人工氣候環(huán)境下水工混凝土鋼筋初始銹蝕時(shí)間預(yù)測

王梁英,劉華挺,張俊芝,周建民,鄭 輝

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江杭州 310014)

已有研究表明,鋼筋開始銹蝕后將在較短時(shí)間內(nèi)致使保護(hù)層開裂破壞[1-2],即標(biāo)志著混凝土構(gòu)件達(dá)到了其耐久性壽命。所以,混凝土構(gòu)件的耐久性壽命研究多是關(guān)于鋼筋表面的氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到鋼筋銹蝕臨界濃度的時(shí)間預(yù)測[3-4]。

實(shí)際上,自然環(huán)境下混凝土中氯離子的遷移是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程,一般試驗(yàn)?zāi)M氯離子的擴(kuò)散性能與自然腐蝕有較大的差異[5],現(xiàn)有的室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法或多或少地存在一定的局限性[6],氯離子的長期擴(kuò)散性及初始銹蝕時(shí)間的分析需要根據(jù)自然環(huán)境下的侵蝕情況進(jìn)行修正[7]。

筆者根據(jù)人工氣候環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)水工混凝土中氯離子分布的結(jié)論,以Fick第二定律和Monte-Carlo法為基礎(chǔ),分析該環(huán)境下水工混凝土鋼筋的初始銹蝕時(shí)間,并研究該環(huán)境下鋼筋初始銹蝕時(shí)間的主要影響因素。

1 人工氣候環(huán)境氯離子侵蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

人工氣候環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn),混凝土采用錢潮牌P·O32.5R水泥,所用骨料的最大粒徑為40mm,砂子采用河沙,其細(xì)度模數(shù)為2.7,拌和用水及養(yǎng)護(hù)用水為當(dāng)?shù)刈詠硭?。為模擬既有混凝土(水閘閘墩),按推定水閘的閘墩混凝土水灰比為0.61[5]試驗(yàn),不摻加任何外加劑。粗骨料的最大粒徑為40mm,所有試件配合比的砂率均采用32.0%,混凝土的配合比(質(zhì)量比)為mC∶mS∶mG∶mW=1.00∶1.95∶4.15∶0.61,坍落度為 5～10cm。按照規(guī)范[8],20℃靜水養(yǎng)護(hù)28d的實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度為20MPa[5]。

1.2 試驗(yàn)方法及試件氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

本次試驗(yàn)考慮溫度、濕度、氯鹽濃度3個(gè)環(huán)境因素。試驗(yàn)中設(shè)置了4個(gè)環(huán)境條件,相對應(yīng)于該閘所處位置的春夏秋冬四季?？紤]到需要加速腐蝕,試驗(yàn)時(shí)氣溫采用該位置季平均氣溫的2倍。參考背景工程的氣象資料,人工氣候的溫度與濕度循環(huán)在春夏秋冬四季分別為(溫度/相對濕度):34℃/78%,53℃/80%,34℃/80%和12℃/75%[5]。根據(jù)上述配合比制作直徑100mm、高度60mm的混凝土試塊,每個(gè)腐蝕時(shí)間各3個(gè)試塊?？紤]到水工混凝土的實(shí)際養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般較長,故試驗(yàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后在自然環(huán)境下再養(yǎng)護(hù)28d,即制作56d后在底邊及四周涂抹環(huán)氧樹脂,以保證其向上面為氯離子的侵蝕面。

試驗(yàn)中用5%的鹽霧從上部向下噴灑,以加速腐蝕。結(jié)合閘墩混凝土取樣位置潮水位的波動(dòng)特征,設(shè)置噴霧腐蝕時(shí)間為2h,干燥腐蝕時(shí)間為46h。按照上述設(shè)定的環(huán)境條件依次循環(huán),相當(dāng)于經(jīng)歷4個(gè)氣候環(huán)境后為1個(gè)大循環(huán)(即8d為1個(gè)大循環(huán))。

上述試件分別經(jīng)過24d,40d,80d,120d和160d的腐蝕后,將混凝土按2mm的規(guī)格磨成粉末,置于烘箱內(nèi)2h之后取出冷卻至室溫待用?；炷林凶杂陕入x子質(zhì)量分?jǐn)?shù)用美國Thermo 720A酸度計(jì)測定。其中,腐蝕160d的混凝土為相同環(huán)境和配合比試驗(yàn)構(gòu)件(梁)在支座處(未受力狀態(tài))的芯樣[5]。

測得5個(gè)腐蝕時(shí)間段混凝土中自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值如圖1所示,其中160d的為腐蝕試驗(yàn)的梁支座端點(diǎn)的混凝土。

