基于退化機(jī)理的混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃

陳艾榮，馮師蓉，馬如進(jìn)

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

我國地域廣闊，東西南北氣候和地型差異明顯，河流分布廣，跨越河流的橋梁處于不同的自然環(huán)境中.如果不考慮橋梁所處的環(huán)境作用的差異，采用通用的橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)造形式將不可避免地產(chǎn)生耐久性問題.作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，環(huán)境區(qū)劃的技術(shù)發(fā)展與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及方法的發(fā)展息息相關(guān)，相應(yīng)的環(huán)境作用類別及等級的劃分也受到規(guī)范、規(guī)程中采用的設(shè)計(jì)理論及方法的制約.

目前，國外土建工程中對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能設(shè)計(jì)主要采取條文說明方法，這導(dǎo)致在耐久性能設(shè)計(jì)過程中對環(huán)境作用類別和等級劃分的要求不高，半定量甚至定性的描述即可滿足方法的需求，相應(yīng)對環(huán)境作用類別及等級的劃分也多基于此.條文說明法及其對應(yīng)的設(shè)計(jì)理念雖然易于理解，且設(shè)計(jì)過程易于實(shí)施，但其無差別的處方式設(shè)計(jì)過程忽略了因環(huán)境和結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致的性能要求差異，容易導(dǎo)致安全隱患，急需改進(jìn)［1-7］.與國外規(guī)范類似，目前國內(nèi)主要規(guī)范和指南［8-12］在耐久性設(shè)計(jì)過程中大多采用了條文說明法，對應(yīng)環(huán)境類別和作用等級的劃分也大多采用定性表格規(guī)定的形式，而未提供全國范圍的環(huán)境區(qū)劃圖，一定程度上影響了耐久性設(shè)計(jì)方法的可操作性.在對耐久性作用的形式和等級的表達(dá)中，雖然部分規(guī)范引入了定量形式，但離實(shí)際應(yīng)用存在一定的距離.

對我國混凝土橋梁進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，首要的是要對我國各地區(qū)混凝土橋梁所處的環(huán)境及環(huán)境作用對橋梁的影響程度認(rèn)識清楚，才能據(jù)此從材料、構(gòu)造、施工及后期養(yǎng)護(hù)維修等各個(gè)方面對混凝土橋梁進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì).因此，對環(huán)境作用和環(huán)境區(qū)劃的研究至關(guān)重要.

1 環(huán)境對混凝土橋梁耐久性的作用

環(huán)境作用指結(jié)構(gòu)處于某一特定環(huán)境（包括自然環(huán)境、使用環(huán)境）中受到的侵蝕作用.混凝土結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境變化多端，影響因素復(fù)雜，氯鹽侵蝕、碳化物侵蝕、冰凍、水、工業(yè)廢水和廢氣等都會引起結(jié)構(gòu)耐久性劣化.不同地區(qū)的氣候、地理等環(huán)境條件伴隨著侵蝕介質(zhì)的不同直接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的耐久性劣化的地區(qū)差異.

影響混凝土橋梁耐久性的因素有結(jié)構(gòu)的內(nèi)部因素和外部因素2個(gè)方面，如表1所示.其中內(nèi)部因素主要為混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度、水灰比和密實(shí)度、水泥品種、標(biāo)號和用量、外加劑類型、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的構(gòu)造、混凝土和鋼筋的應(yīng)力大小、裂縫等.外部因素主要為氣候、潮濕程度、高溫、氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)（酸、酸鹽、海水、堿類等）侵蝕，還有凍融、磨損破壞等.

表1 橋梁結(jié)構(gòu)病害和耐久性的影響因素Tab.1 Influence factors of disease and durability of the bridge structure

2 混凝土橋梁耐久性環(huán)境作用調(diào)查

我國幅員遼闊，跨緯度較廣，距海遠(yuǎn)近差距較大，地勢高低不同，氣候多種多樣.我國氣候主要有以下3個(gè)特征：①南北溫差大，北部年較差（一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差）和日較差（一天中氣溫最高值與最低值之差）較大，冬夏極端氣溫較差更大；②降水分布很不均勻，年降水量自東南向西北逐漸減少，比差為40∶1，冬季降水少，夏季降水多，且年際變化很大；③冬夏風(fēng)向更替十分明顯，冬季的冷空氣來自高緯度大陸區(qū)，多為偏北風(fēng)，寒冷干燥，夏季的風(fēng)主要來自海洋，多為偏南風(fēng)，濕潤溫暖.

