首钢京唐钢铁项目混凝土结构耐久性设计技术课题研究

首钢国际工程公司在工程中积极寻求科技创新，在工程设计上积累了丰富的经验。为了创造首钢京唐钢铁厂精品工程，首钢国际工程公司土建室组织精英人员成立混凝土耐久性设计研究团队，潜心研究耐久性设计方案，并对所采用的方案进行经济效益分析，保证了工程项目具有良好的安全性、耐久性以及经济性。

1混凝土结构耐久性研究的背景与意义

长期以来，人们总认为混凝土是一种耐久性良好的材料，设计的时侯偏重考虑结构的安全性和使用性，忽视了复杂多变的环境作用造成材料和结构耐久性损伤，加之施工管理不当、不重视维修保养等原因，造成许多重大土木工程的结构性能提前劣化及使用功能和承载能力下降，从而影响到结构的安全使用。近年，结构耐久性问题已受到国内外工程界的普遍关注，有关耐久性方面的研究已成为土木工程界的重大研究领域。

为了满足首钢京唐钢铁厂项目的高水平要求，在设计中贯彻地下混凝土结构设计以耐久性为主的理念，就要使项目投资者充分认识到腐蚀危害对建筑物造成的巨大经济损失，设计者就要认真研究致使地下混凝土结构劣化的环境因素、机理，采取防止地下混凝土劣化的方法，提出保证地下混凝土结构耐久性可行的、经济适用的措施。然而我国目前海洋工程超长寿命服役的相关技术规范，高性能混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用方面尚为空白，因此结合钢铁基地工程的具体需要，研究海水混凝土结构耐久性和高性能混凝土的应用技术极为迫切和重要。

2首钢京唐钢铁厂项目面临的耐久性问题

在海洋环境下混凝土结构的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起，主要表现形式有：钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵蚀、溶蚀、碱—集料反应等。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发：一是海水中“氯”离子的侵蚀，二是大气中的CO2使混凝土碳化。国内外大量工程实践调查和科学研究结果表明：海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是“氯”离子进入混凝土中，并在钢筋表面聚集，促使钢筋产生电化学腐蚀。在曹妃甸钢铁基地周边沿海码头调查中亦证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于“氯”离子渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响曹妃甸钢铁基地结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的“氯”离子渗透速度。

首钢京唐钢铁厂厂址陆域是由海底取砂吹填形成的，原厂址海水深1m～3m，面积约为25km2，填土厚度为0.7m～6m，平均厚度为4m。根据初勘报告书水质分析结果，地下水对混凝土具有中等腐蚀性，对长期浸在水下的钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性，在干湿交替下具有强腐蚀性。钢铁厂为新建临海工程，混凝土结构经常与地下水接触并处于潮湿环境中，氯离子的渗入导致钢筋混凝土锈蚀而产生破坏，是影响钢筋混凝土建筑物寿命的主要因素。特别是桩基础中的基桩，长期处于地下水升降交替范围内，其中的钢筋更易受到腐蚀破坏，并且由于其在地下埋着不易观察，它的破坏具有突然性，并且具有不可修复性，它的破坏对建构筑物的安全使用具有毁灭性。

针对本工程所处的自然环境，影响混凝土耐久性的破坏因素概括起来如图1.1所示。

3高性能混凝土耐久性能试验研究

首钢京唐钢铁厂临近海洋，厂址所处环境复杂，混凝土结构需要具备良好的耐久性能。通过高性能混凝土耐久性能试验研究，对混凝土抗碳化、冻融以及氯离子侵蚀的情况进行分析，为本工程的耐久性设计奠定基础。

（1）进行高性能混凝土碳化试验，研究阻锈剂和掺和料对碳化性能的影响。

图3.1混凝土碳化试验

由试验得出，随着碳化时间的增长，不同类型的混凝土碳化深度均加大，掺阻锈剂和双掺掺和料（粉煤灰和矿渣）混凝土比不掺阻锈剂和不双掺掺和料的混凝土，28天的碳化深度可降低7%~30%。

（2）进行高性能混凝土动弹模量试验，研究混凝土经受冻融或其它侵蚀作用后遭受破坏的程度，并以此来评定其耐久性能。

图3.2混凝土动弹模量试验

掺阻锈剂和双掺掺和料（矿渣粉和粉煤灰）混凝土相对动弹性模量在71.2%~95.7%，耐久性指数71.2%~95.7%，比不掺阻锈剂和不双掺（矿渣粉和粉煤灰）混凝土相对动弹性模量高出28%~72%，耐久性指数高出71%~129%。

（3）进行高性能混凝土抗氯离子渗透性试验，研究掺加阻锈剂和掺和料混凝土的耐海水腐蚀性能。通过试验可以看出，与普通混凝土相比较，双掺掺合料、添加钢筋阻锈剂的高性能混凝土具有优良的工作性能、相近的物理力学性能和优异的耐久性能，尤其是其耐海水腐蚀性能，混凝土的氯离子扩散系数可小于1～5×10-12m2/s。

设计团队从高性能海工混凝土的基本要求出发，在原材料的优选试验中，以坍落度评价混凝土的工作性，以抗压强度等评价混凝土的物理力学性能，以混凝土的氯离子扩散系数（NEL法）试验结果评价混凝土的抗氯离子渗透性能，并以耐久性能为首要要求。