圖1 混凝土中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化情況

分析結(jié)果表明,人工氣候環(huán)境下的混凝土表面存在明顯的對流區(qū),其對流區(qū)的厚度均值隨腐蝕時(shí)間的增加而增加。因此,人工氣候環(huán)境下的氯離子侵蝕試驗(yàn)結(jié)果與自然環(huán)境下侵蝕的特征類似[5,7]。

2 混凝土氯離子擴(kuò)散參數(shù)與鋼筋初始銹蝕時(shí)間預(yù)測

2.1 混凝土氯離子擴(kuò)散參數(shù)

假設(shè)一維狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散,其擴(kuò)散系數(shù)和混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為常數(shù),在穩(wěn)定擴(kuò)散區(qū)以Fick第二定律描述其擴(kuò)散過程,即有確定性的氯離子的擴(kuò)散方程如下[3]:

式中:C0為混凝土初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Cs為混凝土表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;D為混凝土的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Cx,t為時(shí)刻t距離混凝土表面x處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;t為混凝土暴露于氯離子侵蝕環(huán)境的時(shí)間,s;erf(*)為誤差函數(shù)。

以式(1)用最小二乘法擬合混凝土擴(kuò)散參數(shù),侵蝕時(shí)間取試驗(yàn)的腐蝕時(shí)間;將混凝土中各深度處的坐標(biāo)值(xi,Cxi,t)代入式(1)。

由于人工環(huán)境下靠近混凝土表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不符合擴(kuò)散規(guī)律,則從混凝土表面開始依次排除不符合的數(shù)據(jù),用其余的數(shù)據(jù)擬合式(1),要求以相關(guān)系數(shù)R2盡可能接近1作為擬合優(yōu)度的檢驗(yàn),如果不滿足該條件則在擬合過程中繼續(xù)從混凝土表面依次排除數(shù)據(jù),直到對R2滿意。這個(gè)過程可以識別對流區(qū)和擴(kuò)散區(qū)[7]。在對流區(qū),數(shù)據(jù)偏離了擬合曲線;在擴(kuò)散區(qū),氯離子主要通過擴(kuò)散傳輸。

因此,在排除對流區(qū)的數(shù)據(jù)后,以對流區(qū)和擴(kuò)散區(qū)界面為擴(kuò)散表面來擬合以下方程:

式中:C1為對流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)界面處氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù);X1為對流區(qū)厚度。

由于試驗(yàn)混凝土中均未摻加任何外加劑,故混凝土C0=0,式(2)即為

2.2 鋼筋初始銹蝕時(shí)間預(yù)測的Monte-Carlo法

以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)的初始銹蝕時(shí)間預(yù)測,利用排除對流區(qū)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)值的擴(kuò)散參數(shù),則氯離子擴(kuò)散自對流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)的界面開始模擬。對式(3)進(jìn)行變換,可得

式中:ti為鋼筋初始銹蝕時(shí)間;Ccrit為臨界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

在已知式(4)中各參數(shù)隨機(jī)特性的基礎(chǔ)上,可利用Monte-Carlo法進(jìn)行ti的預(yù)測模擬計(jì)算。

根據(jù)上述方法,可對人工氣候環(huán)境下5個(gè)腐蝕時(shí)間段氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值進(jìn)行擴(kuò)散參數(shù)的擬合。設(shè)表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及擴(kuò)散系數(shù)均為常量,臨界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為0.18%,其標(biāo)準(zhǔn)差取為0.02%,服從對數(shù)正態(tài)分布[7];混凝土保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差取為5mm。在上述條件下,可計(jì)算不同保護(hù)層厚度均值時(shí)的ti。

用Monte-Carlo法模擬20000次,求得不同保護(hù)層厚度均值時(shí)人工氣候環(huán)境下不同腐蝕時(shí)間的水工混凝土中ti的均值ˉti(表1)。

表1 人工氣候環(huán)境下的ˉti

從表1可知,隨著混凝土保護(hù)層有效厚度(均值)的增加,各腐蝕時(shí)間段的混凝土鋼筋初始銹蝕時(shí)間均值也延長,與已有結(jié)論一致[3];外界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變時(shí),腐蝕前期氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大,在混凝土內(nèi)部保留一定的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)值,而后期氯離子擴(kuò)散系數(shù)較小,氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變,其鋼筋初始銹蝕時(shí)間均值相對增加。另外,根據(jù)計(jì)算,鋼筋初始銹蝕時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差隨腐蝕時(shí)間的增加而變大,但是變異系數(shù)較為穩(wěn)定。

