滨海腐蚀环境下高强清水混凝土施工技术.pdf

第 4 3卷第 8期 2 0 1 2年 8月 Vo 1 ． 4 3 No ． 8 Au g ．2 0 1 2 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 7 41 滨海腐蚀环境下高强清水混凝土施工技术 王卫仑 ，陆 晗 ，刘洪海 ，岳 进 ( 1 ． 深圳大学深圳市土木工程耐久性重点实验室 ， 5 1 8 0 6 0， 广东深圳 ； 2 ． 中建三局第一建设工程有限责任公 司， 4 3 0 0 4 0， 武汉) 摘 要： 通过环境作用分析结合混凝土结构使用寿命计算 ， 提出万科中心工程高强清水混凝士结构耐久性抗 力指标 。施工中采用增大混凝土保护层 ， 塑料薄膜包 裹养护的施工方法 ， 实际施工后 的使用寿命再评价结果表 明 ， 按此方法施工的混凝土结构在满足安全性要求的基础上 ， 也能保障结构5 0 年期望使 用寿命 。 关键词 ： 滨海环境 ； 高强混凝土 ； 清水混凝土 ； 耐久性 ； 使用寿命 中 图分 类 号 ： T U 7 4 4 文 献标 识 码 ： B 文章 编 号 ： 1 0 0 0 — 4 7 2 6 ( 2 0 1 2 ) 0 8 — 0 7 4 1 — 0 3 CoNS TR UCTI oN TE CHNI QUE OF HI GH— S TR ENGTH P L AI N C ONCRE T E UNDER CoAS TAL CORROS I VE ENVI RoNM ENT W ANG W ei -L u n ， L U Han ，LI U Ho n g— ha i 2 ．YUE J i n ( 1 ．S h e n z h e n D u r a b i l i t y C e n t e r f o r C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h e n z h e n U n i v e r s i t y ， 5 1 8 0 6 0 ， S h e n z h e n ， G u a n g d o n g ， C h i n a ； 2 ．T h e F i r s t C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g L i mi t e d C o m p a n y o f C h i n a C o n s t r u c t i o n T h i r d E n g i n e e r i n g B u r e a u， 4 3 0 0 4 0 ，Wu h a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Du r a b i l i t y i n d e x o f h i g h-s t r e n g t h p l a i n c o n c r e t e s t r u c t u r e o f Va n k e C e n t e r i s p u t f o r wa r d a c c o r d i n g t o a n a l y s i s o f e n v i r o n me n t a l e f f e c t a n d c a l c u l a t i o n o f s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Du r i n g c o n s t r uc t i o n ．c o n c r e t e p r o t e c t i o n l a y e r i s e n l a r g e d a n d c o n c r e t e i s wr a p p e d i n p l a s t i c fil m f o r c u r i n g ．