结构部位是水位变动区和浪溅区，尤其是浪溅区，不仅干湿循环频率高，还要受到浪溅的拍击和冲刷作用。水下区长期处于海水浸泡中，因水中溶解氧有限，发生钢筋锈蚀的可能性大大减小；而大气区不与海水直接接触，且大多数时间处于干燥状态，在无渗漏情况下，一般发生锈蚀的概率也相对较低。因此，对不同的结构部位应采取不同的耐久性措施。首先采用耐久的高性能混凝土。针对工程的实际情况，选择优质的原材料，是配制高性能混凝土的前提。水泥、矿物掺合料、骨料、化学外加剂与拌合水都必须满足相关标准的规定。原材料品质不良和不正确的施工方法，可能引起混凝土的质量问题，在这种情况下，不但混凝土的耐久性能达不到要求，就是基本性能也无法令人满意。最主要的问题是：1）配制混凝土的各种原材料将超过限值的氯化物引入混凝土，导致混凝土内部氯离子含量过高，引起钢筋锈蚀；2）使用了有碱活性的骨料和高碱含量的水泥或者矿物掺合料或者化学外加剂，引起碱骨料反应的发生，严重破坏混凝土结构；3）水泥中过高的C3A含量、硫酸盐含量以及过高的养护温度，可能引发与硫酸盐有关的几种腐蚀形式；4）高C3A含量、高C3S和高碱含量，对混凝土的早期热开裂有不利影响。即使选用优质合格的原材料，也未必就一定生产出耐久的混凝土，原因是混凝土是一种容易开裂的材料。混凝土一旦开裂，侵蚀介质就可以迅速侵入内部，引起更快、更严重的破坏作用。混凝土开裂有复杂的原因，但归根结底是受到约束的混凝土发生过大的变形，由此引起拉应力，当拉应力超过材料当时所具有的抗拉强度时，裂缝就不可避免地发生了。混凝土的变形有很多种类，主要体现为收缩，主要包括塑性收缩、自收缩、干燥收缩和温度收缩。不同类型的收缩在不同阶段引起混凝土开裂。混凝土的裂缝主要发生在早期，除了塑性收缩外，温度收缩引起的裂缝最为严重，称之为混凝土的早期热裂缝。大体积混凝土由于散热缓慢，温度积累过高，且截面尺寸较大，温度梯度在同一截面内引起的变形不一致，更容易发生早期热裂缝。控制混凝土的早期热裂缝，一般从以下几方面着手：1）选用水化热低、抗裂性好的水泥，大量使用粉煤灰、矿渣这类水化活性低的矿物掺合料，从放热源头上降低混凝土的温度；2）优化混凝土的配合比，改善骨料级配，使得骨料尽可能紧密堆积，形成坚强的骨架支撑，有利于限制水泥浆体的收缩；同时，在骨料形成紧密堆积的情况下，水泥浆体含量减少；选用热膨胀系数较小的岩石作为骨料，将能增加体积稳定性；3）通过多种方式控制温度，冷却原材料如使用冷却拌合水、甚至用冰块拌制混凝土，严格控制入模温度，对于体积更大的混凝土，必要时使用冷却水管对混凝土内部进行降温；4）采取正确的施工方式，包括采用正确的施工顺序，及时地进行湿养护以及合理地使用保温与降温措施。在采取措施保证混凝土不出现可见的危害性裂缝的情况下，可以通过选用合理的胶凝材料体系和适宜的用量，降低水胶比来获提高混凝土的耐久性。研究和工程实践表明，粉煤灰、矿渣等矿物掺合料及其它们的复合组成，能够有效降低混凝土水化热，改善孔隙结构，增加密实性和抗渗性能，减轻碱骨料反应、硫酸盐侵蚀等危害，是配制耐久混凝土的必要组分。由于混凝土的原材料必须从马来西亚当地获取，根据调研情况，本研究提出了使用粉煤灰水泥，外掺矿渣粉或者矿渣水泥的方案，并给出了最大水胶比和最小胶凝材料的建议值。在混凝土配合比中，骨料的品质和级配对混凝土性能有着十分重要的影响。因此，选择合理的骨料及其级配是获得优质混凝土的关键因素之一。本研究针对不同的工程部位，给出了相应的建议方案。有了耐久的高性能混凝土，设置足够厚度的保护层是提高混凝土结构耐久性的最关键因素之一。提高保护层是提高混凝土结构耐久性最直接、最经济、最有效的措施。但过大的保护层也会带来问题，最主要的问题是缺少钢筋的约束，过大的保护层容易发生开裂，而且裂缝宽度与保护层厚度直接相关，特别是对于梁这类受弯构件，情况更为明显。而承台一类的受压构件，则可以使用较大的保护层厚度。水是混凝土桥梁结构劣化的首要因素，是所谓的引起桥梁众多病害的“头号敌人”。因此正如BA 57/01所说：“采取主动的方法，通过精细地设计和施工，做好桥面的排水，使水汇入排水系统导走，对于耐久性而言是极端重要（crucial importance）的；而提供一套有效的桥面的防水系统同样是极端重要的（crucial importance）。”从防水角度看，结构设计应遵循整体性原则，尽可能减小桥梁的各种接缝；接缝处应采取积极的措施进行排水和防水。防水、排水系统应该满足可检、可修、可换的要求，并在结构运营中定期检测、维修防水、排水系统。表面光滑、平整且具有良好的抗渗性能的混凝土是防水的良好屏障。但是在恶劣的海洋环境中，单凭混凝土难以抵御携带侵蚀介质的水分的长期侵蚀，因此需要采用其他的防护措施来增强混凝土结构的耐久性。目前为防止钢筋锈蚀而常用的附加防护措施有：1）使用环氧涂层钢筋；2）使用钢筋阻锈剂；3）使用阴极保护系统；4）使用外防护；5）使用不锈钢等特殊耐锈蚀材料；6）使用控制渗透性模板等。经过分析研究，本报告认为采用外防护技术是较为理想的方案，首先是它的有效性是确定的，采用物理隔离、隔绝的方法，如表面涂层或者硅烷浸渍处理，可以提高混凝土的防水性能，同时隔绝有害介质的侵蚀作用；而环氧涂层钢筋和阴极保护系统的有效性很大程度上取决于施工质量，且它们的施工难度大，要求高，出错概率高；钢筋阻锈剂的有效性至今仍有争议，很大程度上依赖于具体产品的品质，而实际情况是各种产品的性能参差不齐。可见，采用外防护，技术风险明显较低。而且，外防护可检查、可修复，在达到它的使用年限后，可以修复或者替换。不似钢筋阻锈剂等掺入混凝土内部，一旦使用后，只能寄希望于它在整个使用年限内永久有效，即便发现它们失效，也无法替换，可控制性差。所以，本研究建议使用外防护技术，必要时可以在关键部位使用不锈钢作为外层钢筋，在实际条件允许的情况下，不排斥使用控制渗透性模板（见附录）。一切设计意图都需要通过施工来实现。施工工艺及其质量控制的重要性是不言而喻的，甚至可以用“极端重要”来形容。上述拟采取的措施都需要良好的施工才能保证其有效性，特别是混凝土这种复合材料，影响因素多，在生产过程中对外界的干扰因素十分敏感，施工工艺与质量控制更显得十分重要，很多混凝土结构的耐久性问题首先是糟糕的施工质量导致的。在这个意义上，对施工质量无论怎么强调都不过分。需要建立严密的质量控制体系，实行严格的技术要求，配套相关的保证措施，在每一个环节控制好施工质量。施工完成后，应进行相关的评估和验收。在结构混凝土的耐久性方面，主要是检测混凝土质量、保护层厚度、表面混凝土的抗渗透性、氯离子扩散系数和实测混凝土中的氯离子含量等，用以对耐久性作出评估。结构的耐久性并非一劳永逸的事，运营过程中的监测（或检测）、正常的维护与维修是达到设计使用年限的重要保证。不同构件的设计使用年限不同，寿命终结时需要替换，由于各种原因出现劣化破坏的，应通过监测或者例行检测及时发现、及时维修。特别是防水、排水系统，对桥梁的耐久性有重要作用。维持防水、排水系统的正常使用功能，可以将整个桥梁的使用寿命大大提高。建立和实行检测、维修制度是桥梁运营后管理部门的一项重要任务。设计应遵循结构的可检性、可修性的原则，为日后检测维修的人员、设备留有必要的工作空间和设施。检测维修应该包括耐久性评估的内容，每隔若干年（如10年或20年），应对重要结构部位的混凝土耐久性性能进行检验和评估，包括混凝土的腐蚀程度、混凝土的氯离子含量、渗透性和氯离子扩散系数等，用于评估结构的耐久性状态，并为维修措施提供依据。与钢筋混凝土相比，预应力混凝土有着特殊的耐久性问题，本研究进行了专题分析。应选择耐久性能良好的预应力结构形式，精心设计和处理好关键部位如孔道灌浆、锚头和锚固端以及预应力筋防腐等。后张预应力，特别是有粘结预应力，应更加注重其耐久性的保证措施，设计和施工应参考专门的技术文件。本研究基于氯离子腐蚀的数学模型，对槟城二桥进行了寿命预测的计算。计算结果表明：采用本研究提出的耐久性方案，在不考虑外防护技术的保护作用的情况下，尽管参数的选定偏于保守，随机概率计算的结果显示：桥梁设定的耐久性参数（氯离子扩散系数和保护层厚度），对于箱梁（处于海洋大气区）、桥墩（处于浪溅区）和承台（水下区、潮差区和浪溅区）等重要不易更换的结构部位，120年对应的可靠度指标均超过，满足耐久性设计要求。本研究搜集一些已经建造完成的设计使用年限超过100年的桥梁工程的耐久性设计案例，它们是丹麦的大贝尔特工程、连接丹麦和瑞典的厄勒海峡大桥、加拿大联盟大桥和中国的杭州湾大桥大桥。这些案例对槟城二桥的耐久性设计有一定的参考和借鉴作用。附录与影响建筑耐久性相关的因素表10-1 与建筑物耐久性相关的因素类型来源外因内因大气地基使用设计结果机械力作用重力作用力及约束变形动能振动与噪声雪荷载、雨水荷载冰胀压力热膨胀、湿膨胀风、雹，外力、沙尘暴风、雷、航空轰炸、交通作用、机械噪音地基压力、水压力沉陷、滑移和隆起地震振动和机械噪音活荷载作业荷载刻痕内部作用力，磨损来自音乐、舞蹈和家用设施的噪音和震动死荷载收缩、徐变，作用力以及变形作用水击作用维护噪音和震动电磁作用辐射电磁太阳辐射、放射性辐射雷电 - 放射性辐射杂散电流 - 灯光，放射性辐射 - 磁场辐射表面静电、供电电磁场热作用加热、冰冻、热冲击地热、冰冻用户热量、烟草加热、火化学物质水与溶液氧化剂还原剂酸碱盐中性膨胀性物质空气湿度、凝结、沉淀氧气、臭氧、氮氧化物 - 碳酸、鸟粪、硫酸 - 盐雾中性粉尘表面水、地下水电化学正电位硫化物碳酸、腐殖酸石灰硝酸盐、磷酸盐、氯盐、硫酸盐石灰石、硅铁、矿渣、黄铁矿页岩喷水、冷凝、除垢剂酒精消毒、漂白剂可燃物、氨醋酸、柠檬酸、碳酸氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵氯化钠脂肪、油、墨、中性粉尘给水、废水、渗漏电化学正电位可燃物，电化学负电位硫酸盐、碳酸氢氧化钠、水泥氯化钙、硫酸盐、抹灰脂肪、油、墨、中性粉尘生物作用植物与微生物活动动物菌类、种子、霉类、真菌、藻类昆虫、鸟类菌类、霉类、真菌、植物根系啮齿类动物、蚁类、软体虫菌类、霉类、真菌家畜需要排湿 - 中国标准对环境作用及其作用等级的划分结构所处的环境按其对钢筋和混凝土材料的不同腐蚀作用机理分为5类，见下表。