經(jīng)過檢驗(yàn),上述鋼筋初始銹蝕時(shí)間服從對數(shù)正態(tài)分布[7],如腐蝕80d,ˉδ=20mm 時(shí)的密度函數(shù)為

不同保護(hù)層厚度均值(標(biāo)準(zhǔn)差均為5mm)時(shí)鋼筋初始銹蝕時(shí)間的均值如圖2所示。

圖2 水工混凝土與的關(guān)系

上述結(jié)果表明,在試驗(yàn)條件下,增加混凝土保護(hù)層的有效厚度是提高混凝土耐久性的重要措施。另外,混凝土中鋼筋初始銹蝕時(shí)間隨著混凝土保護(hù)層厚度均值的增加差距越來越大。

3 與自然擴(kuò)散法的比較

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用Monte-Carlo法進(jìn)行模擬,人工氣候環(huán)境下腐蝕80 d,可得 ˉδ分別為40mm,45mm,50mm,55mm 和 60mm 時(shí)的ti。不同 ˉδ時(shí)ti的概率密度、概率分布如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土(腐蝕80d)ti的概率密度

圖4 混凝土(腐蝕80d)ti的概率分布

模擬得到ˉδ為40 mm,45 mm,50 mm,55 mm,60mm時(shí)的 ˉti分別為 207.1 d,264.3 d,328.6 d,401.0d,478.6d。

同時(shí)進(jìn)行了自然擴(kuò)散法試驗(yàn),其混凝土的水灰比與人工氣候環(huán)境下的差別很小(為0.60)[5],但2種方法得到的ˉti有一定的差異。圖5是2種方法ˉti的對比 。

圖5 人工氣候環(huán)境下腐蝕80d和自然擴(kuò)散法的水工混凝土ˉti

由于人工氣候環(huán)境條件下的混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為56d,腐蝕時(shí)間也達(dá)到80d,從養(yǎng)護(hù)時(shí)間上分析,其擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)比自然擴(kuò)散法(養(yǎng)護(hù)28d,浸泡于NaCl溶液中35d)得到的低,故其鋼筋初始銹蝕時(shí)間均值大于自然擴(kuò)散法的初始銹蝕時(shí)間均值。因此,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間對鋼筋初始銹蝕時(shí)間有一定的影響,但不是很大。相對比較分析,2種試驗(yàn)環(huán)境下鋼筋初始銹蝕時(shí)間的均值模擬計(jì)算結(jié)論是可信的。

需要說明的是,上述結(jié)論是在給定配合比和設(shè)定氣候環(huán)境條件下得到的。由于腐蝕環(huán)境因素的不同及測試和計(jì)算誤差的存在,得到的結(jié)論是初步的。人工氣候環(huán)境下的鋼筋初始銹蝕時(shí)間與腐蝕因素、荷載條件及養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

a.人工氣候環(huán)境下的混凝土表面存在明顯的對流區(qū),侵蝕試驗(yàn)結(jié)果類似于自然環(huán)境下的侵蝕。

b.混凝土保護(hù)層的有效厚度對其中鋼筋的初始銹蝕時(shí)間影響很大;適當(dāng)增加保護(hù)層有效厚度可有效提高混凝土抗氯離子侵蝕的耐久性。

c.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間對人工氣候環(huán)境下鋼筋的初始銹蝕時(shí)間有一定的影響,但影響不大。人工氣候環(huán)境下,28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后再自然養(yǎng)護(hù)28d的水工混凝土,其鋼筋初始銹蝕時(shí)間大于自然擴(kuò)散法的鋼筋初始銹蝕時(shí)間。

:

[1]鄭建軍,周欣竹,LI Chun-qing.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕損傷的解析解[J].水利學(xué)報(bào),2004,35(12):62-68.

[2]LIANG Ming-te,LIN Li-hsien,LIANG Chih-hsin.Service life prediction of existing reinforced concrete bridges exposed to chloride environment[J].Journal of Infrastructure Systems,ASCE,2002,8(3):76-85.

[3]馬亞麗,張愛林.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋初銹時(shí)間的概率模型[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(5):630-636.

[4]吳瑾,吳勝興.海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋表面氯離子濃度的隨機(jī)模型[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32(1):38-41.

[5]周建民.既有混凝土及構(gòu)件的氯鹽侵蝕模擬試驗(yàn)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[6]吳建華,張亞梅.混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)方法綜述[J].混凝土,2009,232(2):38-41,46.

[7]鄭輝.自然環(huán)境下混凝土氯離子侵蝕的隨機(jī)性及壽命預(yù)測[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[8]DL/T 5150—2001 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].