rI } l e r e — e v a l u a t i o n r e s u l t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s e rvi c e l i f e a f t e r p r a c t i c a l c o n s t ruc t i o n p r o v e s t h a t t h e c o n c r e t e s t ruc t u r e b u i l t b y u s i n g s u c h c o n s t ruc t i o n me t h o d c a n s a t i s f y t h e s a f e t y r e q u i r e me n t s a n d c a n g u a r a n t e e t h e 5 0 y e a r s e x p e c t e d s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e s t ruc t u r e ． Ke y wo r d s ：c o a s t a l e n v i r o n me n t ；h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ；p l a i n c o n c r e t e ；d u r a b i l i t y ；s e r v i c e l i f e 对处于滨海地区的混凝土工程来说 ， 若对严重环境 “ 荷载” 作用下的耐久性 问题考虑不全面 ， 必然会由于结 构缺陷( 不一定影响安全性 ) 导致初期的电化学腐蚀产 生 ， 随时间推移不断形成新 的结构损伤 ， 以致结构不能 完成预定的5 0 年使用寿命就进入性能劣化期，因此， 在 建设过程中， 研究积极的耐久性策略是十分必要的。 1 工程概况 万科 中心工程位于深圳市盐田区大梅沙海滨 ， 建 筑设计造型独特 ， 上部结构主体 由9 个简体 ( 边长1 0 m 左右) 及6 个实腹厚墙 、 2 处落地钢管柱群支撑 ， 底部形 成了连续 的通透大空间最大架空高度达1 4 ． 4 m，远观 整个建 筑 如 同漂 浮在 空 中。 配合 建 筑艺术 的需 要 。 工程 的核心筒体 、地上部分实腹厚墙及部分上部结构主体 采用了强度设计值为C 6 0 的1 ． 4 万m 清水混凝土结构。 2环境作用及混凝土性能 2 ． 1建设 区域环 境作 用 采用美国S K C 大气采样器连续4 个月 ( 9 ～ 1 2 月) 测 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 0 6 — 2 7 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 2 3 6 ) ； 广东省 自然科 学基金研 究 团队项 目( 9 3 5 1 8 0 6 0 0 1 0 0 0 0 0 1 ) 作者 简 介 ： 王卫仑 ( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 陕西汉 中人 ， 博 士 ， 副教授 ， 副主 任 ， e — ma i l ： wa ng _we i l u n @h o t ma i l ．e o m． 试大梅沙海域空气中的氯离子浓度 。 结果表明， 随着温 度降低大气中氯离子含量也降低 ，氯离子浓度 日变化 值为0 ． 0 1 1 ～ 0 ． 7 7 1 m g ／ m ， 最大相差在7 0 倍以上 ， 这与海 水蒸发量有较密切的关系。 为判断碳化对混凝土结构的影响，测量了建设场 地的大气C O 浓度 ( 表1 ) ， 同时记录了对混凝土碳化也 有显著影响的环境温 、 湿度。 表1 大气CO2 浓度测试值 (- l O ft ] ) 最大值 最 小值 均值 变异系数 c o 2 浓度／ p p m 7 8 8 ．0 4 1 8 ．0 4 8 1 ． 1 1 2 ． 