东海大桥打入桩基础耐久性研究与应用

!" 概" 述 东海大桥是国内第一座真正意义上的超长跨海 大桥， 其规模大、 技术要求高、 工作环境苛刻， 设计使 用年限要求 #"" 年。桥梁桩基础主要采用钻孔桩、 ’() 桩 和 钢 管 桩， 其 中 !# -"" 的 打 入 钢 管 桩 有 - $#2 根， !# !"" 的打入 ’() 桩有 $23 根。由此可 主要取决 见， 东海大桥的使用年限能否达到 #"" 年， 于钢管桩和 ’() 桩的使用寿命， 而钢管桩和 ’() 桩的使用寿命又取决于桩体的抗腐蚀性能、 防腐蚀 技术措施及其防护效果。基于大桥百年使用期， 探 讨和研究钢管桩和 ’() 桩的耐久性方案具有十分 重要的意义。 #" 钢管桩耐久性方案 # , ! & 钢管桩腐蚀分析 一般说来， 海洋环境中的固定式钢质结构可分 为五 大 腐 蚀 区： 海 上 大 气 区、 浪 溅 区、 水位变动区 （ 潮差区） 、 水下区 （ 全浸区） 、 泥下区， 这些区域的腐 蚀条件、 腐蚀特征和腐蚀速率各有不同。固定式金 第 # 个腐蚀峰 属结构在海洋中的腐蚀有 $ 个峰值： 值在浪溅区， 因为这里是海水飞溅、 干湿交替、 盐分 高、 温度高、 腐蚀最强烈的区域， 最高年腐蚀率在 #, ! 44 5 6 以上； 第 ! 个腐蚀峰值在低于平均低潮线几 十厘米的水下区， 甚至在平均低潮线以下 #, " 7 #, 4 的位置上， 因为这里与水位变动区组成了氧浓差 电池， 该部位是阳极区而遭受严重的腐蚀， 最高年腐 第 $ 个腐蚀峰值是在泥下 蚀率在 #, " 44 5 6 以上； 区界面以下几十厘米处， 因这里与水下区形成氧浓
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平均 潮差 ’$ ." .$ 1/
% % （ . ）保护规模。 # 材质： 7’,/8 （ !09: 钢） ； " 桩顶标高：; .$ /" #； /0 & 11 #； % 桩长： & 直 径： / ’!+ 根； !! /"" ##； ’ 桩 数： ( 保 护 总 面 积： . ! ,0. .,* # 。
万方数据 质、 表面状态、 涂层质量与厚度、 工作海域特点、 有效
（ ’ ）保护电流密度。根据被保护的钢管桩材
东海大桥打入桩基础耐久性研究与应用! ! 皇甫熹， 刘小方
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图 !" 阳极安装位置示意
! ! "#$ 桩中的钢筋与混凝土的紧密结合， 共同承 担结构的物理和力学性能， 一方出了问题， 均会使结 构遭到破坏。就其钢筋锈蚀而言， 一旦发生了钢筋 锈蚀， 锈蚀产物的体积要比钢本身大 % & ’ 倍， 产生 膨胀应力 () *"+ 以上， 致使混凝土保护层顺筋开 裂， 甚至剥落， 不但破坏了表面混凝土结构， 更重要 的是由于钢筋截面不断减小， 使整体钢筋混凝土结 构的承载能力不断削弱， 最后导致构件爆裂。钢筋 混凝土构件中的钢筋之所以产生腐蚀主要是海水介 质中的氯离子的作用， 这一点已被实践所证明， 虽然 对其机理作用尚存在不完全一致的解释， 但总的都 认为当氯离子存在并达到一定浓度时， 氯离子就破 坏钢筋表面的钝化膜进而使钢筋产生电化学腐蚀。 另外， 混凝土保护层属于多孔性复合材料， 它覆 盖在钢筋外表面， 在一定程度上与其他非金属涂层 一样起着隔离腐蚀介质的作用， 但对钢筋提供主要 保护作用的还是水泥水化过程中产生的 $+ （ ,# ） %， 使混凝土孔隙液成为饱和的 $+ （ ,#） 它给钢 % 溶液， 筋提供了高碱度 （ -# . /%0 1 ） 的电解液工作环境， 这 种环 境 中 的 钢 筋 表 面 会 形 成 一 层 厚 度 只 有 %) & /))2、 由致密的 45% ,( ・ !#% , 组成的钝化膜， 使钢 筋处于高抗锈蚀状态， 此时只要这种钝化膜不遭到
收稿日期： !""+ 0 ". 0 $# 作者简介： 皇甫熹 （ #2+- 0 ） ， 男， 高级工程师， #2%. 年毕业于同济大学道路与桥梁专业。 万方数据
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世界桥梁%
% ."", 年增刊
保护年限和外界条件影响等因素， 钢管桩各区段选 取的保护电流密度见表 . 。
" " " 表 #" 钢管桩各区段选取的保护电流密度
" " " " " " " " 表 !" 桥区潮汐特征值" " " " "
平均% 海平面 芦潮港测站 （ !+1* & !++, ） 小洋山测站 （ !++1$ * & .""!$ !. ） "$ .’ "$ !* 平均% 高潮位 !$ *0 !$ /. 平均% 低潮位 6 !$ ’, 6 !$ .’ 最大 潮差 /$ !, /$ "’