2.1 大氣溫度

氣溫主要受太陽輻射影響，大地表面接收太陽輻射的過程是極其復(fù)雜的，包括輻射、反射、漫射、吸收、傳導(dǎo)等過程.就北半球來說，緯度越高溫度越低；近地面處海拔高度每增加1km，氣溫降低6～7℃.白天地表受日光照射后，溫度上升而放熱，大氣獲得熱量而增高，而夜間日照消失，地表冷卻，因此大氣溫度隨之下降.一日的最高氣溫一般出現(xiàn)在日照最強(qiáng)的12：00以后的1～2h，而天亮前的溫度則為日最低氣溫.

根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)整理出我國具有代表性的210個(gè)城鎮(zhèn)1976—2005年共30年的氣溫特征值，基于這210個(gè)城鎮(zhèn)氣溫特征值，采用反位移插值方法獲得全國范圍內(nèi)的相應(yīng)氣溫特征值，如圖1所示.該過程利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).

圖1 1976—2005年年平均氣溫分布（單位：℃）Fig.1 Distribution of annual average temperature during 1976—2005（unit：℃）

2.2 大氣濕度

濕度用于表示大氣中所含水蒸氣量，主要分為絕對濕度和相對濕度.絕對濕度指1m3大氣中含有水蒸氣的質(zhì)量；相對濕度指1m3大氣中所含水蒸氣質(zhì)量與同溫度時(shí)大氣所含飽和水蒸氣質(zhì)量之比.濕度和溫度一樣，在大氣環(huán)境中也發(fā)生規(guī)律性變化，包括濕度的日變化和年變化.我國1976—2005年的年平均相對濕度分布如圖2所示.

2.3 降水

圖2 1976—2005年年平均相對濕度分布（單位：%）Fig.2 Distribution of annual average relative humidity during 1976—2005（unit：%）

降水包括液態(tài)降水和固態(tài)降水.液態(tài)降水一般指降雨，固態(tài)降水包括雪、雹、霰等，此外還有如雨夾雪等液態(tài)固態(tài)混合型降水.降水量指從天空降落到地面上的所有液態(tài)和固態(tài)（經(jīng)融化后）降水在不經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度.降水量一般會影響結(jié)構(gòu)表面干濕循環(huán)狀況.我國1976—2005年的年平均降水量分布如圖3所示.

圖3 1976—2005年年平均降水量分布（單位：mm）Fig.3 Distribution of annual average precipitation during 1976—2005（unit：mm）

2.4 風(fēng)速、風(fēng)向

大氣層的溫度在各個(gè)區(qū)域不同，由此氣壓也不同.大氣由高氣壓區(qū)域流向低氣壓區(qū)域，即由于氣壓差而產(chǎn)生大氣流動，成為風(fēng).風(fēng)與地貌、高度等因素有關(guān).我國1976—2005年的年平均風(fēng)速分布如圖4所示.

2.5 大氣中CO2

對混凝土結(jié)構(gòu)而言，在一般大氣環(huán)境下，CO2引起的混凝土碳化是導(dǎo)致其中鋼筋銹蝕的主要原因.

圖4 1976—2005年年平均風(fēng)速分布（單位：m·s-1）Fig.4 Distribution of annual average wind velocity during 1976—2005（unit：m·s-1）

目前，CO2濃度觀測點(diǎn)及已有觀測數(shù)據(jù)均過少，難以推斷其余廣大地區(qū)的近地表大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布的準(zhǔn)確狀況.根據(jù)已有觀測點(diǎn)及其觀測值可將這些地區(qū)分為3級：第1級為全球基準(zhǔn)站的瓦里關(guān)山，屬于人口稀少、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的大氣潔凈區(qū)，其年平均體積分?jǐn)?shù)最小，日變化和年變化幅度也最小；第2級為上甸子、臨安和龍鳳山三地，地處大型（特大型）城市或工業(yè)區(qū)50km到數(shù)百千米距離內(nèi)的農(nóng)村或郊區(qū)，屬人口密集發(fā)達(dá)地區(qū)的相對大氣潔凈區(qū)，觀測所得年平均體積分?jǐn)?shù)比第1級高0.4%～1.2%，日變化和年變化相對明顯；第3級為年平均體積分?jǐn)?shù)最高的北京和太湖區(qū)域，屬大型城市城區(qū)或人口密集城市帶包圍區(qū)，北京年平均體積分?jǐn)?shù)可高于第1級瓦里關(guān)的4.6%～10.3%.