9 ％ 环境温度／ ℃ 3 7 ． 1 2 3 ． 8 2 9 ．7 1 0 ． 6 ％ 相对湿度／ ％ 9 3 ． 0 5 1 ． 7 7 2 ． 3 l 1 ． 5 ％ 万科中心工程并非直接建设于海上。潮差不会直 接导致混凝土结构劣化 ，但是对地下水有害离子分布 会产生不利影响 ， 进而引起地下混凝土结构腐蚀。 工程 建设场地的C O 浓度只有个别值超过0 ． 0 5 ％， 测试时温 度接近3 0 ℃， 相对湿度也较高 ， 达到7 0 ％， 都 会对 混凝 土结构抗碳化能力产生不利影响。建设场地开阔直接 面对海面 ， 空气中氯离子浓度受阵风影响较大， 会引起 上部混凝土结构氯离子堆积浓度的变化 。 通过对万科中心建设场地环境中腐蚀成分( 海风 、 海水氯离子 、 大气C O 浓度 ) 的测试分析 ， 结合耐久性设 7 4 2 建筑技术 第 4 3卷第 8期 计规范I l 】 ， 确定工程的环境作用及对混凝土结构的影响 程度见表2 。 表2 混凝土结构环境作用 环境 条件 等级 作用部位 一 般大气 I — B 室内构件 。 室外碳化条件 轻度盐雾 I I I - D 迎风面高强清水混凝 土构件 水下 、 土中 I I I — C 混凝土基础承台构件 2 ． 2使 用寿命 分析 保障混凝土结构使用寿命或耐久性 的根本是防止 受力钢筋锈蚀 。虽然 目前有各种防止钢筋锈蚀的抗腐 蚀措施 ， 如电化学保护法、 钢筋外涂环氧树脂、 阻锈 剂 及特殊钢筋等多种方法 ， 然而 ， 无论上述哪种防腐蚀措 施， 都须建立在高性能混凝土技术基础上 ， 采用适合环 境作用的混凝土是提高混凝土结构耐久性 。延长使用 寿命的基本措施『2 1 。 万科中心工程设计主要依据G B 5 0 0 1 0 — 2 0 1 0 (( 混凝 土结构设计规范》 ，提 出了C 6 0 清水混凝土 的强度指 标 。 在施工过程中。 进一步对上述环境“ 荷载” 条件下的 混凝土性能要求进行分析 ，使高强清水混凝土构件在 满足安全性的基础上 ．其耐久性也能满足5 O 年期望使 用寿命的要求。 需注意的是 ， 计算分析中涉及到与环境 作用相关 的参数 ，按实际测试结果或D u r a C r e t e 标准[3 1 取值 。对 于本 工程5 0 年期望使用寿命 ，图1 基于D u ． r a C r e t e 模型给出了不同保护 层厚度与C 6 0 高强清水混 凝土氯离子扩散系数的关系。 廿 娃 艟 匠 划 图 1扩 散 系数 与使 用 寿 命 关 系 可看出， 对于本工程的氯盐环境 ， 2 0 m Ⅱ 厚 钢筋混凝 土保护层需要的混凝土氯离子扩散系数极小，约为0 ． 9 x l 2 m 2 ／ s ， 这对于一般混凝土很难达到。只有将保护层 加大至4 0 mm， 其扩散 系数为4 ． 7 x 1 0 m Z ／ s ， 可保障混凝 土结构耐久性抗 力足够达N5 o 年期望使用寿命的要 求。 已有的试验也表明 ， 过于严格的氯离子扩散系数控 制在一般施工条件下是难以做到的 ．如严格控制水胶 比为0 ． 3 5 ， 其2 8 d 氯离子扩散系数仍无法达N5 ． 0 x l 0 m Z ／ s 以下 。尽管随龄期增长 ， 大掺量粉煤灰混凝土的抗氯 盐能力会得到大幅提高 ，但这部分耐久性抗力在D u — r a C r e t e 计算模型中已加以考虑 。 因此。 足够的保护层厚 度及 良好的保护层质量 ．对混凝土结构抵抗氯盐腐蚀 的作用是不可低估的，而这一部分往往与承载能力没 有直接关系 ， 易被忽视 。 2 ． 3 环 境作 用下 混凝 土性能 要求 万科 中心工程混凝土结构的主要劣化 因子为海洋 大气中的氯离子以吸收、 扩散等方式通过混凝土保护层 达到钢筋表面 ，氯离子浓度达到临界点后引起钢筋锈 蚀。按照第2 ． 2 节的分析及设计施工图要求， 施工中对于 高强清水混凝土， 以抗压强度( 为满足结构设计的承载 力要求 ) C 6 0 及2 8 d 氯离子扩散系数不大于8 ． 0 x l 0 m 2 ／ s 或者5 6 d 氯离子扩散系数不大于5 ． 