长桥卧波 无惧岁月——胶州湾大桥混凝土结构耐久性维护技术

胶州湾大桥是我国冰冻海域首座特大型跨海桥梁集群工程，处于北方冰冻海洋环境，气候季节变化明显。桥位区年均气温12.3℃左右，极端最高气温38.9℃，极端最低气温-16.9℃；1月份最低平均气温-1.0℃，8月份最高平均气温25.1℃。桥位区冰冻期一般从12月下旬开始到次年2月中旬结束，冰期在60天左右，其中1月下旬至2月上旬为重冰期，年冻融循环约50次。桥位区海域的海水含盐度高达29.4‰～32.9‰，为国内目前跨海大桥含盐量最高的工程项目。胶州湾大桥混凝土结构受冻融和氯盐的共同侵蚀作用，其耐久性保障技术要求高。

图1 冰冻时期的胶州湾大桥

为保证胶州湾大桥100年设计服役寿命，科学的耐久性设计和严格的施工管控是基础，运营期的耐久性维护管理则是重要保障。在胶州湾大桥耐久性设计施工阶段，在交通运输部、山东省交通运输厅的组织下，开展了产学研联合攻关，通过多年的技术创新和工程实践，得以在冰冻海域跨海大桥设计、结构联合防护及管养技术等方面取得了多项重大技术突破，解决了胶州湾大桥建设期所面临的主要技术难题。为支撑大桥的运营养护工作，建设期在典型桥位附近同步建造了工程暴露试验站，并利用现场材料与配合比成型了混凝土暴露试件展开现场试验，同时在大桥结构典型部位预埋了钢筋锈蚀监测传感器，以动态监测实体结构混凝土耐久性演变规律。当前，通过现场暴露试验和实体结构耐久性监测，已经取得了超过12年的测试数据。

在前期研究的基础上，针对冰冻海域跨海桥梁所面临的耐久性维护技术难题，利用现场长期暴露试验、实体结构检测/监测数据，搭建混凝土结构耐久性基础数据库分析系统；通过分析耐久性基础数据，建立符合冰冻海域环境特点的混凝土结构耐久性评估模型；开展胶州湾大桥混凝土结构耐久性维护策略研究，提出基于全寿命周期理念的工程结构耐久性管养体系，进而实现大桥在设计服役寿命周期内的安全和低成本运营。

工程调查是获取实际环境、实体结构耐久性劣化基础数据最为重要的手段之一。在胶州湾大桥建成12年时，针对大桥典型混凝土结构部位组织开展了全面的工程耐久性调查，包括结构外观质量、结构裂缝、碳化情况、钢筋保护层厚度、混凝土强度、混凝土中氯离子渗透情况、混凝土冻融破坏、钢筋锈蚀、涂层服役性能等。此外，还调查大桥施工期结构资料和运营期在线监测数据，收集桥梁混凝土结构耐久性基础数据，以明确大桥结构耐久性主要影响因素及薄弱环节，作为后续维护重点关注对象。

图2 胶州湾大桥混凝土结构耐久性调查结果现场

工程调查表明，胶州湾大桥服役12年时，典型构件混凝土的力学性能满足设计要求；混凝土碳化深度普遍较小(见图3),其中箱梁混凝土碳化最大,但碳化最大深度仅为2.5mm，碳化作用不是影响大桥混凝土结构耐久性的主要因素；海水腐蚀环境对冰冻海域混凝土结构耐久性的影响不同，腐蚀严酷程度：水变区＞浪溅区＞大气区；水变区的混凝土结构氯离子扩散系数和表面氯离子浓度均较大,氯离子扩散系数为0.10×10-12m2/s～0.62×10-12m2/s，表面氯离子浓度为0.35%～1.41%，水变区的混凝土结构受到氯盐和海水冻融循环等复合作用下，混凝土中氯离子侵蚀最为严重，应重点关注。在混凝土结构表面涂层防护方面，冰冻海水环境中浪溅区和大气区环境下涂层对混凝土的长期防护效果较好，而水变区腐蚀环境下表面涂层受海水侵蚀、冻融等复合作用下发生局部破损剥落等情况。总体而言，胶州湾大桥服役12年后，各项指标均满足现行规范要求，结构耐久性状况良好。

图3 胶州湾大桥混凝土结构碳化深度调查结果

图4 胶州湾大桥混凝土结构表面涂层性能调查结果

通过预埋式耐久性监测传感器,对大桥25处关键部位进行了长达12年的连续监测。监测内容包括：钢筋腐蚀电位、钢筋腐蚀电流、混凝土电阻和结构内部温度。监测数据显示,受监测关键部位的各项耐久性指标均正常,未出现明显劣化现象,大桥混凝土结构整体耐久性状况良好。

