港口工程混凝土結(jié)構(gòu)基于規(guī)范標準的使用年限估算

董雪煥，貢金鑫

（大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

20世紀70年代以來，我國筑港業(yè)飛速發(fā)展，興建了大量港口碼頭等水工建筑物，對推動經(jīng)濟建設(shè)起到了十分重要的作用[1]。而且隨著經(jīng)濟建設(shè)的進一步發(fā)展，港口工程結(jié)構(gòu)將在基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)越來越重要的地位。如何提高港口工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)物的使用年限，全面降低工程的全壽命成本成為水運工程技術(shù)的重要課題。工程經(jīng)驗表明，在了解混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕機理的前提下進行耐久性設(shè)計，是保證混凝土結(jié)構(gòu)使用年限的前提。耐久性設(shè)計包括基本措施和附加措施，對此各國混凝土規(guī)范都對耐久性設(shè)計的基本措施進行了規(guī)定。然而，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效包括幾個階段，不同的基本措施對各階段的影響不同，而各混凝土規(guī)范對基本措施的規(guī)定不同，所以無法對不同規(guī)范基本措施規(guī)定的嚴格程度進行比較。考慮到基本措施只是耐久性設(shè)計的基本手段，而最終目的是保證港口混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，因此，本文使用我國JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》關(guān)于混凝土構(gòu)件使用年限的計算公式，對港口工程混凝土構(gòu)件的使用年限進行了估算，進而對我國規(guī)范規(guī)定與國外標準、規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐久性嚴格程度進行比較。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的3個階段

工程調(diào)查表明，引起港口混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的首要原因是鋼筋銹蝕。鋼筋表面鈍化膜失效是鋼筋發(fā)生銹蝕的前提，而引起鈍化膜失效的原因主要包括混凝土碳化和氯離子侵蝕。對海洋環(huán)境中的港口碼頭，相對于氯離子侵蝕的影響，混凝土碳化的作用微乎其微，所以港口結(jié)構(gòu)的氯離子侵蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的主要原因[2]。當鋼筋表面的氯離子濃度達到其臨界值時，鈍化膜將遭到破壞，引起鋼筋銹蝕。一般將氯離子引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞分為3個階段[1]，如圖1所示。

圖1 混凝土構(gòu)件不同階段鋼筋的銹蝕狀況

圖1中，第1階段為誘導期，是指混凝土澆筑到鋼筋開始銹蝕所經(jīng)歷的時間，表示為ti，氯離子開始進入混凝土，并進一步積累至在鋼筋表面達到“臨界值”，鋼筋開始銹蝕，該階段的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有混凝土保護層厚度、氯離子濃度及擴散系數(shù)。第2階段為發(fā)展期，從鋼筋開始銹蝕（一般按鋼筋鈍化膜失效的時間計）到混凝土保護層縱向脹裂所經(jīng)歷的時間，表示為tc，該時間段的長短主要受混凝土保護層厚度、混凝土電阻率、混凝土強度及鋼筋直徑的影響。第3個階段為失效期，指混凝土保護層縱向脹裂到鋼筋截面損失到一定程度所經(jīng)歷的時間，表示為td，該過程與鋼筋直徑和混凝土開裂后鋼筋的腐蝕速度關(guān)系較大。

相關(guān)研究表明，海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)的服役壽命以誘導期為主，該階段時間最長，而且影響因素多，過程最復雜[11]。所以從耐久性設(shè)計的角度考慮，欲延長結(jié)構(gòu)的使用年限，控制第1階段是最重要、最實際的，也是最有效的（后兩個階段很難控制）。通常確?；蜓娱L誘導期的方法包括提高混凝土的密實性、降低氯離子擴散系數(shù)等[4]。

我國JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》以氯離子引起鋼筋銹蝕為基礎(chǔ)，對上述3個階段給出了定量計算依據(jù)，其中將te=ti+tc+td作為港口鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限，即使用年限；te=ti+tc作為預(yù)應(yīng)力筋為鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限；te=ti作為預(yù)應(yīng)力筋為高強鋼絲、鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。ti、tc和td的計算如表1所示。

表1 氯離子侵蝕各階段經(jīng)歷的時間

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，當采用高強鋼絲或鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋時，因為處于高應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力筋較脆，對應(yīng)力腐蝕和預(yù)應(yīng)力腐蝕疲勞很敏感，易于發(fā)生脆斷。因此，規(guī)定其結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為te=ti（即氯離子剛擴散到預(yù)應(yīng)力筋表面）。預(yù)應(yīng)力筋為鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)力腐蝕和預(yù)應(yīng)力腐蝕疲勞敏感相對小些，此時規(guī)定te=ti+tc作為預(yù)應(yīng)力筋為鋼筋的結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。由此可見，不管將哪個階段作為混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)，氯離子擴散貫穿于混凝土結(jié)構(gòu)使用的整個過程。