表10-2 环境分类类别名称 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅴ1 Ⅴ2 Ⅴ3 碳化引起钢筋锈蚀的一般环境反复冻融引起混凝土冻蚀的环境海水氯化物引起钢筋锈蚀的近海或海洋环境除冰盐等其他氯化物引起钢筋锈蚀的环境其他化学物质引起混凝土腐蚀的环境: 土中和水中的化学腐蚀环境大气污染环境盐结晶环境注：氯化物环境（Ⅲ和Ⅳ）对混凝土材料也有一定腐蚀作用，但主要是引起钢筋的严重锈蚀。反复冻融（Ⅱ）和其他化学介质（Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅴ3）对混凝土的冻蚀和腐蚀，也会间接促进钢筋锈蚀，有的并能直接引起钢筋锈蚀，但主要是对混凝土的损伤和破坏。环境作用按其对配筋（钢筋和预应力筋）混凝土结构侵蚀的严重程度分为6级（表10-3）。表10-3 环境作用等级作用等级作用程度的定性描述 A B C D E F 可忽略轻度中度严重非常严重极端严重不同环境类别在不同的环境条件（如湿度、温度、侵蚀介质的浓度等）下对配筋混凝土结构的环境作用等级如表10-4和表10-5所示。当土中和水中的化学腐蚀环境（Ⅴ1）有多种化学物质（表-2）一起作用于结构上时，应取其中最高的作用等级作为环境Ⅴ1的作用等级；但如其中有两种或多种化学物质的作用均处于相同的最高作用等级时，则为考虑可能加重的化学腐蚀后果，应按再提高一个等级作为结构所处Ⅴ1环境类别的作用等级。表10-4 环境分类及环境作用等级环境类别环境条件1 作用等级示例 Ⅰ 一般环境（无冻融，盐、酸等作用）室内干燥环境 Ⅰ-A 长期干燥、低湿度环境2中的室内混凝土构件非干湿交替的室内潮湿环境；非干湿交替的露天环境；长期湿润环境 Ⅰ-B 中、高湿度环境2中的室内混凝土构件；不受雨淋或与水接触的露天构件；长期与水或湿润土体接触的水中或土中构件干湿交替环境1 南方炎热潮湿的露天环境 Ⅰ-C 与冷凝结露水接触的室内天窗构件；地下室顶板构件；表面频繁淋雨或频繁与水接触的室外构件；处于水位变动区的大气中构件 Ⅱ 冻融环境微冻地区4，混凝土高度饱水5 无氯盐3 Ⅱ-C 微冻地区水位变动区的构件，频繁受雨淋的构件水平表面有氯盐3 Ⅱ-D 严寒和寒冷地区4，混凝土中度饱水5 无氯盐3 Ⅱ-C 严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面有氯盐3 Ⅱ-D 严寒和寒冷地区4，混凝土高度饱水5 无氯盐3 Ⅱ-D 水位变动区的构件，频繁受雨淋的构件水平表面有氯盐3 Ⅱ-E Ⅲ近海或海洋环境6 水下区 Ⅲ-D7 长期浸没于海水中的桥墩大气区轻度盐雾区离平均水位15m以上的海上大气区，离涨潮岸线100m外至300m内的陆上室外环境 Ⅲ-D 靠海的陆上室外构件桥梁上部结构构件重度盐雾区离平均水位上方15m以内的海上大气区，离涨潮岸线100m内的陆上室外环境 Ⅲ-E 靠海的陆上室外构件桥梁上部结构构件潮汐区和浪溅区，非炎热地区 Ⅲ-E 桥墩潮汐区和浪溅区，南方炎热潮湿地区 Ⅲ-F 桥墩土中区非干湿交替 Ⅲ-D7 桩干湿交替 Ⅲ-E 地下结构中外侧接触地下水而内侧接触空气的混凝土衬砌结构 Ⅳ 除冰盐等其他氯化物环境（来自海水的除外）较低氯离子浓度8 （反复冻融环境按Ⅳ-D） Ⅳ-C 与含有较低浓度氯盐8的土体或水体接触的构件，无干湿交替引起的浓度积累较高氯离子浓度 Ⅳ-D 受除冰盐直接溅射的构件竖向表面与含有较高浓度氯盐8的水体或土体接触的构件高氯离子浓度，或干湿交替引起氯离子积累 Ⅳ-E 直接接触除冰盐的构件水平表面与含有高浓度氯盐8的土体或水体接触的构件 Ⅴ1 土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境（来自海水等氯化物除外）（见表10-5）与含有腐蚀性化学物质如硫酸盐、镁盐、碳酸等土体、地下水、地表水接触的结构构件 Ⅴ2 大气污染环境（来自海水的盐雾除外）汽车或机车废气 Ⅴ2 -C 受废气直射的结构构件，处于有限封闭空间内受废气作用的车库或隧道构件酸雨（酸雨pH值小于4时按E级） Ⅴ2 -D 遭酸雨频繁作用的构件盐碱地区含盐分的大气和雨水作用（盐度很高的情况宜按E级，较轻时可按C级） Ⅴ2 -D 盐碱地区的露天构件，尤其是受雨淋的构件 Ⅴ3 盐结晶环境轻度盐结晶 Ⅴ3 - E 与含盐土壤接触的电杆、墙、柱等露出于地面以上的“吸附区” 重度盐结晶（大温差、频繁干湿交替） Ⅴ3 - F 注： 1、表中的环境条件系指与混凝土表面接触的局部环境；对钢筋则为混凝土保护层的表面环境，但如构件的一侧表面接触空气而对侧表面接触水体或湿润土体，则空气一侧的钢筋需按干湿交替环境考虑。 2、长期干燥的低湿度室内环境指室内相对湿度RH长期处于60%以下，中、高湿度环境指相对湿度的年平均值大于60%。 3、氯盐指除冰盐或海水中氯盐。 4、冻融环境按当地最冷月平均气温划分为严寒地区、寒冷地区和微冻地区，其最冷月的平均气温t分别为 t ≤-8oC， -8 oC < t <-3 oC 和 -3 oC ≤t≤ oC 。但在海洋环境，海水的冰冻应根据当地的实际调查确定。 5、高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体，混凝土体内高度水饱和；中度饱和指冰冻前偶受雨水或潮湿，混凝土体内饱水程度不高。 6、近海或海洋环境中的水下区、潮汐区、浪溅区和大气区的划分，可参考海港工程混凝土结构防腐蚀规范（JTJ275-2000）的规定。近海或海洋环境的土中区，指海底以下或近海的陆区地下，其地下水中的盐类成分与海水相近。 7、周边永久浸没于海水或地下海水中的构件，其环境作用等级可按Ⅲ-C考虑，但流动水流的情况除外。 8、地表或地下水中氯离子浓度（mg/l）的高、低区分为：低 100-500；较高 501-5000；高>5000。如构件周边永久浸没水中不存在干湿交替或接触大气，可按环境作用等级Ⅳ-C 考虑。表10-5 土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境（Ⅴ1）及其作用等级腐蚀作用等级 Ⅴ1-C Ⅴ1-D Ⅴ1-E 水中 mg/L ≥200，＜1000 ≥1000，＜4000 ≥4000，＜10000 土中 mg/kg ≥300，＜1500 ≥1500，＜6000 ≥6000，＜15000 水中 mg/L ≥300，＜1000 ≥1000，＜3000 ≥3000 水的pH值 ≥，＜ ≥，＜ ≥，＜水中CO2 mg/L ≥15，＜30 ≥30，＜60 ≥60，＜100 注：1、如构件处于弱透水土体（渗透系数小于10-5m/s或和水中、 CO2及pH值的作用均可按表中所示的等级降低一级取用。 2、含氯盐的咸水中可不单独考虑镁离子的侵蚀作用。 3、土中为土中水溶硫酸盐的硫酸根量。 4、硫酸盐作用等级或CO2作用等级为D和D级以上的构件，如处于流动地下水中，应考虑在构件的混凝土表面设置防腐面层或涂层。 5、高压水头下可加重硫酸盐的化学腐蚀。对于化学腐蚀环境（Ⅴ1、Ⅴ2或Ⅴ3）可比配筋混凝土结构降低一个等级取用，但不低于C级，对于氯盐环境（Ⅲ和Ⅳ）可按C级。使用过程中可能接触到海水、盐雾、氯化物除冰盐、氯化物消毒剂等氯盐作用的建筑物构件，如滨海建筑物的外墙构件、滨海停车库的地板（或楼板）、喷洒或将来可能喷洒除冰盐地区的停车库地板（或楼板）、游泳馆中接触氯盐消毒剂的构件、海洋馆中接触海水的结构构件等，应按近海环境和除冰盐等其他氯化物环境设计。桥梁构件的设计应考虑由于路面层、防水层和桥面伸缩缝等各种连接部位的渗漏所造成的局部环境作用，对于桥面板的顶面以及可能遭受来自伸缩缝处渗漏水作用的下部梁、柱（墩）表面，应按干湿交替的环境条件设计；桥梁中频受雨淋或与变动水位接触的构件也应按干湿交替的环境条件设计。桥面板的底面如有可靠的构造措施能够防止雨水或伸缩缝处渗漏水从构件的侧边淌入底面，则底部钢筋可按非干湿交替的露天环境条件设计。环境类别可能引起钢筋锈蚀和混凝土腐蚀外，在长期潮湿和有水长期作用的环境下，混凝土结构的耐久性设计还必须高度重视混凝土发生碱-骨料反应，钙矾石延迟反应和软水对混凝土溶析破坏的可能性，并在设计施工中采取相应的对策。 ACI报告：在热天生产优质混凝土（覃维祖译自Making Good Concrete in Hot Weather. Concrete International. April, 1992）在环境温度高、湿度低、阳光辐射或刮风时拌合、运输、浇筑和养护混凝土，会遇到一系列问题。