图5 胶州湾大桥混凝土结构耐久性监测系统

正确评价和准确预测混凝土结构在特定环境和荷载条件下的服役寿命，是工程耐久性领域研究的热点和难点。就目前世界范围的研究水平来看，随着对混凝土结构耐久性问题研究的不断深入，传统的、以室内研究为基础的耐久性研究方法越来越凸显出其在工程实际应用中的局限性，由于室内研究环境与工程环境的巨大差异，导致了室内研究得出的耐久性成果偏离了实际工程的具体规律。通过长期暴露试验可真实表征实际海水环境下混凝土构件长期性能的演变，已成为研究工程结构耐久性最为可靠的技术手段之一。

为动态了解胶州湾大桥典型结构的服役状况，大桥在建设期间即前瞻性的规划建造了工程暴露试验站，工程暴露试验站与大桥同期建设、同时运营，利用现场工程混凝土和养护工艺制备暴露样品，保证了暴露样品材料特性与工程混凝土的一致性。胶州湾大桥暴露试验站设大气区、浪溅区和水变区三个典型腐蚀环境分区，建造面积约150m2，为我国北方海域首个专业化的工程暴露试验场（见图6）。暴露试验站于2009年9月投入使用，现场累计放置了超过1200个混凝土试件，并持续开展了1年、3年、5年、8年、12年等五个龄期的样品测试与数据分析工作，包括不同构件混凝土中氯离子侵蚀、混凝土冻融损伤、碳化深度、防腐蚀材料长期防护效果等测试内容。结合已取得的大桥实体结构耐久性数据，综合分析表面氯离子浓度和氯离子扩散系数的时变特征，以揭示冰冻海域混凝土结构耐久性劣化规律。通过野外长期暴露试验，获取了1～12年暴露期间不同混凝土中氯离子扩散规律，确定了不同混凝土、不同腐蚀环境条件下混凝土结构耐久性关键参数的时变规律。

（a）暴露站外部

（b）大气区

（c）浪溅区

（d）水变区

图6 胶州湾大桥暴露试验站

海水中氯离子在混凝土中的传输过程较为复杂，影响离子传输的动力因素，包括浓度梯度作用下离子扩散、压力作用下孔隙液渗流及电场作用下离子定向迁移等，是复杂的物理化学过程。关于海洋环境下混凝土结构耐久性寿命计算模型，工程界通常以Fick第二扩散模型为基础，考虑了材料、环境特点，对海工混凝土结构耐久性预测模型进行了修正和完善。因此，混凝土结构寿命预测模型的准确性和可靠性，非常依赖实际环境下材料与结构长期耐久性数据。

围绕胶州湾大桥工程耐久性数据收集与积累，大桥管理单位利用工程暴露试验、工程耐久性监测、定期巡检、工程调查等方式，收集了大量真实的耐久性基础数据，为建立符合冰冻海域环境特点的混凝土结构寿命计算模型，提供了重要技术支撑。利用长达12年的暴露试验、工程调查等现场原型耐久性数据，通过统计分析手段，研究分析了混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数等耐久性关键参数的时变规律，进而建立符合我国冰冻海水环境特点的混凝土结构耐久性寿命评估。在此基础上，借鉴国内外研究成果，考虑本工程的特点，对表面氯离子浓度、临界氯离子浓度、氯离子扩散系数衰减值等关键参数的概率分布模型，进行了统计分析，并采用随机模拟数学方法，提出了基于概率的冰冻海域混凝土结构耐久性寿命预测方法。

混凝土结构耐久性基础数据的收集与动态评估是一项长期持续过程，为实现数据有效保存与利用，建立了基于数据库系统的胶州湾大桥混凝土结构耐久性分析与预警评估软件，其中包括用户管理系统模块、混凝土结构耐久性数据库管理模块和结构耐久性预警评估分析模块，实现了大桥混凝土结构耐久性数据库的系统化、规范化以及数据处理信息化。

图7 胶州湾大桥混凝土结构耐久性分析与预警评估软件系统结构框架

为满足胶州湾大桥混凝土结构耐久性100年使用寿命指标，基于建立的冰冻海域混凝土结构耐久性寿命评估模型，结合可靠度理论，再通过暴露试验、工程检测及监测等数据，形成耐久性寿命评估方法，并据此制定大桥混凝土结构耐久性维护策略。根据不同耐久性失效概率水平（图8、图9），考虑不同工程耐久性提升技术特点和全寿命周期成本，提出了耐久性三级维护水平。

图8  通航孔桥结构失效概率时变规律

图9 通航孔桥结构可靠度指标β时变规律

全寿命周期耐久性维护成本计算方法主要考虑以下4个因素：（1）结构形式、重要程度；（2）结构耐久性维护水平；（3）不同措施的耐久性提升效果及使用年限；（4）不同措施的材料、施工及维护等成本。据此建立了胶州湾大桥混凝土结构全寿命周期耐久性维护成本计算模型。按照三种不同耐久性维护水平，制定大桥混凝土结构全寿命周期耐久性维护策略，分别提出了2套维护技术措施及相应经济成本。