0 x l 0 m 2 ／ s 为主要指 标来控制混凝土的配合 ，同时严格控制构件保护层厚 度大于4 0 m m。 通过基于使用寿命的混凝土结构耐久性分析 ， 确 定氯盐环境下 ，高强清水混凝土材料施工配制要求 ： ( 1 )水胶比不大于0 ． 3 5 ，胶凝材料用量不小于4 5 0 k g ／ m 。 ； ( 2 ) 粉煤灰用量 为胶凝材料总量的3 0 ％， 粉煤灰应 选用C a O 含量不大于1 0 ％的低钙灰 ； ( 3 ) 混凝土中氯离 子的最大含量不超过0 ． 1 ％( 2 8 d 水溶值 ) 。按上述指标 及性能要求， 在施工现场进行配合比优化实验 ， 最后获 得实际工程高强清水混凝土见表3 。 表3混凝 土性 能 指标 水 胶 比l 水 水 泥 I 粉 煤 灰I 骨 料 减 水 剂 0 ．2 9 l 1 5 6 k g 4 7 0 k g I 7 5 k g l 1 6 9 4 k g 1 5 ．3 k g 万科中 L , C 6 O 高强清水混凝土结构的混凝土采用 了小于o ． 3 0 的水胶比， 2 8 d 标养强度为8 7 ． 8 MP a ， 5 6 d 标 养氯离子扩散 系数均值为1 ． 7 x 1 0 m 2 ／ s 。混凝土掺入 7 5 k g 的粉煤灰 无疑会使结构混凝 土长期氯离子扩散 系数降低 ， 然而由于施工验收规范规定 ， 矿物掺合料的 掺量有些偏低 ， 须在2 0 ％胶凝材料重量以内。 3 高强清水混凝土施工 3 ． 1 清水 混凝 土实体 施工 采用高强清水混凝土的核心筒体及实腹厚墙钢筋 的混凝土保护层设计要求为3 0m m，按照第2 ． 2 节的分 析 ，在实际操作中将该部分结构混凝土保护层厚度适 当增大到4 0 mm， 以保障5 0 年期望使用寿命的要求。 施工中采用塑料垫块控制保护层 ，垫块间距6 0 0 m m， 呈梅花状设置。 混凝土浇筑采用泵送 ， 坍落度控制 在1 8 0 ～ 2 0 0 n l lT l 。拆模后先淋水养护2 ～ 3 d ， 随后用塑料 薄膜包裹并进行洒水养护 ， 养护时间为1 4 d 。 在2 8 d 时 ， 2 0 1 2 年 8 月 王卫仑 ， 等 ： 滨海腐蚀环境下高强清水混凝 土施工技术 7 4 3 对 结构实体混凝土进行泌水试验 。 C 6 0 高强清水混凝 土泌水率接近于0 ，表明现场浇筑的混凝土密实性良 好 ， 对抵抗混凝土碳化及氯离子侵蚀都有积极 的作用。 施工过程中取6 个新拌混凝土试样 ，施工后5 6 d 在 不同部位取l 2 个试样 ，测试混凝土初始氯离子含量。 C 6 0 高强清水混凝土的初始氯离子含量都较低 。 严格控 制了氯离子初始混入 ，为结构良好的抵抗氯盐侵蚀提 供了保证。 同时在取样相应部位抽取6 个构件测试保护 层 ，每个构件2 4 个点共1 4 4 点 ， C 6 0 高强清水混凝土结 构保护层厚度均值为4 7 ． 4m m，不到1 0 ％的测点在3 O m m左右 ，基本能满足结构耐久性抗 力对保护层 的要 求。此外， 清水混凝土外墙面也做了保护涂料 ， 由于无 长期试验数据 ， 作为结构耐久性的冗余考虑。 3 ． 2实体 混凝 土结构 使用 寿命评 定 从上面的分析可知道 ，对于5 0 年期望使用寿命 的 高强清水混凝土结构来说 ，实体结构钢筋的混凝土保 护层厚度及初始氯离子浓度都会影响其耐久性抗力。 除此之外 ， 针对混凝土氯离子扩散系数 ， 按照表3 制作 的3 6 个标准养护试样 ， 其5 6 d 均值为1 ． 7 x 1 0 m2 ／ s ． 最大 值为2 ． 5 x l O ～ 2 m 2 ／ s ， 变异系数为2 4 ％， 由于结构混凝土 制备工艺及环境条件的不 同．必然会影响到其实际耐 久性指标 。 因此， 在混凝土结构施工完成后 ， 从1 5 0 d 龄 期开始分别在结构 的不同部位取1 O 个混凝土芯样 ， 测 得氯离子指标见 图2 。 车 蠢 垛 箍 龄 期 ／ d 图2 结构混凝 土氯 离子扩散系数 尽管 由于现场施工各种条件差异．