4首钢京唐钢铁厂项目混凝土耐久性设计方案及经济效益分析

（1）根据高性能混凝土耐久性能试验研究，首钢京唐钢铁基地混凝土结构的耐久性设计的基本方案如下：

1）混凝土材料的选择

本工程采用高性能混凝土，以优质的混凝土矿物掺和料和新型防腐阻锈剂、复合防水剂，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比、低缺陷、高密实、高耐久的混凝土材料，这样的混凝土材料具有较高的抗氯离子渗透性、优异的耐久性和良好的性能价格比等优点。同时对不同的结构部位采用不同强度等级混凝土材料。

2）构造措施

本工程厂址临近海洋，地下水中含有大量氯离子，海风、海雾以及海砂中也含有氯盐，它们会对钢筋产生腐蚀从而导致钢筋混凝土结构的破坏，因此要采取必要的构造措施，以增强混凝土结构的耐久性。

混凝土保护层厚度对钢筋的防腐蚀极为重要，这是提高钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。根据《指南》中对混凝土保护层最小厚度的限制，本工程中大量直接接触土体的地下混凝土结构的保护层厚度均采用70mm，而对于板、墙等面形结构，水下区厚度为40mm，水位变动区厚度为50mm。

3）附加措施

为保证工程具有良好的耐久性能，在地下水位变动区的混凝土结构均涂有防腐蚀涂层，而对于其他部位的混凝土结构，大部分都使用了复合防腐阻锈防水剂以及矿渣粉、粉煤灰等掺和料。

（2）经过多方面严密分析，确定钢筋混凝土结构的耐久性方案有基本措施和附加措施。基本措施是对混凝土本身品质的要求及构造措施，成本基本上是固定的。附加措施有掺加钢筋阻锈剂与掺和料、采用环氧涂层钢筋、阴极保护和混凝土表面涂刷隔离层等。在混凝土耐久性设计中影响工程成本的主要因素是钢筋阻锈剂和掺和料的使用情况。

1）使用钢筋阻锈剂情况

本工程使用的高性能混凝土中掺入两种类型的阻锈剂，一种是单一型阻锈剂另一种是复合型阻锈剂。

在首钢京唐钢铁厂地下工程中总计使用复合防腐阻锈防水剂约19875t，替代进口或合资生产的阻锈剂节约费用约2600万元。

2）使用矿渣粉和粉煤灰双掺技术情况

在首钢京唐钢铁厂1号高炉、2250mm热轧、循环水等工程中使用粉煤灰和矿渣粉作为高性能海工混凝土掺合料替代部分水泥。截止2008年8月20日使用粉煤灰和矿渣粉双掺混凝土17.93万m3。C30P8F300粉煤灰和矿渣粉双掺量160kg，C35P8F300粉煤灰和矿渣粉双掺量170kg，每m3混凝土掺粉煤灰和矿渣粉节约3.30元，总计节约591690元。

搅拌站在首钢京唐钢铁厂地下工程中总计使用粉煤灰和矿渣粉双掺混凝土约116万m3，节约水泥费用约460万元。

综上分析，使用阻锈剂和掺和料总计节约费用约3060万元。

5混凝土结构耐久性技术主要研究成果

混凝土结构耐久性技术的研究成果主要内容有：

（1）对工程所处环境状况进行了分析，将钢铁厂环境分类及环境作用等级定为Ⅲ－E级。

（2）开展了高性能混凝土耐久性能试验，对高性能混凝土的抗碳化、冻融以及氯离子侵蚀性能进行了研究，通过试验分析发现：

1）掺阻锈剂和双掺掺和料（粉煤灰和矿渣）混凝土比普通混凝土抗碳化性能好，28天的碳化深度可降低7%~30%。

2）掺阻锈剂和双掺掺和料（矿渣粉和粉煤灰）混凝土在经受冻融或其它侵蚀作用后，耐久性能要比普通混凝土耐久性能好，其相对动弹性模量比普通混凝土可高出28%~72%，耐久性指数提高71%~129%。

3）与普通混凝土相比较，双掺掺合料、添加钢筋阻锈剂的高性能混凝土的耐海水腐蚀性能好，混凝土的氯离子扩散系数可小于1～5×10-12m2/s。

（3）结合首钢京唐钢铁项目混凝土结构所处的实际环境状况，依据混凝土结构耐久性设计原则及内容，对工程不同的结构部位采取了不同的混凝土耐久性设计方案，并对其进行了经济效益分析，从而保证了工程项目的安全性、耐久性及经济性。

6混凝土结构耐久性技术研发团队

首钢国际工程公司非常重视首钢京唐钢铁厂吹砂造地软土地基处理工作，在工程立项后就组织成立了有业主、设计、科研、试验等专业人员参加的技术团队。课题组组长李洪光带领团队成员对国内外同类工程进行广泛调研，深入现场搜集将要采用的各种建筑材料，进行大量的理论分析和实验研究，组织专家对实验结果反复讨论，制定了《首钢京唐钢铁联合有限责任公司地下工程耐久性设计统一技术规定》，满足首钢京唐钢铁厂设计施工需要，保证了工程质量。

（首钢国际工程公司：李洪光）