3 混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃

3.1 區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境區(qū)劃是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要研究混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件所處的環(huán)境類別及其耐久性作用等級.在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中，環(huán)境作用作為一種廣義荷載，對結(jié)構(gòu)性能的退化過程產(chǎn)生十分重要的影響，如表2所示.一般情況下，環(huán)境條件是十分復(fù)雜的，包括了很多參數(shù)如溫度、相對濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)、氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)等.為了便于設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行，需在這些參數(shù)中選擇對耐久性退化過程影響較大的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的取值進(jìn)行環(huán)境作用等級的劃分.例如，混凝土碳化過程受相對濕度影響較大，因此選擇相對濕度作為碳化作用的環(huán)境等級劃分指標(biāo)；氯離子侵蝕過程受構(gòu)件表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大，因此選擇構(gòu)件表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為氯鹽侵蝕作用的環(huán)境等級劃分指標(biāo).

表2 環(huán)境作用效應(yīng)的主要影響因素Tab.2 Major influence factors of environmental effects

在明確了不同耐久性退化過程的控制指標(biāo)后，根據(jù)影響耐久性能的主要環(huán)境因素將結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境劃分為5類，其類型特征如表3所示.下文的環(huán)境作用等級劃分在表2和表3的基礎(chǔ)上進(jìn)行.

表3 環(huán)境類別劃分Tab.3 Classification of environmental types

本文所提出的環(huán)境區(qū)劃方法采用了圖表結(jié)合的方式.這種環(huán)境區(qū)劃不僅包括了現(xiàn)有規(guī)范常見的根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)劃分的環(huán)境等級，還包括了根據(jù)實(shí)測資料繪制的我國環(huán)境影響與作用的區(qū)劃圖，既體現(xiàn)了區(qū)劃表對局部環(huán)境特點(diǎn)的考慮，又體現(xiàn)了區(qū)劃圖可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).

3.2 碳化作用

國內(nèi)外學(xué)者開展的大量試驗(yàn)研究表明，影響混凝土碳化的環(huán)境因素包括CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度和相對濕度RH，其中，相對濕度的影響最為顯著.對于暴露于大氣環(huán)境中的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言，CO2體積分?jǐn)?shù)的差異較小，而溫度的影響是以相對濕度為前提的.因此，將相對濕度作為碳化環(huán)境等級劃分的依據(jù)，如表4所示.

表4 碳化環(huán)境作用等級Tab.4 Grades of carbonation effect

根據(jù)表4的區(qū)劃結(jié)果可知，當(dāng)相對濕度居中時(shí)，碳化過程較為嚴(yán)重，而當(dāng)相對濕度較低或較高時(shí)，碳化過程均較輕微.這是因?yàn)?，混凝土碳化速率主要考慮2個(gè)因素，一個(gè)是CO2的擴(kuò)散速率，一個(gè)是化學(xué)反應(yīng)速率.當(dāng)相對濕度較低時(shí)，CO2擴(kuò)散速率較大，但化學(xué)反應(yīng)速率較?。欢?dāng)相對濕度較高時(shí)，正好相反.只有當(dāng)相對濕度適中時(shí)，CO2擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率均較大，此時(shí)碳化情況最為嚴(yán)重.

圖5中，XT3等級主要包括新疆、西藏、青海、甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古大部分地區(qū)，XT1等級主要包括海南及沿海邊緣地帶，其他大部分地區(qū)均屬于XT2等級.

圖5 混凝土橋梁碳化環(huán)境等級劃分Fig.5 Classification of carbonation effect of concrete bridges

3.3 氯鹽侵蝕作用

根據(jù)環(huán)境中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分氯鹽侵蝕作用等級，如表5所示.

