港珠澳大桥主体混凝土结构120a使用寿命耐久性对策

港珠澳大桥主体混凝土结构120a使用寿命耐久性对策王胜年;李克非;范志宏;苏权科;熊建波 【摘要】跨越伶仃洋海域的港珠澳大桥提出了 120 a使用寿命的建设目标，如何提 高外海、高温、高湿环境下混凝土结构耐久性是工程建设面临的重大问题之一结 合港珠澳大桥工程实践，在工程建设前期和设计施工阶段，开展了针对混凝土结构耐 久性的系列研究工作.在研究成果基础上，从耐久性设计、施工及后期维护等方面，提 出了为确保港珠澳大桥达到120 a使用寿命所应采取的耐久性对策和措施.【期刊名称】《水运工程》【年(卷)，期】2015(000)003【总页数】8页(P78-84,92) 【关键词】港珠澳大桥;混凝土结构;耐久性;寿命;设计;质量控制;维护 【作者】王胜年;李克非;范志宏;苏权科;熊建波【作者单位】中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通行业重点 实验室广东广州510230;清华大学，北京100084;中交四航工程研究院有限公司冰 工构造物耐久性技术交通行业重点实验室广东广州510230;港珠澳大桥管理局广 东珠海519015;中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通行业重 点实验室，广东广州I 510230【正文语种】中文【中图分类】TU528.33港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道工程，其海中主体工程跨越伶 仃洋海域，由海底沉管隧道、海中人工岛、海上桥梁等多种结构组成，工程设计使 用年限120 a，是迄今中国交通建设史上技术最复杂、环保要求最严、建设标准最 高的工程。

尽管国内已有杭州湾大桥、青岛海湾大桥等工程建设经验［1-2］，但港珠澳大桥工 程所处的伶仃洋海域，具有气温高、湿度大、海水含盐度高的特点，受海水、海风、 盐雾、潮汐、干湿循环等众多因素影响，腐蚀环境尤其严酷，同时港珠澳大桥包含 岛、桥、隧等多种复杂的结构，国内首次按120 a设计使用年限设计，因此，如 何提高耐久性确保工程达到120 a使用寿命，是工程建设所面临的重大技术问题 之一为此，工程建设前期和设计施工阶段，分别开展了 〃港珠澳大桥主体工程耐 久性评估及混凝土试验研究”、“大断面矩形混凝土浇筑工艺及裂缝控制关键技术 研究”和国家科技支撑计划“混凝土结构120 a使用寿命保障关键技术”等研究， 研究工作紧密结合工程实际，针对港珠澳大桥所处环境和工程结构特点，在耐久性 设计、耐久性施工质量控制和耐久性维护等方面取得了系列科研成果本文即是在 所取得成果的基础上，从工程全寿命周期考虑，提出了确保港珠澳大桥达到120 a 使用寿命所应采取的耐久性对策和措施2.1腐蚀环境类别港珠澳大桥所处环境资料见表1从表1可以看出，港珠澳大桥所处环境气温和湿度高、海水含盐量大，海水和地 下水中也含有一定量的硫酸盐、镁盐等化学侵蚀性介质。

此外，大气环境不可避免 地存在碳化腐蚀问题，因此从腐蚀环境类别来划分，港珠澳大桥存在海水的氯离子、 地下水的化学侵蚀和大气环境的碳化等3种腐蚀类型大量研究结果表明，海水 环境下氯离子腐蚀比化学腐蚀和碳化腐蚀严重得多，大量华南海港工程调查结果证 明，氯离子侵蚀弓I起的腐蚀破坏是海水环境混凝土结构最严重、最普遍的耐久性破 坏形式［3-4］因此，海水环境氯离子腐蚀是港珠澳大桥耐久性的首要考虑因素2.2环境部位划分我国水运工程行业标准针对海水潮差变化和风浪大的特点，考虑有掩护和无掩护条 件，分别给出海港工程按设计水位和按天文潮位两种暴露部位划分的计算方法，按 腐蚀严重程度给出了大气区、浪溅区、水位变动区和水下区4区划分标准［5］考 虑到港珠澳大桥横跨伶仃洋，地处外海，主体桥梁工程按照无掩护条件的天文潮水 位划分（表2）除桥梁外，港珠澳大桥还包含将近6 km的海底沉管隧道，系120 a不可更换重要 构件，腐蚀风险大，因氯离子随海水从沉管外侧渗透、氧气从内侧渗透，耐久性本 着从严考虑的原则，沉管外侧按浪溅区、内侧按大气区划分3.1基于可靠度理论的混凝土结构耐久性设计目前，国内外大多数工程还是基于工程经验，依据规范规定，按材料组成（如水胶 比、胶凝材料及用量）、性能（如强度、抗氯离子渗透性）和结构参数（如构造形式、 保护层厚度）等来确定耐久性控制指标，即所谓〃凭经验设计”，这些耐久性控制 指标与设计年限之间只是假定的符合关系；近些年国内外学者开展大量研究，试图 采用定量方法进行耐久性设计，开发了一些基于工程数据及与经验结合具有失效概 率或可靠性的耐久性设计方法。