这些问题多数和水泥水化速率加快，新拌混凝土的水分蒸发加剧，如果遵循ACI 305委员会报告所提出的一些办法，可以将其尽量减小。通常规范里规定有混凝土的最高浇筑温度，试图控制强度、耐久性、塑性收缩裂缝、热裂缝以及干燥收缩。但是在热天浇筑混凝土的情况非常复杂，以至于仅规定“浇筑时”或“运达时”的最高温度还很不够。下面叙述尽量减少在热天浇筑混凝土所遇到问题必须的办法。热天问题新拌混凝土在热天遇到的问题包括：需水量增加坍落度损失速率增大凝结速率加快塑性收缩裂缝增加控制含气量的难度增大坍落度损失速率加快，增大了现场往混凝土里加水的趋势；凝结速率加快使混凝土难于操作、抹面和捣实，且增加了出现冷缝的危险。在热天硬化混凝土遇到的问题可能有： 28d和后期强度降低缝增多渗透性增大钢筋锈蚀加剧耐久性降低表面外观的变异更大 28d和后期强度降低是由于需水量增加，以及浇筑时或者开始几天混凝土温度高的缘故。裂缝增多包括由于整个结构降温，或者结构构件体内的温差，以及由于用水量增加等引起的干缩裂缝。开裂和渗透性增大，使钢筋锈蚀和耐久性降低的可能性增加。表面外观可能是冷缝，以及由于水化速率或水灰比不同产生的色差结合所造成。与气候同时需要考虑的其它因素包括：使用水化速率较高的水泥；采用高强混凝土需要高水泥用量；配筋百分率较大的薄混凝土断面，使浇筑和捣固困难；在特别热的天气里由于经济需要继续施工；采用收缩补偿混凝土热天混凝土浇筑可能产生的问题在热带或干燥地区一年的任何时候都会遇到。由于热收缩产生的开裂在春秋季节通常更严重，那时24hr里的温差比较大。温和、潮湿的天气，要比干燥天、风天、太阳天好办些，即使气温一样。热天施工热天对混凝土造成的任何损伤都不可能完全减轻，因此需要在质量、经济与可实施性之间选择适当地折中。办法取决施工的类型、所用材料的特性和当地混凝土业处理高气温、高混凝土温度、低相对湿度、风速与太阳辐射的经验。当现场施工人员对热天混凝土浇筑，或者对正在施工的工程类型缺乏经验时困难最大。应该早点采用预防措施，强调对材料的评估，提前计划和采购，以及各工作步骤的合作。在热天开始混凝土施工之前，应计划好拌合、浇筑、防护、养护、温度检测和混凝土试验的详细程序。要注意避免塑性收缩裂缝和预期可能产生的热裂缝。为了控制开裂，要考虑到许多因素，例如接缝处理，增加配筋或纤维用量，限制混凝土温度、水泥用量、水泥水化热、拆模时间、并选择化学外加剂与矿物掺合料的用量。热天混凝土浇筑可能减小或避免的问题有：采用的材料与配合比曾有过热天使用成功的记录用预冷混凝土；混凝土的稠度可供快速浇筑和有效捣实；运送、浇筑、捣固与抹面尽量不拖延规划施工以避免混凝土暴露在不利的环境里；浇筑与养护全过程保护混凝土避免水分散失。配合比设计水泥用量尽量少但要能满足强度、耐久性的需要。可以用辅助胶凝材料，例如粉煤灰和磨细高炉矿渣延缓凝结，减轻水化温升带来的影响。用减水剂、缓凝剂和高效缓凝减水剂有助于抵消需水量增大和温度上升引起的强度损失。在混凝土运送距离和时间较长的情况下，应考虑用高效缓凝减水剂来保持坍落度。选择骨料应使得拌合时的需水量较低，混凝土的热性能良好。除非有其它要求，应控制坍落度不小于，使其能够很快地浇筑并捣实。提供的混凝土拌合物应在与工程近似的热天气候条件进行验证。生产和运送在热天配料与拌合，特别要注意混凝土的坍落度及其它规定的品质要合适。如果因为不符合施工规程要求，必须抛弃一批混凝土，就会中断浇筑，导致冷缝形成，或给抹面操作造成困难。拌合物温度应通过冷却组分使其尽可能低。做法包括给材料储仓遮阴；将水放在隔热的容器里；在漏斗和箱柜表面涂刷反射热的油漆；骨料可以用往料堆上喷水、喷雾进一步冷却；拌合水用冷却器、冰或液氮冷却。液氮还可用于冷却已拌好的拌合物。在一定搅拌速度下尽量减少拌合转数，以避免混凝土任何不必要的吸热。搅拌机表面涂白漆有助于混凝土降温。混凝土拌好后应尽快浇筑，混凝土供应商应与工地紧密联系，尽量减少时间安排问题。当浇筑劲度缓慢时，应考虑减小浇筑范围、用缓凝剂或冷却混凝土。浇筑和抹面新拌混凝土应尽可能地避免不利条件。负责施工的人员应关注当地的天气预报，并日常记录现场条件。这些数据可用于预测可能的气温、混凝土温度、相对湿度和风速的组合，且采取必要的防护措施。现场还应要备有更准确地测定蒸发速率的设施。混凝土应尽可能快地浇筑和捣实，延误会增大坍落度损失，引起加水重塑。混凝土坍落度至少，除非有其它需要。坍落度过小降低浇筑速度，且混凝土从环境吸收更多的热量，水泥水化和凝结速率会进一步加快，相应坍落度损失更大，浇筑会更困难。通常混凝土需要浅层浇筑，以保证下面的一层可以被覆盖，同时又要让其易于振捣。热天浇筑单片墙壁和板（让壁板混凝土沉降收缩）的时间间隔很短，可以采用缓凝剂使它延长。与地面接触的板浇筑前应先往基层上浇水湿润。对于各种类型的平板都必须限制小面积地操作，不断往前推进，使添加混凝土料的暴露面尽量小。应该采用喷雾让空气、模板和钢筋冷却，在每次抹面前后混凝土表面蒸发的水少些。其它防止水分散失的方法有覆盖易于取掉的密封膜，或者在抹面的间隔采用保水膜。混凝土必须防止水分散失引起塑性收缩裂缝，在浇筑体积比较大的混凝土时，塑性收缩裂缝有时可以通过镘平前进行再次振捣而闭合。混凝土终凝前，裂缝常可以用镘刀在裂缝两侧表面拍打闭合。仅用抹刀往裂缝上盖点水泥浆，只管用很短时间，如果不使劲让其闭合，且立即覆盖防止蒸发，就还会再次裂开。养护和保护浇筑和抹面后，混凝土还需要防护。要保持在均匀切温和的温度条件下，使其强度充分地发展。从最终强度来看，初期养护温度高，比浇筑温度高还更有害。还应防护避免由于降温过快产生温度裂缝，特别是第1天里。暴露面必须防止干燥，至少应养护7d。模板应覆盖并保持湿润。模板在不会损伤混凝土的条件下，应尽可能早地松动。拆除模板后，新露出的表面应用湿物均匀覆盖。平板应湿养护让强度发展，并尽量减小早期的干燥收缩。当工地条件不允许湿养护时，喷洒养护剂是最适用的养护方法。试验高温、低相对湿度与干风对用于进行试验和制备试件，体积小的混凝土特别有害。让取来的混凝土试样暴露在阳光下、吹风或干燥空气里会严重影响实验结果的准确性。用于验收作为依据的混凝土强度试件应该特别注意防护。需要比平常更频繁地进行坍落度、含气量、混凝土温度和单位重试验。还可能需要测定原材料温度、初终凝时间、坍落度损失、浇筑时的环境温度和相对湿度。冷却混凝土 1）冷拌合水如果将拌合水冷却，混凝土可以冷却6℃。一种方法是采用足以满足混凝土生产率的机械冷冻设备和将拌合水隔热放置；另一种方法是将液氮注入在隔热容器放置的拌合水里，然后将冷水添加到拌合料中。如果把冰加到拌合水里，可以降温达11℃。冰块可以用破碎/投放装置加入搅拌机。碎冰和片冰可以在靠近混凝土预拌站的制冰厂里生产并送入搅拌机，或者向要倒入搅拌机的流水注入液氮，将拌合水制成冰泥。 2）用液氮冷却拌好的混凝土用液氮冷却拌好的混凝土比较昂贵，但从实用和效果可以得到补偿。实用时的限制是靠近喷嘴的混凝土会冻结成块状，在需要混凝土冷却到10℃以下时就会发生这种现象。 3）冷却粗骨料粗骨料的温度可以用喷雾或浇淋的方法有效地降低；也可以通过将气流吹向潮湿的粗骨料来冷却。这种方法的效果取决环境的温度、相对湿度和气流速度。采用经冷却的空气，而不是与环境温度相同的空气，可以降低混凝土温度达7℃，但这样的费用相对较高。后张预应力混凝土体系的耐久性要求本部分摘自中国土木工程学会标准CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南（2005年修订版）的附录D：“后张预应力混凝土体系的耐久性要求”。参考以下的技术标准，提出后张预应力体系设计与施工的耐久性要求：欧洲标准 EN445 预应力钢绞线灌浆的测试方法 1996 《EN 445:1996 Grout for prestressing tendons - test methods》欧洲标准 EN446 预应力钢绞线灌浆的施工方法 1996 《EN 446:1996 Grout for prestressing tendons - Grouting procedure》欧洲标准 EN447 预应力钢绞线普通灌浆的技术要求1996 《EN 446:1996 Grout for prestressing tendons - Specification for common grout》英国混凝土协会技术报告TR47 耐久的后张预应力混凝土桥梁（第二版）2002 《TR47 Durable Post-tensioned concrete bridges，British Concrete Society，2002》欧共体技术核准协会指南预应力结构后张组件合格验收的欧洲技术标准2002 《Guideline for European Technical Approval of Post-tensioning Kits for Prestressing of Structures， European Organization for Technical Approvals （EOTA），2002 美国佛罗里达州交通运输部后张预应力混凝土桥梁指南的最新指引 2002 《New Directions for Florida Post-tension Bridges，Florida Department of Transportion，-9， 2002》国际混凝土协会技术报告预应力钢绞线的耐久性 2001 《Durability of Post-tensioning Tendons，Technical Report， Bulletin 15， fib， 2001》 D1 影响后张预应力体系耐久性的主要因素除混凝土材料本身的耐久性外，在设计和施工中应考虑到可能影响后张预应力构件耐久性的主要因素如表D1-1所示。