混凝土的氯離子擴散系數(shù)取決于混凝土的密實度（水灰比是一個重要因素），JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》給出了根據(jù)現(xiàn)場實測混凝土氯離子擴散系數(shù)推斷采用值的方法，沒有給出氯離子擴散系數(shù)與設(shè)計中水灰比的關(guān)系。本文參考日本土木學會和建筑學會的規(guī)定[8]，按下式計算氯離子有效擴散系數(shù)：

式中：D為氯離子有效擴散系數(shù)；W/C為混凝土水灰比。

2 按我國規(guī)范規(guī)定估算的結(jié)構(gòu)使用年限

按照上述公式，結(jié)合規(guī)范JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》、JTJ 267—98《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的基本措施要求計算我國南方地區(qū)不同海水區(qū)域鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用年限，鋼筋直徑取最常用的25 mm。計算結(jié)果見表2～表4。

由表2～表4的計算結(jié)果可以看出：

1）按照我國港口混凝土規(guī)范關(guān)于混凝土耐久性的最大要求，根據(jù)《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》公式計算的南方地區(qū)港口混凝土構(gòu)件的使用年限大部分達不到設(shè)計使用年限50 a的要求。對于普通鋼筋混凝土構(gòu)件，采用普通混凝土時，使用年限接近30 a；采用高性能混凝土時，使用年限大多超過40 a。

表2 南方地區(qū)港口結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限

表3 南方地區(qū)港口結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件（高強鋼筋）的使用年限

表4 南方地區(qū)港口結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土（高強鋼絲、鋼絞線）構(gòu)件的使用年限

2）使用高強鋼筋作預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不同海水區(qū)域的構(gòu)件計算結(jié)果差別較大。采用普通混凝土時，大氣區(qū)、水位變動區(qū)的構(gòu)件，使用年限不到30 a；浪濺區(qū)的板、樁等細薄構(gòu)件，使用年限達不到20 a；由于浪濺區(qū)一般構(gòu)件的混凝土保護層厚度較厚（90 mm），所以該區(qū)域的構(gòu)件使用年限超過30 a。采用高性能混凝土時，大氣區(qū)、水位變動區(qū)的構(gòu)件，使用年限為40～50 a；浪濺區(qū)的板、樁等細薄構(gòu)件，使用年限達不到30 a；浪濺區(qū)的一般構(gòu)件，使用年限為60 a左右。

3）使用高強鋼絲和鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不同海水區(qū)域的構(gòu)件計算結(jié)果差別也較大。采用普通混凝土時，大氣區(qū)、水位變動區(qū)和浪濺區(qū)的板、樁等細薄構(gòu)件，使用年限約為10 a左右；浪濺區(qū)的一般構(gòu)件，使用年限約為25 a。采用高性能混凝土時，大氣區(qū)和水位變動區(qū)的構(gòu)件，使用年限接近或超過20 a；浪濺區(qū)的板、樁等細薄構(gòu)件，使用年限約為15 a；浪濺區(qū)的一般構(gòu)件，使用年限超過40 a，這也是因為浪濺區(qū)一般構(gòu)件的混凝土保護層厚度較厚（90 mm）的緣故。

總的來看，大部分情況下按港口混凝土規(guī)范的最低要求計算的混凝土結(jié)構(gòu)使用年限不能達到50 a的要求，但使用高性能混凝土可有效增長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。

3 按國外規(guī)范規(guī)定估算結(jié)構(gòu)的使用年限

參考國外港口混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)于混凝土材料和混凝土保護層厚度的規(guī)定，仍按我國《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》的公式計算結(jié)構(gòu)的使用年限。盡管國外的混凝土材料、海洋環(huán)境混凝土表面氯離子的濃度、施工質(zhì)量等與我國有所差別，但本文認為用于比較國外規(guī)范與我國規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的總體效果時可忽略這種差別。因為混凝土的耐久性受多種因素影響，各規(guī)范對每種因素的規(guī)定不同，所以實際中無法根據(jù)某一單項規(guī)定對耐久性進行比較。本文給出了按國外規(guī)范對港工結(jié)構(gòu)使用年限的計算。應(yīng)注意的是計算時除了各規(guī)范已明確規(guī)定的部分參數(shù)外，其他不確定參數(shù)按照我國規(guī)范規(guī)定取值。

1）美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》

混凝土保護層厚度及水膠比按照美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的最低要求確定，計算的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限結(jié)果見表5～表6。

2）英國標準BS 2002《海工建筑物》

英國標準BS 2002《海工建筑物》規(guī)定，若使用硅酸鹽水泥，用英國規(guī)范BS 4027的方法確定鋁酸三鈣的最大含量為10%。為減小鋼筋遭受氯化物侵蝕的危險，鋼筋混凝土中鋁酸三鈣的含量不應(yīng)小于4%。硅酸鹽水泥中摻入至少20%的粉煤灰或35%的?；郀t礦渣；硅酸鹽水泥中添加膠結(jié)材料10%的硅粉，拌和料5%的高爐礦渣或粉煤灰也是很有利的。按照規(guī)范規(guī)定的粗骨料最大粒徑為20 mm、設(shè)計使用年限為50 a和100 a時對于混凝土拌和物的最低要求計算結(jié)構(gòu)的使用年限，結(jié)果如表7和表8所示。