港珠澳大桥耐久性设计是在华南海港工程暴露试验 站20多年长期性能暴露试验及华南海港实体工程耐久性调查得出的大量数据基础 上，由建立的数学模型分析，按照可靠度理论进行设计，从而可定量地建立设计使 用年限和耐久性控制指标之间的关系由于港珠澳大桥与设于湛江港的华南暴露试 验站环境基本相同，与华南地区海港工程环境相似，因此，应用上述暴露试验和实 体工程耐久性样本数据进行耐久性设计，具有较高的可信程度3.1.1基本模型采用菲克第二定律的扩散模型来表征氯离子的侵蚀过程：式中：Cx,t为一定龄期时侵入混凝土某一深度的氯离子浓度；C0为混凝土初始氯 离子浓度；Cs为表面氯离子浓度；x为氯离子侵入混凝土的深度；t为混凝土龄期; erf为误差函数港珠澳大桥主体工程结构腐蚀风险大、维修成本高，把钢筋脱钝作为耐久性极限状 态，则耐久性设计方程为：式中：Cs,d和DCl,d为氯离子表面浓度和表观氯离子扩散系数设计值，设计时作 为荷载变量；Ccr,d和xd为氯离子临界浓度和保护层厚度设计值，设计时作为抗 蚀变量；tSL为设计使用年限上述模型中的几个关键耐久性参数Ccr、Cs和DCl与混凝土结构组成材料、暴露 环境部位有关，且DCl随时间衰减。

华南地区近30多年的海洋暴露试验和海港实 体工程调查数据，是统计解析模型关键参数统计分布特征的基础3.1.2近似概率耐久性设计3.1.2.1耐久性参数统计规律统计了近些年海港工程调查获得的保护层厚度1 904个，保护层厚度服从正态分 布，标准差为5.3 mm ；分析了不同暴露龄期、不同部位（水下区、水位变动区、 浪溅区、大气区）及不同材料组成的暴露试验耐久性参数，其中351个表面氯离子 浓度样本数据，表面氯离子浓度与水胶比线性相关，统计特征呈对数正态分布；临 界氯离子浓度样本68个，总体呈现beta分布；氯离子扩散系数395个数据，分 析表明，氯离子扩散系数随时间呈指数衰减，且氯离子扩散系数和衰减指数均服从 正态分布式中：D（t）为龄期t时混凝土表观氯离子扩散系数；D0为初始龄期t0时的表观氯 离子扩散系数；n为表观氯离子扩散系数随时间的衰减指数；n（t0,t）为经换算的从 时间t0到t时表观氯离子扩散系数衰减系数3.1.2.2耐久性设计结果使用近似概率方法进行耐久性设计根据上述各耐久性参数的统计分布特征，确定 各参数的特征值，以P=1.3确定为本工程耐久性可靠指标，通过近似概率方法确 定满足目标可靠指标各设计变量的分项系数，得到各参数特征值和分项系数（表3）。

按照荷载变量Fd = FcyF,抗蚀变量fd=fcYf,保护层厚度变量xd=xc-Ax，将表3 数据代入式（2），设计使用年限取tSL=120 a，则可定量计算得出设计使用年限为 120 a时，对应大气区、浪溅区、水位变动区和水下区混凝土结构的最大氯离子扩 散系数和最小保护层厚度（图1）对于浪溅区构件，当设计保护层厚度为74-85 mm时，则56 d氯离子扩散系数的设计最大限值为2.1x10-12-2.6x10-12 m2s当然，上述氯离子扩散系数设计值只是对应龄期t0时的表观氯离子扩散系 数，即按实际构件暴露于实际环境条件下计算得出的理论扩散系数，实际上用于工 程质量控制的扩散系数一一即最终工程质量控制指标是按照一定的模拟快速试验 方法测试得出的，需要利用长期暴露试验和快速试验之间的关系进行相关性转换 3.2基于全寿命成本的混凝土结构附加防腐蚀措施设计按照上述设计，混凝土结构本身理论上可以达到120 a使用寿命但是考虑实际 施工的偏差、材料性能的波动、服役期环境和荷载的变化等不利因素，重要构件腐 蚀严重部位存在较大的腐蚀风险，因此对重要构件、腐蚀风险大的关键部位尚需采 取必要的防腐蚀措施，以提高必要的耐久性裕度。