表D1-1 影响预应力体系耐久性的主要因素及其后果序号影响因素后果 1 预应力体系的材料缺陷材料（如高强钢丝、金属孔道管、灌浆材料等）自身耐久性不足 2 预应力施工质量预应力管道灌浆质量缺陷 3 伸缩缝漏水，腐蚀性物质侵入预应力体系内部 4 施工缝透水，腐蚀性物质侵入预应力体系内部 5 混凝土开裂降低混凝土抗渗性，腐蚀性物质侵入 6 管道与锚固端布置不当的布置导致钢绞线保护体系失效 7 预制节段的拼接方式拼接界面不密封，腐蚀性物质侵入 8 海洋环境和除冰盐环境氯离子侵入预应力体系造成刚丝锈蚀破坏 9 防、排水系统外界水分和含有化学腐蚀物质的水溶液侵入预应力体系内部 10 结构检测设施不完善无法掌握预应力的实际运营状态 D2 预应力钢绞线的防护体系预应力钢绞线的防护体系可以由下列的一种或多种措施组成： 1、预应力钢丝材料。预应力钢丝通常为普通碳素钢丝，依照我国的预应力钢丝规范GB/T 5223-2002和YB/T 146-1998，主要有如下几类：冷拉钢丝、低松弛钢丝和普通松弛钢丝，含碳量控制在%%，磷、硫在% 以内。不同的生产工艺（冷拔、回火等）和化学成分能影响钢丝的锈蚀敏感性，预应力钢丝的并随钢丝应力的提高而加大。在环境严重作用的条件下，应严格挑选锈蚀敏感性较低的钢丝材料。 2、钢丝的表面处理。碳素钢丝的表面涂层可以有油脂涂层和环氧涂层。我国目前的技术工艺可以实现钢绞线单根钢丝的均匀环氧喷涂。涂层钢丝的绞线在运输、保管和施工过程中应避免涂层损坏。 3、预应力孔道管（套管）的填充。对于体内预应力钢绞线，常用的填充材料是水泥基浆体。水泥基浆体的压浆工艺直接影响到预应力钢绞线的耐久性，也是此类预应力体系耐久性的薄弱环节。欧洲标准规定：水泥基浆体应均匀填充预应力套管，允许硬化浆体含有不大于5%套管截面积的局部孔隙。对于体外预应力钢绞线，套管中的填充材料除水泥基材料以外，可以有油脂和石腊。无粘结预应力混凝土结构的体内钢绞线也用油脂和石腊填充套管，使用这些石化产品填充预应力套管的优点是可以在体系运营阶段中检查和补充，并能对钢绞线进行更换，延长整个体系的使用寿命。 4、预应力套管。预应力套管材料可以有金属、高密度聚乙烯（High density polyethylene，简写为HDPE）和聚丙烯（Polypropylene，简写为PP）。这些套管原则上均可用于体内和体外预应力体系。欧洲标准要求，HDPE，PP套管需要具备1Mpa的工作呈压能力，外径的制造误差为套管直径的%并且不大于1毫米。英国标准要求HDPE和PP套管在体内预应力体系中最小厚度为2毫米，施工磨损以后的厚度不应小于毫米；对于体外预应力体系套管最小厚度为4毫米。美国标准要求分节段施工的桥梁需要使用塑料孔道管。英国新颁布的标准要求预应力桥梁用塑料孔道管代替金属孔道管。我国现在已能生产塑料孔道管，但尚欠缺相应的技术标准，可以借鉴上面介绍的技术要求。 5、混凝土保护层。体内预应力体系有混凝土保护层，与普通钢筋混凝土构件中混凝土对钢筋的保护作用相同。具体要求可见本《指南》的第条。需要注意的是，预应力体系中的混凝土保护层有时会出现不连续的情况，例如节段施工的桥梁结构，节段间混凝土保护层是中断的。这时就需要用粘结剂将两个节段的断面粘结密封，保证节段间的连接具有抗外界物质侵入的能力。环氧树脂是常用的粘结材料，采用一般水泥砂浆粘结的性能并不可靠。 6、混凝土表面涂层。只适用于体内预应力体系。混凝土外表面是预应力结构与大气和外界物质接触的界面。对界面的防渗处理可以降低外界侵蚀性物质向混凝土内部传输的程度。表面涂层的选用应根据混凝土构件表面的具体位置和环境条件而定，可以参考本《指南》第节。对于一个具体结构中的预应力体系，并不是以上每种防护措施都属必需。结构设计人员应按照不同的环境类别与环境作用等级（见表-1）和预应力构件的具体使用年限，来选择预应力体系的保护措施，并组成一个有针对性的预应力防护体系。美国佛州交通运输部的标准建议，公路桥梁预应力体系的保护措施首先应是一个连续体系，至少应该包括上述保护措施中的3、4以及其余4个保护措施中的两个。 D3 预应力锚固端的防护体系预应力锚固端的组成复杂，包括锚杯，预应力筋、夹片、锚垫板、锚下加强钢筋等，各个元件之间存在固有的化学电位差，经过预应力张拉，均处于高应力状态。锚固端多处于梁端、伸缩缝等结构部位，易积存水、湿气及盐、酸的水溶液等外界侵蚀物质。在构造不良的情况下，这些侵蚀物质可以向预应力锚端内部迁移或进一步向孔道管中的钢束迁移。从现有统计资料看，预应力体系的锚固端是耐久性问题比较集中的区域。对锚端的保护措施从内到外可以有：预应力锚具组件的保护、锚头封罩的内部充填、锚头封罩、防渗涂层、砂浆（细石混凝土）封端层。 1、预应力锚具组件的保护。锚具的各个组件在高应力和有电位差的条件下工作，对侵蚀物质比较敏感。我国现有的技术手段可以对锚具的表面进行镀锌和镀氧化膜的方法。镀氧化膜是在锚具表面形成一层致密的四氧化三铁，可以隔离锚具材料和外界侵蚀物质，在环境严重作用下这种工艺值得推荐使用。镀锌的效果相对较差，而且的环境造成污染。另外，从耐久性角度看，整体式锚具比组件分离式锚具更为可靠。 2、锚头封罩的内部充填。填充材料可以是水泥基材料、油脂和石腊。这些填充材料的功能是将锚头和预应力钢绞线的末端与其它的周边材料隔离，阻止可能进入预应力锚头部分的外界侵蚀性物质。 3、锚头封罩。封罩的作用是保护锚头部分的组件和锚头填充材料，同时阻止周边可能存在的侵蚀性物质进入封罩内部。锚头封罩应该具备防锈和高度耐磨性能。 4、封端层。封端材料的作用是将锚头组件以及护罩等组件封盖起来，隔离其与外界环境之间可能的物质交换。封端材料通常是与结构混凝土相匹配的细石混凝土，封端层的厚度不能小于5厘米，具体规定参见本《指南》第条。 5、表面涂层。涂层位于封端层（如果有封端层）或者锚头护罩（没有封端层的条件下）的外表面上，其功能是阻止外界侵蚀性物质向混凝土内部传输，可以参考本《指南》的第节。英国标准要求锚固端防护体系的组成为： 1、对于桥梁的后张有粘结预应力构件，埋入式锚头的防护体系应该包括上述措施中的2、3、4、5，暴露式锚头的防护体系应该包括措施2、3、5； 2、对于桥梁的体外预应力体系，锚固端的防护体系应该包括措施2、3、5，并强调构造上应保证预应力钢绞线可被重复张拉； 3、对于节段施工的桥梁构件，不建议使用内部灌浆钢绞线（即有粘结钢绞线），锚固端应具备措施2、3、4，并且需要在施工接缝上设置两道防水层，防水层跨越施工接缝的每侧长度不应小于500毫米。美国佛州标准建议，对于节段施工的桥梁构件，预应力锚固端应埋入混凝土构件中，保护措施最少应包括：锚头填充材料、锚头护罩和表面涂层。我国目前对预应力锚固端的防护，一般只有措施1和4。锚头封罩但只用于一些比较特殊的领域。建议设计人员根据具体环境条件将锚头护罩和护罩内填充纳入预应力体系的防护措施中。 D4 后张预应力构件锚固端的构造要求预应力构件锚固端的构造形式对耐久性有显著影响，图D4-1至D4-5引自英国标准的建议，可供参考。在图D4-1中，构件端部的上方设有滴水凹槽，墩台顶面有排水沟，在埋入式锚头外表面、构件端部表面处均设有防水层。图D4-1 预应力梁端防水构造图D4-2 梁顶和底板的预应力锚固端构造图D4-3 埋入式锚头和暴露式锚头构造图D4-4 现浇节段施工的节段间预应力锚头构造图D1-5 预制节段施工的节段间预应力锚头构造 D5 预应力体系耐久性的总体防护措施除了上述的构造细节外，结构的总体防护也是预应力体系耐久性的重要内容。总体防护措施包括提高结构的防水性和采用分散预应力体系。提高结构的防水性，可以从根本上消除或者减缓外界侵蚀性物质向结构内部的迁移，采用分散预应力体系可以降低单根预应力钢绞线失效后的安全风险，可采取的具体措施见表D5-1。表D5-1 桥梁预应力体系耐久性的总体防护措施总体防护方法具体措施提高结构的防水性所有的预制节段之间需用环氧树脂封合控制构件的下缘处于无拉应力状态尽量减少桥面板的孔洞（指构造上的开孔，施工完毕后充填）数量不考虑桥面铺装对外界侵蚀物质的阻断作用对流水区域需要设置排水槽箱梁构件的下底板需设排水系统（可能有渗漏水）分散预应力体系尽量使用小吨位的预应力钢绞线任何一个预应力绞线的失效不应引起结构的严重失效设计阶段应该考虑锈蚀可能引起的预应力损失 D6 灌浆材料及水泥浆体的性能要求灌浆浆体可分为普通水泥浆体和特殊浆体，这里只讨论普通水泥浆体。水泥浆体由普通硅酸盐水泥、水和外加剂组成，还可加入一定数量的矿物掺合料。外加剂分为膨胀剂和非膨胀剂。膨胀剂呈粉状，可以消除水泥浆体硬化以后的收缩；非膨胀剂呈液态，功能是改善水泥浆体的流动性和泌水性。外加剂不应发生对预应力钢丝不利的腐蚀反应。外加剂的总量不应超出水泥重量的5%。灌浆材料在满足其它限制条件的前提下，应尽量降低水灰比，一般不应大于。水泥浆体的技术性能主要有流动性、泌水性、体积稳定性、强度和沉积度，相应的测试方法见D7节，并应满足表D6-1的要求。