抗氯離子侵蝕耐久壽命實用預(yù)測方法

包啟航

（中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210014）

0 引言

由于道路化冰鹽的使用，我國北方區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)工程會因氯鹽引起鋼筋銹蝕，目前普遍認(rèn)為,氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因之一[1]。

關(guān)于混凝土耐久性壽命，國內(nèi)外相關(guān)專家都有不同定義。Rostam認(rèn)為，幾乎所有的混凝土劣化過程都經(jīng)過兩個階段：初始階段和擴(kuò)展階段[2]。在初始階段，沒有顯著的材料弱化或結(jié)構(gòu)功能退化現(xiàn)象出現(xiàn)，但某些保護(hù)層被侵蝕介質(zhì)破壞；而在擴(kuò)展階段，將出現(xiàn)主動性的損傷并加速發(fā)展,如鋼筋腐蝕。也有學(xué)者認(rèn)為：只要混凝土內(nèi)部的氯離子達(dá)到一定濃度，同時其他條件具備（主要是維持鋼筋銹蝕反應(yīng)的水和氧氣都能保證供應(yīng)）就將導(dǎo)致鋼筋銹蝕，此時即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)[3]。

我國相關(guān)規(guī)范（GB/T 50576-2010）規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)可分為以下三種，（1）鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；（2）鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；（3）混凝土表面發(fā)生輕微損傷的極限狀態(tài)。

本文主要以狀態(tài)（1）即：鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)為混凝土耐久性壽命指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)可定義為氯離子侵入混凝土內(nèi)部并在鋼筋表面累計的濃度達(dá)到臨界濃度。

1 氯離子擴(kuò)散深度預(yù)測模型

通常認(rèn)為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散遵循Fick定律，國內(nèi)外眾多學(xué)者在該定律基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的預(yù)測模型，現(xiàn)經(jīng)過比選采用了基于Fick第二擴(kuò)散定律的余紅發(fā)模型[4]：

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度；K為氯離子擴(kuò)散性能的劣化效應(yīng)系數(shù)；R為混凝土的氯離子結(jié)合能力；m為氯離子擴(kuò)散系數(shù)時間依賴性常數(shù)；T為混凝土實際溫度；D0為溫度T0時混凝土28 d擴(kuò)散系數(shù)。

2 氯離子擴(kuò)散深度模型主要參數(shù)分析

2.1 氯離子初始濃度C0

混凝土中氯離子主要由兩部分組成：一部分是由拌和水、水泥、細(xì)骨料、粗骨料、礦物摻合料，以及各種外加劑等混凝土組成材料帶進(jìn)混凝土內(nèi)部的氯離子；一部分是通過混凝土保護(hù)層由外界環(huán)境滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子。因此，為保證混凝土的耐久性，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、防護(hù)等級，以及服役環(huán)境條件等對混凝土拌和物中由各種原材料引入的氯離子總量，即氯離子初始濃度加以限制。

我國橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D62-2016）針對預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土，分別規(guī)定了混凝土拌和物中氯離子含量的最高限值為0.06%和0.1%。現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件氯離子初始濃度取C0≤0.06%；對鋼筋混凝土構(gòu)件取C0≤0.1%。

2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)D

氯離子擴(kuò)散系數(shù)是用來反映混凝土對外界環(huán)境中氯離子侵蝕抵抗能力的參數(shù)。氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)不是一個常數(shù)，受到諸多因素的影響，如濕度、溫度、膠凝材料用量、骨料級配、外加劑種類和摻量等因素的影響。

2.3 結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度C s

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度的大小與橋梁運營環(huán)境有很大的關(guān)系。不同橋梁結(jié)構(gòu)部位氯離子濃度也有所不同，直接接觸鹽溶液的構(gòu)件，如主梁、防撞墻等，由于積水不能及時排除，長時間接觸鹽溶液，氯離子濃度較高。而不直接接觸鹽溶液構(gòu)件，如墩柱等，氯離子濃度則相對較低。