何种构件、什么部位采用何种夕卜加防腐措施，需要考虑不同腐蚀环境混凝土构件腐 蚀风险、不同防腐蚀措施的防腐效果和全寿命周期成本等因素综合考虑3.2.1港珠澳大桥主体混凝土结构腐蚀风险评估参照日本《混凝土结构耐久性设计指南及算例》[6],通过定量分析港珠澳大桥不 同腐蚀区域的环境指数Sp和混凝土结构的耐久指数Tp来评价港珠澳大桥主体混 凝土结构的腐蚀风险环境指数Sp由设计使用年限和结构所处的腐蚀环境而定， 腐蚀环境越严酷，该值越大；耐久指数Tp综合考虑设计、施工水平及材料、构造 等耐久性多方面因素，通过计算后获得Tp-Sp的差值越大，腐蚀风险越小，反 之Tp-Sp的差值越小，腐蚀风险越大，则需要采取防腐蚀措施表4为混凝土构件的腐蚀风险分析结果，结果表明，除水下区的混凝土构件的Tp- Sp 较大外，大气区、浪溅区和水变区的Tp-Sp值较小，需采取必要的外加防腐措 施以降低腐蚀风险3.2.2基于全寿命成本分析的防腐蚀措施混凝土结构附加防腐措施可分为两大类：一类通过阻止或延缓氯离子渗透进混凝土 达到保护钢筋的目的，例如硅烷浸渍、混凝土涂层等；另一类通过提高钢筋的抗腐 蚀性能延缓钢筋开始腐蚀时间或者降低钢筋腐蚀速率，如不锈钢钢筋、阴极保护以 及环氧涂层钢筋等。

具体采用何种外加防腐措施，不仅要考虑不同外加防腐蚀措施 的技术要求、特点和全寿命成本经济效益，还要兼顾不同腐蚀环境混凝土构件腐蚀 风险通过对不同外加防腐措施的技术可靠性、全寿命成本和结构腐蚀风险三者之 间进行综合分析，提出港珠澳大桥主体混凝土结构附加防腐蚀措施（表5），此外， 对于浪溅区、水位变动区、大气区构件和沉管，还选择了有代表性部位埋设耐久性 监测传感器，对沉管、主塔、桥墩等重要结构，还实施了钢筋电连接预设营运期阴 极保护4.1长寿命海工高性能混凝土制备港珠澳大桥服役环境恶劣、结构复杂，结构承受的不同荷载、所处不同的环境以及 不同的施工工艺对混凝土的强度、耐久性、工作性及体积稳定性都有不同或更严格 的要求港珠澳大桥混凝土配制的基本原则是：在满足结构强度的前提下，以耐久 性为重点，同时还要满足施工性、抗裂性和经济环保的要求，达到混凝土配合比参 数和各项性能的和谐统一4.1.1基于长期性能确定高耐久性混凝土胶凝材料体系胶凝材料的组成是影响混凝土耐久性的重要因素，大量试验研究证明，掺粉煤灰、 矿渣粉后的水化产物可结合氯离子，且能明显改善混凝土的孔结构而提高混凝土的 抗氯离子渗透性［7-8］。