表5 按美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限

表6 按美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求計算的后張預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用年限

表7 按英國標準BS 2002《海工建筑物》設(shè)計使用年限為50 a時的最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限

表8 按英國標準BS 2002《海工建筑物》設(shè)計使用年限為100 a時的最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限

3）德國EAU 2004《港口與航道》

在德國EAU 2004《港口與航道》規(guī)范中，規(guī)定水灰比不應(yīng)大于0.50，混凝土中可摻入粉煤灰、火山灰以及硅灰等膠凝材料。鋼筋保護層厚度應(yīng)高于德國標準DIN 1045中的規(guī)定值，一般至少取5 cm，宜取6 cm。根據(jù)上述規(guī)定，按混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計最低要求計算構(gòu)件的使用年限，見表9。

4）挪威《港口設(shè)計手冊》

挪威的工程經(jīng)驗顯示，最小水泥用量至少為350～370 kg/m3，水灰比不應(yīng)超過0.40～0.45。對于不同的區(qū)域，根據(jù)挪威《港口設(shè)計手冊》建議的結(jié)構(gòu)混凝土保護層厚度最小值計算的不同區(qū)域結(jié)構(gòu)的使用年限，結(jié)果如表10。

從上述計算結(jié)果可以看出，各國規(guī)范的規(guī)定相差很多，混凝土構(gòu)件使用年限的計算結(jié)果差別也很大。

1）按照美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》規(guī)定的最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件和后張預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用年限基本上均超過50 a。

表9 按德國EAU 2004《港口與航道》最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限

表10 按挪威《港口設(shè)計手冊》最低要求計算的鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限

2）按英國標準BS 2002《海工建筑物》規(guī)定使用年限50 a時的規(guī)定，對于海洋大氣環(huán)境的鋼筋混凝土構(gòu)件，水膠比為0.45時，計算的使用年限接近50 a；其他情況計算的使用年限均遠小于50 a，尤其是水膠比為0.50時的濺水區(qū)結(jié)構(gòu)。規(guī)定使用年限100 a時的規(guī)定，對于高潮位、浪濺區(qū)的鋼筋混凝土構(gòu)件，水膠比為0.35、混凝土保護層厚度為80 mm時，計算的使用年限接近或超過70 a，其他情況的計算使用年限均達不到70 a。

3）按照德國EAU 2004《港口與航道》規(guī)定的最低要求，浪濺區(qū)鋼筋混凝土構(gòu)件的計算使用年限達不到30 a，大氣區(qū)和水位變動區(qū)的均能近似達到50 a。按照挪威港口手冊規(guī)定的最低要求，計算的大氣區(qū)和浪濺區(qū)的使用年限近似可達50 a，水位變動區(qū)的情況接近100 a。

盡管不能確認按我國《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》的公式計算混凝土構(gòu)件的使用年限是否準確，但大體可說明不同規(guī)范規(guī)定的嚴格程度。從計算結(jié)果看，美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》和挪威港口手冊的要求相對比較高，英國標準BS 2002《海工建筑物》規(guī)定的比較細，但要求似乎并不高。

4 結(jié)語

與我國港口混凝土規(guī)范的規(guī)定相比，美國統(tǒng)一設(shè)施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》規(guī)定的最大水灰（膠）比要小，英國標準BS 2002《海工建筑物》對海水環(huán)境分區(qū)劃分比較細致，并給出了不同環(huán)境不同設(shè)計使用年限混凝土材料的各種建議，挪威建議的最大水灰（膠）比也比我國規(guī)范規(guī)定的小。由上述根據(jù)不同規(guī)范對港工結(jié)構(gòu)使用年限的估算結(jié)果顯示，國外規(guī)范的要求相對較嚴格，計算的結(jié)構(gòu)使用年限遠大于按我國規(guī)范的計算結(jié)果，其中按美國規(guī)范計算的結(jié)構(gòu)使用年限最長，甚至可近似高達按我國規(guī)范計算值的2倍。

當然，這只是計算結(jié)果，其準確性很大程度上取決于計算方法及公式的合理性，并且還應(yīng)結(jié)合大量的工程調(diào)查結(jié)果進行綜合判斷。另外，由于計算港口工程結(jié)構(gòu)使用年限的因素眾多，每個因素又受到多方面因素的影響與制約，而且國內(nèi)外各港工規(guī)范對此的規(guī)定也不盡相同，所以實際中無法根據(jù)某一單項規(guī)定對結(jié)構(gòu)耐久性進行比較，本文只是根據(jù)結(jié)構(gòu)使用年限的計算結(jié)果進行了綜合分析比較。

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