經(jīng)過相當(dāng)長時間的使用后，構(gòu)件表面基本達(dá)到氯離子飽和，在穩(wěn)定的使用環(huán)境中，不會發(fā)生太大的變化，因此可以假定混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度恒定。而由于對流區(qū)的存在，實際調(diào)查的氯離子表面濃度會相對較低，故混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度可通過對氯離子分布曲線反推而得。通過對不同濃度的氯化鈉溶液中混凝土長時間浸泡循環(huán)得到的表面氯離子濃度，可以建立外部腐蝕介質(zhì)與混凝土表面層氯離子濃度的關(guān)系[5]：

式中：f為腐蝕溶液中氯離子濃度，g/L。

通過對實橋調(diào)查數(shù)據(jù)的擬合，直接接觸鹽濃度構(gòu)件氯離子濃度在0.602%~2.965%之間，擬取1%~3%；而不直接接觸鹽溶液構(gòu)件氯離子濃度在0.524%~2.159%之間，擬取0.6%~2.2%。

2.4 氯離子臨界濃度C cr

當(dāng)鋼筋鈍化膜被破壞時，鋼筋周圍混凝土中游離氯離子的最高濃度，可稱為混凝土中氯離子臨界濃度。但事實上，氯離子臨界濃度并不是一個定值，它受混凝土中堿含量、水泥品種、溫度、濕度等多種因素影響，不同環(huán)境下氯離子臨界濃度并不一致。Glass[6]總結(jié)了前人的研究成果，發(fā)現(xiàn)該數(shù)值分布范圍較廣，以氯離子含量占水泥用量的百分比表示，從0.17%到2.5%[6]?，F(xiàn)結(jié)合遼寧地區(qū)實際情況及相關(guān)文獻(xiàn)，參考英國標(biāo)準(zhǔn)，取Ccr=0.3%（水溶性氯離子占膠凝材料用量的百分比）[7]。

2.5 鹽凍后混凝土劣化

凍融循環(huán)作用不僅會造成混凝土構(gòu)件表面剝落，而且會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部劣化，使得氯離子的侵入加速，從而導(dǎo)致混凝土中的鋼筋附近的氯離子濃度過早到達(dá)臨界濃度，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件承載能力下降，結(jié)構(gòu)安全性能降低。

文獻(xiàn)[8]通過混凝土凍融后再進(jìn)行干濕循環(huán)來反推混凝土凍融后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得出在15~75次循環(huán)后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大1.17~4.28。文獻(xiàn)[9]通過混凝土凍融后，進(jìn)行RCM測試混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得出100次凍融循環(huán)后，C35混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大2倍，C40混凝土增大1.5倍；200次凍融循環(huán)后，C35混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大4倍，C40混凝土增大3.5倍。綜上所述，擬取混凝土劣化系數(shù)：K=1~4，視實際橋梁鹽凍損失程度而定。

2.6 應(yīng)力水平

一般研究氯離子在混凝土中的擴(kuò)散，都是處于靜態(tài)非受力狀態(tài)下的。實際混凝土結(jié)構(gòu)都承受著持續(xù)的荷載作用，或者說混凝土結(jié)構(gòu)都是存在微裂縫的。因此，研究荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子擴(kuò)散，更科學(xué)和符合實際。

對此，擬采用文獻(xiàn)[10]的擬合結(jié)果考慮荷載對氯離子擴(kuò)散的影響：

（1）壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗公式：

式中：D（σc）為表示壓應(yīng)力水平 σc情況下，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)；D0為表示無應(yīng)力狀況下，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)；α1、α2、α3、α4為擬合經(jīng)驗系數(shù)，分別為 5.96 664×10-13、-1.93 882×10-13、4.34 103×10-13、-3.89 545×10-15。

（2）拉應(yīng)力狀態(tài)下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗公式：

式中：D（σt）為表示拉應(yīng)力水平σt情況下，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)；D0為表示無應(yīng)力狀況下，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)；β1、β2、β3、β4擬合經(jīng)驗系數(shù)，分別為 2.210 183×10-12、1.13 417×10-12、-8.56 355×10-12、2.682 752×10-12。