图2为不同胶凝材料体系混凝土暴露于海洋环境浪溅区5 a氯离子扩散系数，在纯硅酸盐水泥、单掺粉煤灰、单掺矿粉以及混掺粉煤灰和矿 粉等不同胶凝材料体系的混凝土中，混掺粉煤灰和矿粉的混凝土氯离子扩散系数最 小，且衰减最快长期暴露试验证明，混掺大量粉煤灰和矿粉的混凝土显示了优异 的耐久性，且粉煤灰和矿渣粉混掺可改善混凝土的工作性，大量使用还会降低混凝 土的水化热，因此，确定港珠澳大桥长寿命海工高性能混凝土胶凝材料体系为粉煤 灰和矿渣粉混掺4.1.2针对构件的混凝土配合比设计和优化与传统高性能混凝土配制思路和方法有所不同，港珠澳大桥海工高性能混凝土的配 制方法具有以下特点：1）除强度和耐久性外，还系统研究了胶凝材料体系、浆体体 积率、水胶比、集料粒径和级配等对混凝土工作性和开裂性能的影响，更详细掌握 了配合比参数对混凝土综合性能的影响2）针对不同构件的具体性能要求进行试配， 且满足不同施工工艺要求3）在室内试拌的基础上，还进行了足尺模型试验，全面 验证了混凝土的综合性能，配合比得到充分的优化研究得出港珠澳大桥基准配合比见表6，经试验验证，各项性能均满足设计要求 工程实施后，各施工单位在上述基准配合比的基础上，结合各自情况在配制总体原 则不变和满足设计及施工要求的前提下，允许对基准配合比进行适当调整。

4.2混凝土质量控制对于混凝土施工质量控制，国内外卜均有相应的标准规范港珠澳大桥设计使用年限 为120 a，且包含沉管隧道、人工岛与桥梁等不同结构形式，设计标准高、技术复 杂，现行标准规范的质量控制措施很难覆盖全部内容，需结合港珠澳大桥工程特点 和技术要求，在现有规范标准的基础上研究制定针对性强、便于操作、实用的质量 控制措施，对工程耐久性施工质量实施有效的控制针对港珠澳大桥工程特点，根据研究成果制定了《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控 制技术规程》（简称《规程》），《规程》经充分征求意见并反复修改后，由港珠澳 大桥管理局正式颁布用于指导工程施工的质量控制与现行标准规范的内容相比，《规程》具备如下特点：1） 标准制定的总体原则是：考虑了国内和国际、水运和公路行业之间的标准差距， 兼顾了我国目前的施工和材料水平，在能够满足要求的前提下，尽量从严要求2） 针对港珠澳大桥工程的特点，为了满足工程需要，增加了现行国内外标准所缺失 的内容如针对沉管硬化混凝土密度的排水测定方法、为最大限度减少胶凝材料用 量且不影响工作性的粗骨料粒型规定、混凝土配合比设计时需要考虑保证率的氯离 子扩散系数配制目标值设定等。

3） 在充分论证的情况下，为便于施工及有利于工程的质量控制，允许对某些指标作 适当调整如规定了工程只能使用原状粉煤灰，而不允许使用含有磨细成份的粉煤 灰，但允许使用H级粉煤灰；因耐久性由氯离子扩散系数和保护层厚度共同决定， 也考虑到实际施工情况，允许对保护层厚度的控制标准适当放宽等4.3沉管混凝土裂缝控制港珠澳大桥包含有近6 km的海底隧道，深埋于外海，一旦渗漏，将会危及耐久性 和安全性，要达到120 a的使用寿命，则不允许出现危害性的裂缝沉管每单位 段尺寸为22.5 mx37.96 mx11.4 m,结构截面大、钢筋密集、混凝土全断面一 次性浇筑体量达3 400 m3，对结构抗裂提出了极高的要求1） 工程初步设计阶段即开展了 〃大断面矩形混凝土浇筑工艺及裂缝控制关键技术” 课题研究，通过必要的试验研究，论证了采用低热低收缩高性能混凝土，采取必要 的温度控裂措施，可控制沉管不出现危害性裂缝，从而确定了全断面一次性浇筑沉 管的施工方案2） 配制综合性能好的耐久性高、低热、低收缩海工高性能混凝土，所配制的混凝土 不仅满足120 a寿命耐久性及结构要求的强度，而且水化热低、体积稳定性好， 并满足沉管全断面一次浇筑的工作性及顶推要求的早强要求等。