表D6-1 水泥浆体的性能要求序号性能指标技术要求 1 流动度 - 拌合完毕测试，< 25秒 - 灌浆完毕或拌合完毕30分钟后测试，< 25 秒 - 45分钟内流动时间变化，< 3秒 - 灌浆出浆口测试，> 10 秒 2 泌水率 - 标准泌水试验，24小时以内，< % - 二次泌水试验，24小时以内， <% - 二次泌水试验，24小时以内，空气高度比率，<% 3 体积变化率 - 24小时，-1% ～ 5% 4 强度 - 7天立方体强度 > 30 Mpa 5 沉积率 - 密度变化，< 5% D7 灌浆水泥浆体性能的测试方法对浆体性能的测试试验可以分为适应性试验（Suitability Test）和合格性试验（Acceptance Test）。适应性试验是在初步研究和选择浆体材料时进行的试验，合格性试验是现场测试拌合浆体和灌浆前后对浆体的测试试验。试验的标准温度为20±2摄氏度、湿度大于65%。现场试验条件与标准条件不同时，需要在试验报告中注明。 1、流动度浆体的流动性决定了浆体的凝结时间，现场浆体的初凝时间一般应大于3小时。在试验室，浆体流动度通常用圆锥漏斗试验（Cone Test）来测试，流动度的度量单位是时间，以秒为单位。具体的测试方法为：将孔径为毫米的筛网覆盖在圆锥漏斗顶端，将浆体通过筛网注入漏斗（图D7-1）中，测量从漏斗底端流出1升浆体需要的时间。原则上需要三次试验来确定浆体的流动度：浆体拌合完毕一次、30分钟后两次。但具体的适应性试验和合格性试验的要求见D8小节。图D7-1 测量浆体流动度的圆锥漏斗试验装置 2、泌水率浆体的泌水性是由浆体在圆柱筒中静置一段时间以后浆体顶部的泌水高度和浆体总高度的比例来表示的。英国标准的试验圆柱筒高度为、内径为60到100mm，圆柱筒中间插入数根直径约16mm、长度为的钢绞线，并且要求钢绞线的总截面积至少要占据预应力管道截面的30%。欧洲标准的试验圆柱筒高度为1m、内径为60到80 mm，内插一束7股钢丝的钢绞线，钢绞线的直径约16mm，长度需适应1m的筒高度（图D7-2）。试验需要测试浆体3小时和24小时的泌水度，用泌水高度占原始浆体高度的百分比表示。与我国现行的测试方法相比，上述试验方法采用了较大的筒体、且将钢绞线引入浆体中，更加接近浆体实际的泌水行为。本《指南》建议参照英国标准或欧洲标准进行泌水试验。具体测试数量见D8节。图D7-2 浆体泌水试验装置（欧洲标准） 3、体积变化率浆体的体积稳定性反映离析、收缩或膨胀引起的体积变化。试验装置与浆体泌水性试验相同。体积变化用24小时后浆体高度与初始高度的比率来表示。测试数量见D8节。 4、浆体强度用硬化水泥浆体的7天或28天抗压强度表示。我国水泥浆试件为70mm立方体试块。测试数量见D8节。 5、沉积率浆体沉积率表示由于浆体成分的密度差造成的浆体硬化密度的不均匀性。沉积率试验采用175毫米高的透明圆柱筒，内径为50到60毫米。浆体注入筒内24小时以后，将硬化的浆体柱沿高度方向切割为等量的4份，顶部浆体与底部浆体的密度比被用作来表示浆体的沉积率。 6、二次灌浆泌水率为确定在孔管道中实施二次灌浆（压浆）的可行性，需进行二次灌浆泌水试验。图D7-3为英国标准推荐的试验装置，包括内径80mm、高度5m的两根透明PVC管，每根PVC管内置有直径约16毫米的钢绞线。两根PVC管与地面倾角为30±2度。采用既定的灌浆工艺从1号PVC管底部的进浆口灌浆，直至顶部出浆口流出的浆体稠度与进浆相同。关闭1号管顶部出浆口，按既定工艺保持压力维持一段时间并关闭底部进浆口。从灌浆完毕开始，分别在0、30分钟、1小时、2小时和24小时记录PVC管顶部的空气和泌水的高度。 2号管的灌浆时间和工艺同1号管。2号管灌浆完毕以后，间隔一段时间（30分钟到2小时）后打开管道底部的进浆口和出浆口再次灌浆，排出顶部可能积存的空气和泌水。浆体流出出浆口以后，将顶部出浆口和底部入浆口封闭，2号管的二次灌浆完毕。记录2号管从第一次灌浆后24小时的泌水率，并且记录二次灌浆以前、二次灌浆以后30分钟、1小时和2小时的空气和泌水高度。泌水高度合格标准见表D6-1。图D7-3 二次灌浆试验装置示意图 D8 灌浆的施工方法与质量控制要求 1、灌浆和二次灌浆灌浆材料的拌合。针对灌浆管道的容量，一次拌合的浆体量要充足，拌合在环境温度下进行，并不应低于5摄氏度、不高于30摄氏度。如果需要确认既定灌浆方案的可行性，尤其了解管道中二次灌浆工艺的可行性，建议进行二次灌浆泌水试验。 2、灌浆设备和灌浆管道系统灌浆设备的最小要求为：浆体搅拌机、浆体储存器、压力泵、压浆连接组件以及必要的测量器具。压浆设备中必须包括一套孔径为2毫米的筛，搅拌成的浆体通过筛进入浆体存储器。压力泵应能够保持连续的浆体流，并保持浆体1Mpa的压力，并具有压力释放功能使浆体压力不超过2Mpa。连接浆体储存器和预应力管道之间的压浆管尺寸应与浆体流量相匹配。灌浆管道系统包括预应力钢绞线的套管、进浆口、出浆口、锚头、锚头封罩和预应力套管之间的连接器。在灌浆以前，要对灌浆管道系统进行气密性试验，具体方法是，在管道内充气加压至10 kPa，5分钟内压力减低在10%以内。对于体内预应力，套管的最小厚度要求见D2节；对于体外预应力，套管的最小厚度应为4毫米，并能抵抗 600 kPa 的灌浆压力。进浆口一般设置在预应力的锚头部分和预应力管道的低点。出浆口设置在沿灌浆方向管道的高点之后。进出浆口的内径不应小于15毫米，相互的间隔不宜大于15米。设在高点的出浆管应延伸到高点的500毫米以上。管道的内径至少要与出浆口内径相同。 3、适应性评价与取样方法浆体的流动性：在适应性试验中，要求进行至少3个流动性测试：浆体拌合以后进行1次测试、拌合30分钟以后或拌合以后等待一个实际管道灌浆时间进行2次测试。在现场测试试验时，需要至少测试：浆体拌合以后1次、每个锚头出浆口浆体1次和灌浆完毕剩余浆体1次。浆体的泌水性：适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试，现场测试试验要求对每立方米浆体进行1次测试。浆体的体积稳定性：适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试，现场测试试验要求对每立方米浆体进行1次测试。浆体的强度：适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试，现场测试试验要求对每立方米浆体进行1次测试。浆体的沉积率:适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试，现场测试试验要求至少每天1次或每次连续灌浆过程1次。 4、灌浆方法管道灌浆原则：管道灌浆需要对浆体进行适应性检测合格以后进行。基本的灌浆设备应包括浆体搅拌机、浆体存储器、压力泵、称量器具和现场试验设备。浆体拌合完毕后建议30分钟以内使用，对于加有膨胀剂的浆体，尤其要注意这个时间限制。灌浆一般从管道的低点开始，灌浆速度宜控制在每分钟5米到15米。灌浆过程应保证工艺的连续性，灌浆应持续到出浆口的浆体与灌入浆体相同，具体测试标准见表D2-1。然后，应逐个封闭出浆口。对于处于高点的出浆口，应在封闭以后再次打开出浆口，放出积存的离析水和空气以后予以封闭。建议采用真空灌浆技术，有利于浆体充满管道的内部。在温度低于4摄氏度的寒冷环境中不宜进行管道灌浆，除非采取措施使构件的温度保持在5摄氏度以上48小时，并注意不能用蒸汽对管道进行加热。本《指南》推荐有代表性的国外成熟灌浆工艺作为借鉴。根据英国标准，灌浆工艺的要点有：灌浆应在预应力钢绞线张拉后的28天以内尽早进行；保证管道内部没有积水；使用鼓入干燥空气的方法，检查每个出浆口的出浆能力；检验管道的气密性（充气500 kPa，5分钟气压降低小于10%）；灌浆从管道的底端进浆口开始，灌浆过程必须连续，灌浆速度不宜太快；在每个出浆口，灌浆应继续到流出的浆体稠度与灌入浆体相同；流出浆体达到灌入浆体的稠度后，还应放流5升浆体；满足上述条件后，沿灌浆方向逐次关闭出浆口；灌浆管道全部封闭以后，灌浆压力保持500 kPa 至少1分钟；立即打开管道高点出浆口，检查是否有泌水或空洞；如果有，需要二次灌浆。二次灌浆的操作规程与第一次相同；直到此出浆口排出浆体稠度与灌入浆体相同，并放流5升为止。二次灌浆完毕后，需维持灌浆压力500 kPa 1分钟以上；灌浆完毕后24小时内应避免移动灌浆构件；管道内浆体凝结以后，打开出浆口检查空洞情况；永久封闭所有出浆口。 5、质量控制压浆的质量控制总体上包括施工单位的内检和独立技术单位（如监理单位）的质量检测。质量检测从技术上包括材料、设备、浆体和灌浆四个方面。浆体材料应符合相应的标准；设备的质量控制包括设备本身的安装检查和施工人员的技术资质的确认；浆体的质量控制方法见上面“适应性评价与取样方法”，并参考表B6-1的性能要求；灌浆的质量控制可参考上面“灌浆方法”。《矿物掺合料应用技术规范》的有关技术规定本部分摘自中国国家标准《矿物掺合料应用技术规范（报批稿）》。 . 矿物掺合料技术要求粉煤灰和磨细粉煤灰的技术要求应符合表的规定。