3 有限元模型及計算結(jié)果分析

3.1 算例簡介

現(xiàn)以25 m預(yù)制小箱梁主梁為例，對其進(jìn)行剩余壽命預(yù)測。主梁橫截面圖如圖1所示，最小保護(hù)層厚度為腹板處，為40 mm；通過橋梁博士對其進(jìn)行驗算，正常使用極限狀態(tài)下最大主拉應(yīng)力為0.29 MPa。

3.2 定值計算法（一維氯離子擴(kuò)散）

圖1 小箱梁主梁橫截面圖（cm）

結(jié)合相關(guān)試驗及論文，暫取橋梁結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度Cs=2.5%，初始氯離子濃度為C0=0.02%，假設(shè)采用普通混凝土，取混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為 D0，28=5.45×10-12m2/s，則考慮拉應(yīng)力后（壓應(yīng)力不超過50%時，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)是降低的，因此暫不考慮壓應(yīng)力的有利影響），28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為D0，28=5.996×10-12m2/s，混凝土氯離子衰減系數(shù)m=0.35，混凝土劣化系數(shù)K=1~2，混凝土的氯離子結(jié)合能力R=0.85，Ccr=0.3%，c=40mm。計算結(jié)果見表1所列。

表1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性年限一覽表

3.3 有限元模型及計算（二維氯離子擴(kuò)散）

傳統(tǒng)二維氯離子擴(kuò)散方程都是基于正交坐標(biāo)系求解的，對于箱梁這樣不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，如采取解析方法求解不僅理論模型推導(dǎo)復(fù)雜，且公式繁瑣，未必適用于工程實際。

對于箱梁，可能腹板和底板都有氯離子侵蝕（如圖2所示），所以對于實際橋梁結(jié)構(gòu)，這是個非正交二維氯離子滲透的問題，很難用解析方法進(jìn)行精確求解。

本文取左下角局部區(qū)域進(jìn)行有限元求解，取K=1，t=11.793 a，橋梁結(jié)構(gòu)氯離子分布圖如圖3所示。

和一維氯離子擴(kuò)散（前述定值計算法）相比，由于二維擴(kuò)散的影響，左下角處鋼筋濃度已達(dá)到0.35663%，已經(jīng)超過了氯離子臨界濃度0.3%。由此可知，一維擴(kuò)散方程低估了氯離子的擴(kuò)散速度，造成計算誤差；因此必須考慮二維擴(kuò)散對氯離子濃度的影響，二維擴(kuò)散對使用壽命的影響本文建議影響因子ψ表示，即：

圖2 箱梁二維氯離子擴(kuò)散示意圖

圖3 橋梁氯離子分布圖

式中：Cfem為有限元法求解得出的二維擴(kuò)散下的氯離子濃度；Clin為一維理論解求解或有限元法求解得出的氯離子濃度。

定義了二維擴(kuò)散影響因子后，混凝土橋梁的使用壽命可按下式計算：

式中：ttw0為二維擴(kuò)散下混凝土橋梁使用壽命；tlin為一維擴(kuò)散下混凝土橋梁使用壽命。

4 結(jié)論

（1）提出季凍區(qū)混凝土橋梁壽命標(biāo)準(zhǔn)，即以氯離子侵入混凝土內(nèi)部并在鋼筋表面累計的濃度達(dá)到臨界濃度為混凝土橋梁耐久性設(shè)計指標(biāo)。

表2 考慮二維擴(kuò)散后的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性年限一覽表

（2）提出采用有限元法對非規(guī)則角區(qū)二維氯離子擴(kuò)散的求解方法并給出了計算過程。為考慮非規(guī)則截面的二維擴(kuò)散對氯離子濃度的影響，定義二維擴(kuò)散的影響因子。

（3）以25 m跨徑的通用預(yù)應(yīng)力小箱梁為例，對其進(jìn)行了剩余壽命預(yù)測。由預(yù)測結(jié)果可知，混凝土結(jié)構(gòu)耐久年限隨著混凝土在多因素共同作用下而逐漸減小，提高混凝土保護(hù)層厚度，和采取合理的混凝土配合比，能有效提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性年限，保證橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的使用壽命。