3） 开展混凝土温度应力试验，建立沉管温度应力仿真计算模型，输入沉管尺寸参数 和材料性能参数，结合现场环境和施工条件预设温度控制措施，评估沉管开裂的风 险4） 选取能代表裂缝控制的最不利部位，如底板侧墙结合部、剪力键部位等进行小尺 寸模型试验（图3），通过模型试验测试调整混凝土配合比，获取混凝土力学和热力 学性能，并修正温度应力计算模型5） 取标准管段的14进行足尺模型试验（图4），完全按照现场条件和工艺进行浇筑 施工，并进行全部的性能测试，通过足尺模型试验，验证混凝土性能，确定最终混 凝土配合比；验证控裂仿真计算模型，进一步完善控裂措施；验证大截面沉管全断 面浇筑施工技术，完善浇筑工艺和施工质量控制措施通过上述系列研究和现场试验，制定混凝土温度控制指标（表7）按照此控裂指标， 施工中采取必要的温控措施如控制原材料温度、夏季拌合物加冰降温、采取养护棚 加强养护及加强现场混凝土温度监控等，未发现有害裂缝产生，沉管裂缝得到了有 效的控制尽管通过严格的质量控制，施工建造出满足设计初期目标的建筑物，但毕竟设计时 尚存在一些不确定因素，施工存在质量偏差、营运期环境和荷载都会发生变化、可 能存在不可预见的夕卜力作用等，都会对工程结构耐久性产生影响。

所以，研究了港 珠澳大桥营运期耐久性维护策略，以期保证港珠澳大桥在120 a设计使用寿命周 期内正常运行1）制定贯穿整个服役周期的耐久性维护方案港珠澳大桥构件种类多，所处环境部位不同的构件耐久性劣化时变过程也不同，因 此，应针对不同的构件提出贯穿于整个服役周期的检查、监测和检测等维护方案①结构施工完成后即进行针对构件的耐久性评估，区别于常规的只针对材料性能和 构造参数的检验评定，而是将材料性能和构造参数结合起来进行的耐久性寿命预评 估，根据评估结果，有针对性地采取重点维护和一般维护措施②针对具体构件， 制定常规检查、定期检（监）测、专项检测的检测项目、内容、频次以及建立相应的 档案管理制度，以适时发现和掌握结构物的耐久性状态和变化情况2） 实行服役期工程原位暴露试验和实体构件监测相结合的动态耐久性评估在工程施工阶段，在大桥西人工岛建立本工程原位暴露试验站，采用与工程典型重 要结构相同的材料制作的试件样本，进行同环境条件暴露试验，取样检测批次覆盖 整个服役寿命周期；同时对于主塔、桥墩及海底沉管等不可更换的主体混凝土结构 构件，在施工期埋入耐久性监测传感器，以便及时掌握营运期氯离子侵蚀和钢筋锈 蚀等耐久性状况。

工程原位暴露试验和实体构件监测相结合，一方面可以及时掌握 氯离子腐蚀的实际情况；另一方面可用于修正耐久性设计时的寿命模型，对结构耐 久性和使用寿命进行更准确的预测和评估3） 实施基于全寿命理论的耐久性再设计基于全寿命理论，建立了与评估联动的耐久性再设计基本框架，给出了耐久性劣化 水平、维护措施与成本的对应关系，制定不同构件的耐久性再设计预案，如局部采 取防腐蚀措施、更换涂层、启动阴极保护等，及时对明显劣化的构件实施耐久性补 强，确保在正常使用情况下的预定服役寿命周期内不发生危及安全的耐久性损伤港珠澳跨海集群工程结构形式复杂，工程建设难度大，腐蚀环境严酷，120 a设计 使用寿命是一项贯穿于设计、施工和维护等各阶段的系统问题通过基于实际环境 和长期性能的可靠性设计和严格的施工质量控制，并实施科学的后期维护，可保证 港珠澳大桥在全寿命成本最低的情况下实现120 a设计使用寿命的目标相关文献】[1] 张宝胜，干伟忠，陈涛.杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方案[J].土木工程学报,2006(6):72- 77.[2] 周长严，董锋，张修亭.青岛海湾大桥桥梁混凝土耐久性设计方案研究[J].海岸工程,2007(12):68-71.[3] 四航局科研所，南京水利科学研究所，四航局第三工程处.华南沿海部分码头调查情况介绍[J].水 运工程,1982(2):1-7.[4] 王胜年.华南海港码头混凝土腐蚀情况的调查与结构耐久性分析[J].水运工程,2000(6):8-12[5] JTJ 275—2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].[6] 日本土木学会.混凝土结构耐久性设计指南及算例[1^].向上，译.北京:中国建筑工业出版社,2010.[7] 中交四航工程研究院有限公司.海港工程混凝土结构耐久性寿命预测与健康诊断研究报告[R].广 州:中交四航工程研究院有限公司,2009.[8] 中交四航工程研究院有限公司.长期海洋环境条件下混凝土暴露试验研究报告[R].广州:中交四航 工程研究院有限公司,2010.。