表粉煤灰和磨细粉煤灰的技术要求项目技术指标 F类和C类粉煤灰磨细粉煤灰级别 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 细度 45μm方孔筛筛余）（%） ≤ ≤ — — 比表面积（m2/kg） — ≥600 ≥400 需水量比（%） ≤95 ≤105 ≤95 ≤105 烧失量（%） ≤ ≤ ≤ ≤ 含水量（%） ≤ 三氧化硫（%） ≤ 氯离子（%） — ≤ 注：C类粉煤灰除应符合表类粉煤灰的规定外，尚应满足以下要求： ① 游离氧化钙不大于4%； ② 安定性：沸煮后雷氏夹增加距离不大于5mm。粒化高炉矿渣粉的技术要求应符合表的规定。表粒化高炉矿渣粉的技术要求项目技术指标级别 S105 S95 S75 密度（g/cm3） ≥ 比表面积（m2/kg） ≥350 活性指数（%） 7d ≥95 ≥75 ≥551） 28d ≥105 ≥95 ≥75 流动度比（%） ≥85 ≥90 ≥95 三氧化硫（%） ≤ 含水量（%） ≤ 烧失量2）（%） ≤ 氯离子2）（%） ≤ 1）可根据客户要求协商提高。 2）选择性指标。当用户有要求时，供货方应提供矿渣粉的氯离子和烧失量数据。硅灰的技术要求应符合表的规定。表硅灰的技术要求项目技术指标比表面积（m2/kg） ≥15000 二氧化硅含量（%） ≥85 含水量（%） ≤ 烧失量（%） ≤ 需水量比（%） ≤125 氯离子含量（%） ≤ 控制渗透性模板传统上使用钢模和木模，使得与模板接触的表层混凝土，与芯部混凝土相比，有较高的水灰比，因此表面混凝土质量，特别是抗渗性较差，抗氯离子能力降低。为此，一般通过如下措施进行改善：表面处理、涂层、使用更耐久的混凝土、使用钢筋阻锈剂和采取更好的养护方法。上世纪80年代，出现了控制渗透性模板（Controlled Permeability Formwork），它可以降低表层混凝土的水灰比，获得良好的混凝土质量。大量的应用实践证明这种方法的有效性，相关标准和指导性文件给予了确认，如BS 8500-1将使用控制渗透性模板作为附加的保护性措施之一提出，BA 57以及BRE Special Digest -concrete in aggressive ground， and Railtrack line standards也对该技术提供了指导。典型的控制渗透性模板是一层渗透性衬里，包括滤布和排水以及支撑结构（模板）。在新拌混凝土的侧压力和震动冲击压力下，混凝土有向外逸出模板的趋势。滤布能够允许空气和水分向外逸出，逸出的水分使得滤布潮湿，可以对混凝土进行养护，多余的水分则通过排水系统排走；同时滤布可以阻挡水泥颗粒和其他小颗粒的流失，由此表层混凝土的性能得到改善。使用控制渗透性模板，可以改善表层混凝土：气泡率减小到1/20；用回弹仪测定，表层混凝土的强度提高了70%；碳化深度减少到原来的1/5；氯离子渗透浓度减少到原来的1/5；经过300次冻融循环后，剥落深度减小到原来的1/10。图10-1 控制渗透性模板的工作原理上述结果表明，控制渗透性模板可以显著提高混凝土的耐久性能。Pallett的报告指出：即使在最严酷的海洋环境中，对于50mm的名义保护层而言，控制渗透性模板可以将钢筋的初始腐蚀发生的时间延长15-40年[65]。研究指出：控制渗透性模板能够减小碳化速率的50%-100%。文献认为，使用控制渗透性模板，在至少100年内，碳化将不再是一个严重的腐蚀问题。 2000年，英国建筑工业研究与情报协会（CIRIA）发表了控制渗透性模板的报告，报告指出：控制渗透性模板可以提高表面混凝土的强度、增加耐磨性、降低空气、水分和氯离子的渗透性，同时显著减少混凝土表面的气泡，特别是大大减少斜坡混凝土的气泡。控制渗透性模板广泛应用于水处理工程、桥梁、公路结构和海洋结构。模板衬里滤布一般由耐碱聚丙烯或者聚酯纤维制成。丹麦生产的Formtex是由精细的聚丙烯纤维织成。中国杭州湾大桥使用了该产品。Dupont公司生产的ZEMDRAIN MD，由热粘结的纯聚丙烯纤维过滤层置于塑料网上制成。控制渗透性模板的性能要求是：透水、透气，但不能大量流失水泥颗粒或者更细小的颗粒；提供透水通道，让多余水分排走；不能粘结混凝土；具有保水性，能够养护混凝土；可以反复使用多次。衬里可以反复使用，一般在两次使用之间需要用水清洗，最有效的清洗方法是采用高压水枪。控制渗透性模板最好在竖直面使用，倾斜面可能存在一些问题，例如密实成型、排水和排气的效果，排水的路径等。 BA57/01指出：CIRIA 发布了报告CB511“控制渗透性模板”（CB511 ‘Controlled Permeability Formwork’）。使用这种模板有很多好处，但必须考虑由此造成的附加成本的增加和实际使用中遇到的困难，特别是那些具有负责形状的构件。目前，控制渗透性模板可用于新建的混凝土结构，但一般在如下情况下考虑使用：混凝土构件紧邻车行道，那里每个冬天会遭受严重的盐侵蚀；混凝土构件具有简单的几何形状，平滑表面修饰。控制渗透性模板的费用应该在整个生命周期中进行测算。根据公路工程规范（Specification for Highway Works）1709条文，仍旧要求对混凝土进行硅烷浸渍处理，控制渗透性模板不包含在标准中。赴马来西亚实地调研、考察报告 1. 概述为了完成马来西亚槟城二桥结构混凝土耐久性的研究与评估工作，经过混凝土研究室领导批准，派出混凝土技术研发中心周永祥、何更新两人，于2007年10月21日－2007年11月3日赴马来西亚的吉隆坡、槟城两地进行实地调研和考察，为撰写项目报告广泛搜集当地信息。在马期间，二人积极开展工作，广泛联系并走访了项目的建设单位、当地大学以及当地水泥、混凝土生产企业等15家单位，会见各方技术和业务人员约40人次，多方搜集材料，获得了许多项目需要的重要信息，基本上摸清了当地气象、水文、主要原材料以及当地混凝土技术水平。图1 会见人员名片表1 访问与接洽单位一览表序号单位访问内容 1 中港马办落实行程事宜 2 BASF化学外加剂公司了解化学外加剂产品信息和使用情况 3 YTL预拌混凝土公司了解预拌混凝土的技术水平、质量控制水平、原材料使用情况、试验方法等。 4 马来亚大学（University of Malaya）了解马来西亚当地混凝土的质量问题和耐久性问题，探讨相关技术问题 5 Penetron马来西亚分部了解混凝土外涂装产品和防水、排水技术 6 HUME预制混凝土构件厂（Beranang总厂）了解混凝土预制构件的生产工艺、技术水平以及质量控制 7 ELkem马来西亚分部了解硅灰在马来西亚当地的使用情况以及相关技术性能指标 8 YTL水泥厂了解水泥和矿渣水泥的技术指标和应用情况，以及相关标准，参观水泥厂的实验室。 9 Lafarge水泥厂了解粉煤灰和粉煤灰水泥在马来西亚的应用情况和技术性能指标 10 Muhibbah工程公司槟城一桥扩宽项目部实地堪察槟城一桥的耐久性问题与施工方法等 11 马来西亚理科大学（USM）参观实验室，讨论在热带海洋环境中混凝土的可能遇到的耐久性问题及其解决措施，探讨合作研究的可能性。 12 马来西亚科技大学（UTM）的槟城分校座谈了解当地混凝土的技术发展情况 13 HUME预制混凝土构件厂（槟城分厂）了解在槟城周围预制构件产品的种类和技术水平，原材料使用情况和质量控制水平 14 中港集团槟城二桥项目部了解目前工程的进展情况和施工条件，讨论施工技术问题，并对槟城二桥的桥址进行了实地堪察。 15 Tanlim砂石料厂了解槟城附近的混凝土用砂的质量和来源，取样并获取检测报告 2. 主要成果（1）环境与条件获得槟城的水文、气象资料，了解了槟城二桥的实际施工环境： 1）. 根据获得的由M/s. Geocrete Laboratory sdn. Bhd.进行的针对槟城二桥在2007年10月19日进行的实地海水取样分析报告，显示如下表所示的相关数据。表2 桥址处的海水分析指标低潮（9:00 am）高潮（2:00 pm） pH SO3 （mg/L） 1855 1776 Cl- （mg/L） 16023 16448 CO32- （mg/L） NIL NIL HCO3- （mg/L） 95 80 有机物杂质（mg/L） <1 <1 固体总含量（mg/L） 2）. 根据从马来西亚气象局（Jabatan Meteorologi Malaysia）获取的马来西亚槟城的官方气象资料显示： a. 从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均气温显示，该地区月平均温度范围在℃(1986年9月)到℃(1988年8月)，在2006年中全年温差最大的一天为2006年8月18日，当日最低气温为℃（5:00 am），最高为℃（4:00 pm），当日温差为℃； b. 从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均风速显示，该地区月平均风速范围在 (1969年4月和1968年9月)到 (1987年12月)； c. 从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均相对湿度显示，该地区月平均相对湿度范围在％(2002年1月)到％(1989年9月)； d. 从1968年到2006年，以及2007年1月到9月的月平均降雨量显示，该地区月平均降雨量范围在(1997年1月)到(1992年10月)，年平均降雨量范围在（1997年）到（1999年），月平均降雨天数范围在0天（1997年1月）到29天（2001年10月），年平均降雨天数范围在142天（1997年）到215天（1966年）。