使得结构混凝 土氯离子扩散系数有一定的离散性 ，然而随着龄期从 1 5 0 d 增长到3 0 0 d ， 氯离子扩散系数仍然呈现出下降规 律 ， 从4 ． 1 x l 0 m 2 ／ s 减少到2 ． 0 x l 0 m 2 ／ s 左右 ； 结构混凝 土浇筑3 0 0 d 后 ， 氯离子扩散系数 的变化量减小呈现不 再降低的趋势。 图2 的测试结果也说明了粉煤灰的掺入 对结构混凝土长期性能是有利的，但随着龄期进一步 增加， 粉煤灰参与反应逐渐完成 ， 不应再考虑其对结构 耐久性的影响。 按 实际C 6 0 高强清水混凝土结构的测试结果 。 对 该结构使用寿命的评价结果见图3 。一般来说 ， 评价结 构耐久性的可靠指标可取／ 3 = 1 ． 8 ， 对于保护层厚度均值 为4 7 ． 4 m m的万科 中心高强清水混凝土结构 ， 按 目前施 工的各耐久性指标 ， 能够满足业主5 O 年期望使用寿命 ， 其失效概率为1 ． 8 4 ％。需注意的是 ， 对于一些局部截面 保护层不足的问题 ，可能会提前进入氯盐引起钢筋失 钝 的劣化阶段。 4 ．5 4． 0 蟑 3 5 3 ．0 2 ．5 2． 0 1 ．5 0 ． 0 1 0 ．0 2 0 ． 0 3 0 ．0 4 0 ． U 5 0 ．0 6 0 ．0 使用寿命／ 年 图3 实际混凝土结构使用寿命评价 4 结语 混凝土结构施工除要考虑强度设计值等安全性参 数外，也应基于环境作用下提出混凝土结构耐久性指 标。本研究所提出混凝土性能参数及结构耐久性抗力 措施， 经过实际施工及再评价 ， 表明能很好地满足结构 5 0 年期望使用寿命的要求。结构混凝土具有良好耐久 性的同时， 强度也达到了近9 0 MP a ， 从一个侧面表明结 构安全性设计应与耐久性设计更好地协调 ，以避免性 能参数不匹配 。 本文以万科中心高强清水混凝土为研究对象 。 在 满足施工图C 6 0 混凝土强度的基础上，考虑氯盐环境 作用条件 ，结合氯离子浓度及扩散等影响结构耐久性 的因素 ， 确定高强清水混凝土材料性能及构造要求。 在 施工过程 中采用相应性能的材料、结构措施来保障结 构期望使用寿命 。为滨海环境高强清水混凝土结构施 工提供有益参考。 参 考 文献 [ 1 ] G B ／T 5 0 4 6 7 --2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范 I S ] ． [ 2 ] 陈肇元． 土木结构 工程 的安全性与耐久性[ M] ． 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e I S ] ．T h e E u r o p e a n U n i o n - B r i t e E u R a m I I I ： C o n t r a c t B RP R — C T 9 5 — 0 1 3 2 ， P r o j e c t B E 9 5 — 1 3 4 7 ． 2 0 0 0 ． [ 4 ] W． L Wang ， HJ J u ， e t a 1 ．S t u d y o n s e r v i c e l i f e o f c o a s t a l c o n c r e t e s t r u c t u r e s b a s e d o n t h e c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n [ J 』 ． S e r v i c e L i f e D e s i g n f o r I n f r a s t r u c t u r e ， R I L E M P r o c e e d i n g s P RO 7 0 ， 2 0 1 0 ， ( 1 ) ： 3 6 9 - 3 7 6 ． [ 5 ] 秦宪明 ，颜 超 ，赵娟．提高海工结构混凝 土耐久性 的原理和方法 f J 1 ．建 筑技术 。 2 0 1 2 。4 3 ( 1 ) ： 1 8 — 2 0 ．