开路电位 8EF 6 D， !$ "/ & !$ !* 工作电位 6 D， 8EF !$ "/ & !$ !. 实际电容量 <・G・34 6 ! %. 0"" 电流效率 H %+" 溶解 性能 溶解 均匀
% % （ 0 ）阳极数量与配置。东海大桥 / ’!+ 根钢管 桩需要 !/1 34 ( 支 级 高 效 铝 合 金 牺 牲 阳 极 !0 ’,! 支， 总重量为 ./0 /’1 34， 其中单桩安装 ’ 支阳极的 安 装 , 支 阳 极 的 钢 管 桩 有 ,* 钢管桩有 / !/+ 根， 根， 安装 0 支阳极的钢管桩有 !!. 根， 见图 . 。 （ 1 ）阳极安装。引进英国焊条和焊接工艺， 采 用水下湿法焊装牺牲阳极。 # $ % % 保护效果检测与评估 ."", 年 1 月间， 借助于数量万用表和便携式铜 6 饱和硫酸铜参比电极 （ 8EF ） ， 对 .""’ 年 !" & !. 月全部完成焊装阳极的桥墩保护电位进行了测量， 涨满潮时钢管桩的电位为 6 "$ +1 & 6 "$ ++ D， 退平 潮时钢管桩的电位为 6 !$ "" & 6 !$ ". D， 达到了设 计技术指标的要求。在退平潮时， 对钢管桩潮差段 的腐蚀状况进行了观察， 未发现任何锈迹， 即便是涂 层受机械破损处也未发生任何腐蚀痕迹和返锈现 象， 保护完好。 %" &’( 桩耐久性方案 % $ ! % IJ8 桩腐蚀分析 IJ8 桩全称为预应力离心高强混凝土桩， 其桩 身混凝土材料由水泥、 优质砂石料、 高效减水剂和适 当的掺合料组成， 并采用先张法预应力筋墩头锚固、 高速离心成型、 高压蒸养工艺进行制造， 产品具有高 强度 （ 桩身混凝土达 8*" 级） 、 高密度、 低水灰比、 低 渗透 （ 抗渗等级 K’" ） 等特征。

高效铝合金牺牲阳极电化学性能见表 ’ ； % 阳极规 格： 阳 极 尺 寸 ! ,/" ## C（ !*" ; .!" ） ## C ."" ##， 阳极重量 !/1 34 ( 支， 阳极净重 !,/ 34 ( 支， 阳极 单支输出电流 .$ !+0 < ( 支， 阳极寿命 ’/$ .1 年。
表 %" 高效铝合金牺牲阳极电化学性能
东海大桥打入桩基础耐久性研究与应用& & 皇甫熹， 刘小方
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东海大桥打入桩基础耐久性研究与应用
皇甫熹， 刘小方 （ 上海市深水港工程建设指挥部大桥分指挥部， 上海 !"#$"% ）
摘& 要：基于东海大桥的工作环境和使用年限 #"" 年的技术要求， 参照相关技术规范、 结合国内外海洋固定式 钢质结构和钢筋混凝土结构的防腐蚀工程经验， 分别制定了打入钢管桩和 ’() 桩的耐久性方案， 其中钢管桩耐久 性方案给出了保护规模、 保护方式、 保护参数、 阳极用量、 阳极配置、 阳极水下湿法焊接工艺等； ’() 桩耐久性方案 采用了桩身外覆纤维增强复合材料、 桩身采用高耐久性混凝土、 增加混凝土保护层厚度等主要的行之有效的防护 措施。 关键词：桩基础； 钢管桩； ’() 桩； 高性能混凝土； 耐久性； 防腐 中图分类号：*++$, #-! ； *++-, . 文献标识码： / 1" 0 ""#. 0 "+ 文章编号： #%.# 0 ..%. （ !""+ ）
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会遭到腐蚀， 这是钢筋混凝土构件的特点。 除此之外混凝土在 $6 7 、 8,’ % 7 等离子的化学作 用下， 将产生对钢筋无任何保护作用的， 或者体积更 大的络合物， 形成膨胀压力， 增强了渗透性， 进而导 致混凝土构件开裂。 # 0 ! ! 东海大桥 "#$ 桩耐久性方案 提高混凝土和钢筋混凝土结构的耐久性常须采 取根本措施和补充措施。根本措施是从材质本身的 性能出发， 提高混凝土材料本身的耐久性能， 即采用 高耐久性混凝土； 再找出破坏作用的主次先后， 对主 因和导因对症施治， 并根据具体情况采取补充措施。 依据上述原则及工程本身的环境特点， 根据 /)) 年 的使用期要求， 东海大桥工程 "#$ 桩的耐久性方案 采用了 “ 桩身外包覆纤维增强复合材料 9 桩身采用 高耐久性混凝土 9 增加混凝土保护层厚度” 的综合 防腐蚀措施。 # 0 ! 0 $ ! 采用包覆层保护 东海大桥 "#$ 桩全部桩体外包覆 / 层 %0 : ;; 厚的纤维增强复合材料。玻璃纤维增强不饱和聚酯 包覆的防腐蚀技术， 在国外应用的历史已超过 1) 年， 而对其耐久性的认识是随着实践经验的积累而 加深的。在 %) 世纪 <) 年代末， 国际上复合材料科 学界普遍认为其可靠寿命在 () 年以上， 而时至现在