（2）标准情况马来西亚有当地标准MS，它基本上采用了英国标准BS，并作了适当修改，二者不完全相同，但是十分接近。例如，MS中标准养护温度为27℃，符合马来西亚当地的气温状况。马来西亚执行的标准与最新的英国标准BS和欧洲标准EN存在一定的时间差。例如，马来西亚执行的水泥标准MS522参考的是英国原来的标准BS12，而目前英国最新的标准为BS EN 206与BS 8500。马来西亚在2003年发布了BS EN 206，但在实际生产部门未全面执行，仍然使用MS 522。获得技术资料二十余份（件），包括马来西亚的水泥标准和预制构件执行标准、产品和工程技术规程、砂与水泥的检测报告等。图2 在马来西亚实地调研期间获得的标准技术文件资料（3）原材料 1）.了解了当地水泥的分类体系及相关试验的执行标准、价格信息，并取得了水泥样品。在MS中，水泥OPC与中国不同，类似与中国的硅酸盐水泥P I。在调研期间与多家单位座谈，了解到马来西亚的水泥标准采用的是英国的老标准如BS 12，目前还没有跟上欧洲和英国的新标准规范。马来西亚当地所谓的OPC相当于现行英国标准BS 197中定义的CEM I型水泥。我们就此翻阅了相关标准，最终确定马来西亚地区的OPC熟料含量达到95％，石膏含量约5％，再没有别的混合材加入。马来西亚的水泥标准中，并无强度等级的分类，如和。但是目前使用的OPC水泥，基本上相当于水泥。目前在马来西亚各种水泥的价格范围均在215～219RM/吨，在本次调研中分别在水泥生产厂家和混凝土预制品生产厂家，即生产地和使用地取得了相应品种的水泥样品，以便开展进行后续研究分析。 2）．了解到了当地主要掺合料粉煤灰和矿渣的相关信息，包括来源、质量、价格、使用情况等。马来西亚目前有两种复合水泥，一种是有YTL水泥公司生产的矿渣水泥（也有生产粉煤灰水泥的分厂），另一种是有Lafarge水泥公司生产的粉煤灰水泥（即Mascrete系列水泥），分别作如下进一步说明。 a. 矿渣水泥： YTL水泥公司是马来西亚当地生产矿渣水泥成品的唯一厂家，该厂采用来自当地的水泥熟料和来自日本（或者中国上海宝钢）的粒化高炉矿渣，分别磨细后，按照一定比例进行混合。也可以单独出售磨细矿渣。一般矿渣的含量为50％－70％。通过使用适量的矿渣可以有效降低混凝土的电通量指标，该试验指标正是本项目反映混凝土耐久性能的指定指标。图3 YTL水泥公司生产现场与相应材料样品矿渣细度一般为400－450m2/kg。该厂生产的矿渣水泥在马来西亚普遍使用，使用反馈效果良好，有扎实的市场基础，矿渣系列水泥与单独出售的磨细矿渣的价格与马来西亚当地的OPC水泥价格基本一致，价格范围在215～219RM/吨之间。 b. 粉煤灰水泥在马来西亚，粉煤灰的来源主要是三个地方，但是质量较差且性能并不稳定，例如烧失量（LOI）在标准给出的最大值附近波动，45μm筛的通过率几乎不能达标，因此，粉煤灰的用量一般不超过30％，且应在计算胶凝材料总量和水灰比的时候应考虑K值（或者）。在预制构件厂中，这个系数也根据实际经验调整为。 Lafarge公司作为在马来西亚生产粉煤灰水泥成品的唯一厂家，通过选取烧失量合格的粉煤灰（该项指标不合格者只能用作填料）与水泥熟料按照一定比例混合磨细，形成粉煤灰水泥（即Mascrete系列产品），Mascrete中粉煤灰含量分别约为15％和27％（误差在±2％内），后者为低热产品（LH）。 Mascrete在抵抗硫酸盐侵蚀、氯离子渗透、降低水化热等方面具有一定优势，但是如果需要到达较低的电通量，则需要使用较大量的该种水泥，而由于粉煤灰掺量偏低，导致水泥中熟料含量过高，混凝土强度大大超过设计值。该厂生产的Mascrete系列产品在马来西亚普遍使用，为市场大众所接受，该产品价格与马来西亚当地的OPC水泥以及前述的矿渣系列产品价格基本一致，价格范围在215～219RM/吨之间。图4 Lafarge公司厂址 3）硅灰在实地调研期间，与国际知名的硅灰生产供应商Elkem公司会谈，了解到硅灰在实际工程中的应用情况，提出掺用硅粉可以有效降低混凝土的渗透性，具体表现为电通量的降低，可以将该指标控制在1000库仑以下（现浇混凝土）和500库仑以下（预制混凝土），符合目前马来西亚控制海洋环境中混凝土耐久性的规定指标范围。但依据我方已经掌握的资料，硅灰在混凝土中是能发挥出一些优良性能，但硅灰的使用将增加混凝土的开裂风险，尤其本项目建设实址处于热带地区，如何有效的控制混凝土的早期热裂缝是一个十分重要的技术问题，对此问题应特别关注。同时，硅灰在马来西亚当地的销售价格较高，在1500RM/吨左右，是相应水泥产品的数倍，经济性有待进一步商榷。 Elkem公司为了提供进一步的更为详细的资料，将于11月8日指派专门的技术人员与我方进行深入的学术交流活动。 4）了解了当地砂、石的基本情况，并获得相关基本性能检测报告若干份。粗骨料大多为花岗岩，粒形较好，使用时，分为10mm和20mm的单粒级，骨料主要以压碎指标为主要检测指标。主要来源于马来西亚的中部、南部和北部，中部和南部以花岗岩为主，不具有碱活性（测试方法采用ASTM的方法），仅在马来西亚北部部分地区有少量使用石灰石，对本项目无影响。马来西亚当地的骨料，仅有两处产地具有碱活性，其他地区的骨料一般不具有碱活性；细骨料有天然砂和矿砂，天然砂为经过清洗处理的河砂，矿砂为矿物开采过程中冲击产品的副产品。在调研期间实地走访了马来西亚最有影响力的混凝土供应商之一的YTL商品混凝土公司，该公司使用的天然砂细度模数在左右，据称槟城附近的可能在左右。在吉隆坡细骨料的价格为矿砂25RM /吨，河砂17～18RM/吨。据了解，在槟城地区相差不大。图5 本次实地调研考察搜集的样品（包括水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣及其磨细粉、两种粒级的粗骨料、矿砂、河砂） 5）了解了当地外加剂的使用情况。在调研期间，与马来西亚具有代表性的混凝土外加剂生产商——BASF化学产品公司的销售经理Wong先生进行交流，主要了解马来西亚当地的混凝土外加剂的使用情况。 a. 当地使用的减水剂有聚羧酸类和萘系，配制C40以上混凝土，采用较多的是聚羧酸类。 b. 钢筋阻锈剂用的很少，基本不用。（4）混凝土技术水平 1）参观了当地混凝土搅拌站，了解混凝土质量控制体系及其水平，并获得混凝土配合比样例一份；当地混凝土搅拌站有湿法与干法之分，前者是将所有原料搅拌（采用mixer——转速不小于18转/min）后由车辆（车辆载有的搅拌器称为agitator——转速小于18转/min）运输，而后者是将所有原料（包括水）配比完成后，由运载工具（转载mixer而非agitator）如混凝土运输车自生具备的搅拌机进行搅拌，其实二者并无干于湿的区别。该搅拌站的质量控制水平：立方体强度的变异系数为4MPa。图6 混凝土搅拌站湿法生产图7 混凝土搅拌站干法生产图8 混凝土搅拌站实验室情况 2）参观了当地混凝土预制构件厂（包括预应力混凝土构件）Hume有限公司的吉隆坡分公司和槟城分公司，了解生产工艺和技术水平。在实地调研走访期间，通过与生产企业的沟通交流，获得了如下相关信息： a. 混凝土开裂是当地混凝土常见的质量问题，除了早期热裂缝外，由于施工操作中，作业人员过振，或者震动器接触钢筋，钢筋牵连到相邻部位尚未完全硬化的混凝土，导致混凝土与钢筋的界面松动，粘结力丧失，由此引起更多的裂缝。 b. 根据当地经验，由于中午气温较高，混凝土温升引起严重的裂缝问题，加之，天气炎热，工人的工作环境恶劣，工作质量较差，常常是引起裂缝的重要原因。因此，浇筑较高强度等级的混凝土，一般选择在下午或者晚上进行为好。当地湿热，虽然具有较高的RH，但仍然需要加强早期养护，否则容易引起开裂。 c. 据介绍，引起混凝土质量问题有一个原因是雷击导致混凝土搅拌站的称量系统失灵或者失准，由此造成当地的某重要建筑出现严重的混凝土质量事故而引发数百万金额的经济索赔。鉴于当地，雷雨天气频繁，应考虑到这种意外因素对混凝土质量的影响。 d. 混凝土开裂问题是最常见的质量问题。搅拌站将拌合用水进行冷却至7℃左右，搅拌后混凝土出机温度约在30℃，因此，混凝土的热裂缝问题较为严重。但一般不进行骨料等其他原材料的冷却。 e. 大体积混凝土中一般不使用高等级的混凝土，目前在施工中采用冷却水管的做法并不多见，在位于吉隆坡中心的KLCC建筑区采用了该技术，这可能是当地最早使用该方法的工程。 f. 在吉隆坡当地，混凝土的耐久性问题（如碳化）并不突出。 g. 当地硅灰使用实例相对有限。预制构件一般采用先张预应力混凝土技术；混凝土的配料、搅拌采用计算机系统控制；蒸汽养护温度控制在65℃以下；图9 Hume有限公司生产现场（5）槟城一桥于2007年10月29日，访问了槟城一桥扩宽工程的项目部，并乘汽艇参观槟城一桥的施工现场。通过座谈和实地考察获得如下相关信息： 1）槟城一桥建于1986年，至今已有二十余年，所处环境与拟建的槟城二桥十分相似，目前一桥的总体运行状况良好；通过访问，原来的一桥混凝土材料中的水泥用的是马来西亚当地的OPC水泥，并无其他矿物掺合料掺入； 2）实地勘测，一桥梁体的混凝土质量较好，除了桥梁接缝处漏水明显外，未发现明显的劣化现象；接近主跨附近的桥墩上部（接近支座）出现裂缝，目前得到马方的关注和检测。 3）除了极个别情况，由于施工行为造成的钢筋突出保护层发生锈蚀外，其余未见钢筋锈蚀现象。承台混凝土处于浪溅区，表面有海螺生物附着，略有凹坑和剥落，质量良好，未见明显的海水侵蚀混凝土现象； 4）因为一桥最初设计的是双向各两个车道，已经无法满足现代交流流量需求，目前正在进行扩宽工程，在两侧各扩宽一个车道。采用的方案是在两侧原桥墩外侧分别各打入钢管桩，浇筑桥墩与原桥墩拼接，其后架设桥梁； 5）扩建工程的南侧使用YTL公司的矿渣水泥，矿渣含量50％－70％；北侧使用当地拉法基生产的粉煤灰水泥——Mascrete。粉煤灰含量15％－27％。 6）原桥未发现使用外涂装工艺，但是近年来的检测维修，在部分桥墩混凝土表面发现了新近涂刷水泥基材料。 7）一桥的钢管桩未采用任何涂装，而是预留腐蚀裕量。图10 槟城一桥实地考察情况（6）当地大学 1）于2007年11月23日拜访了马来亚大学的Hashim教授，提出了如下一系列准备咨询的问题： What are the main durable problems of concrete structures in hot-humid weather? Steel bar corrosion by CO2 or Cl- Corrosion by sulfate in sea water AAR ( Alkali aggregate Reaction) DEF(Delayed Ettringite Formation) Cracking What are the most important factors influencing the service life of concrete bridge in the sea environment? CO2or Cl- or the both? How is the corrosion of concrete under the coaction of both CO2 and Cl-? In this weather condition, how to control the early thermal cracking of concrete? What type is the chemical admixture usually used in Malaysia? For example, water reducing agent? Has Coating system for concrete surface in severe environment such as splash zone been used in common? Epoxy coating, silicohydride or any others? What are your suggestions considering the conditions in Malaysia? Which is the commonest cement type used here? And Application of fly ash, GGBS and Silica fume in real project? And their general dosages respectively? Where are the both materials from and how about their qualities? Any detailed information and data referred to concrete durability of the existing bridge and marine projects in Malaysia? Were any relative investigation and research carried out? Any known degradation of existing engineering cases here caused by the poor concrete durability? If that, were any necessary measures taken to deal with that condition? Any suggestions and recommendations on durability of structural concrete for the Second Penang Bridge that will be built in sea environment? 就上述问题展开交流之后，总结为如下几点： a. 氯离子渗透是影响海工结构混凝土的耐久性的主要影响因素，氯离子渗透的影响相比碳化的影响，更为主要。碱集料反应有开展相关研究，但针对本项目，他认为没有具体的相关资料，无法提供进一步的建议。 b. 当地天气长年湿热，只有雨季和旱季的分别，更为详细深入的气候与水文资料，建议我们寻求相关部门的帮助。 c. 关于外加剂的使用，根据期望混凝土具备的相关性能，针对性的选取，对混凝土的耐久性有所要求的话，必须采用减水剂，认为目前提供的项目相关信息不足其提供更为细致的建议。 d. 通过必要的降温措施以避免混凝土早期由于内外温差引发的开裂，为提供具体的操作建议。 e. 关于桥梁的涂装，应针对具体工程要求选用，在现有的桥梁中采用涂装的情况有限。 f. 粉煤灰和矿渣都有使用，粉煤灰的掺用量可以根据实际需要确定，没有使用采纳的心理限度（如国内有的使用方不期望粉煤灰的掺量不超过30％）。 g. 目前在马来西亚的桥梁和其他现有海工工程中，由于耐久性原因，混凝土发生破坏的情况相对普遍，会采取必要的措施进行修补，如填补封闭，但目前无法提供详细的实例。 h. 没有针对本项目提出有针对性的意见。图11 马来亚大学 2）于2007年11月30日访问马来西亚理科大学（USM）的土木工程系，参观了实验室，就我方关心的混凝土耐久性问题进行了讨论，最后访问了马来西亚科技大学（UTM）的槟城分校。取得的主要信息如下： a. 关于热带地区钢筋混凝土耐久性问题的两个影响因素氯离子和碳化问题：在马来西亚的海洋工程中，相比二氧化碳的碳化作用，氯离子的作用对钢筋腐蚀的影响更为显著，是主导因素。 b. 海水硫酸盐腐蚀作用与氯盐侵蚀相比也不为明显。 c. 由于多采用花岗岩集料，基本没有活性，故不考虑碱骨料反应的影响作用。通过控制成型和后续的养护，可以有效的控制由于反应温升引起的混凝土早期开裂。 d. 由于马来西亚处于热带地区，常年温度较高，为了预防混凝土早期温度裂缝，特别是大体积混凝土，应注意采取相关措施进行控制，目前水管冷却系统在马来西亚使用尚未普及，但在少数工程中有应用，例如，在吉隆坡著名的KLCC项目工程建设中就采用的冷却水系统进行冷却降温处理。 e. 马来西亚在海洋工程项目中混凝土有采用涂装体系的实例，但是并不是普遍采用，现有采用的为硅烷和环氧体系，其中认为环氧材料使用更为普遍。 f. 确认了马来西亚现行的OPC水泥指的是英国标准中的CEM I型水泥。 g. USM提出了进行合作研究的意向，并希望槟城二桥的中国公司向他们发出合作伙伴的公函（进行相关的检测和试验研究等）。图12 马来西亚理科大学图13 马来西亚理科大学土木系实验室（7）槟城二桥项目的部分情况 a. 目前槟城二桥由中交集团的第二、第三和第四航务局分标段施工。 b. 国内杭州湾大桥的墩身一般采用硅烷涂装，桥梁箱梁可采用环氧类物质。 c. 杭州湾大桥采用的是整跨预应力箱梁吊装，而槟城二桥由于缺乏大型吊装设备，采用的是分片预应力箱梁拼接，在耐久性上不能满足整体性原则。 d. 施工人员已确定采用中方工人，但不排除有部分马来西亚本地人。 e. PHC桩的最大难题是如何防止打桩时的开裂问题，开裂几率很高，在此情况下，所采取的外涂装措施变得毫无用处。特别是有的桩可能露出水面，这种情况下，PHC桩的耐久性问题十分严重； f. 承台可能涉及大体积混凝土的问题，构件如果不超过30m，热裂缝问题一般不突出。但在当地炎热条件下，应该注意。同时，当地水泥的水化热很高（水泥熟料含量较高），温升高，裂缝控制可能是一个技术难点。大体积混凝土可以采取冷却水管（钢管）的方法进行降温，之后用灌浆料填充马来西亚槟城的气象资料从马来西亚吉隆坡的气象局获得如下资料：最大温差日的温度记录月平均气温地面平均风速平均相对湿度月降雨量降雨天数具体见下文。最大温差日的温度记录月平均气温平均相对湿度地面平均风速月降雨量降雨天数参考文献中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构耐久性设计规范（报批稿）. Struetures Division, Experience on the Inspection, Maintenanee and Repair of Highway Brides in HongKong Highways department. 成都，2003桥梁病害整治论坛. 吴海军.桥梁结构耐久性设计方法研究[D博士学位论文].同济大学，2006 迟培云.钢筋混凝土构筑物在海水中的腐蚀及其防护.青岛建筑工程学院学报.:6-11 Richard W. 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