表5 氯鹽侵蝕環(huán)境作用等級Tab.5 Grades of chlorine effect

根據(jù)資料顯示，需要考慮氯離子侵蝕作用的范圍只在海岸線附近，影響范圍不超過1.5km.其中，浪濺區(qū)氯鹽侵蝕作用最為嚴(yán)重，隨著距離海岸線距離加大，影響逐漸減少.內(nèi)陸地區(qū)在有化學(xué)工業(yè)區(qū)域，或是冬季有除冰鹽作用的地區(qū)需要考慮氯離子侵蝕的影響.

3.4 凍融循環(huán)作用

已有的大量文獻(xiàn)研究均表明，凍融破壞是混凝土在負(fù)溫和正溫的交替循環(huán)作用下從表層開始發(fā)生剝落、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低、直到破壞的一種現(xiàn)象.冬季處于溫度頻繁變化的地區(qū)，依照最冷月平均氣溫T劃分凍融環(huán)境等級能夠反映環(huán)境作用的嚴(yán)酷程度，且便于設(shè)計(jì)和工程人員使用，如表6及圖6所示.

表6 凍融循環(huán)作用等級Tab.6 Grades of freezing-thawing effect

圖6 混凝土橋梁凍融循環(huán)環(huán)境等級劃分Fig.6 Classification of freezing-thawing effect of concrete bridges

圖6中，XD3包括東北三省、內(nèi)蒙、甘肅、青海、西藏及新疆北部地區(qū)；XD2包括河北、山西、陜西、寧夏、甘肅南部及新疆南部等地區(qū)；XD1包括山東、河南、陜西南部及四川等地區(qū)；XD0為南方大部分地區(qū)，基本不發(fā)生凍融破壞.

3.5 硫酸鹽腐蝕作用

由于酸雨的監(jiān)測點(diǎn)有限，根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，整理出我國85個(gè)監(jiān)測點(diǎn)1993—2004年共12年的pH值，基于這些數(shù)值，采用反位移插值方法獲得全國范圍內(nèi)的相應(yīng)的pH值.該過程利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).圖7中根據(jù)pH值大小劃分為4個(gè)等級，并采用等高線和不同顏色區(qū)塊表示，以反映各特征值在我國的分布情況.

表7 硫酸鹽腐蝕環(huán)境作用等級Tab.7 Grades of sulfate attack

圖7 混凝土橋梁硫酸鹽腐蝕環(huán)境等級劃分Fig.7 Classification of sulfate attack of concrete bridges

3.6 磨蝕作用

混凝土結(jié)構(gòu)的磨蝕是環(huán)境因素造成的物理破壞現(xiàn)象，磨蝕作用主要分為風(fēng)蝕和流水沖刷，表8中根據(jù)風(fēng)力等級和時(shí)間進(jìn)行了分級.

根據(jù)資料，風(fēng)蝕主要發(fā)生的西北部分地區(qū)，而流水沖刷則是根據(jù)水流速率等數(shù)據(jù)來判斷，因此區(qū)劃圖（圖8）只給出了大概區(qū)域，具體等級劃分需要進(jìn)一步的實(shí)測數(shù)據(jù).

表8 磨蝕環(huán)境作用等級Tab.8 Grades of abras ioneffect

3.7 區(qū)劃圖的使用說明

圖8 混凝土橋梁磨蝕環(huán)境等級劃分Fig.8 Classification of abrasion effect of concrete bridges

由于在區(qū)劃圖表的制作過程中，一些地區(qū)（尤其是中西部偏遠(yuǎn)而氣象站點(diǎn)又比較少的區(qū)域）缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，只能由周邊區(qū)域的數(shù)據(jù)插值得到.這就容易導(dǎo)致一些不合理的結(jié)果，在這種情況下需要在區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上根據(jù)我國地域的實(shí)際特點(diǎn)對某些特殊區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，強(qiáng)調(diào)這些區(qū)域的取值應(yīng)按照實(shí)際情況選擇，對區(qū)劃所獲得的環(huán)境作用等級進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整，以考慮區(qū)劃圖中未能體現(xiàn)的其他環(huán)境作用影響.

區(qū)劃圖的使用步驟如下：①橋址處的環(huán)境調(diào)查；②若能獲取當(dāng)?shù)丨h(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù)，則根據(jù)區(qū)劃表獲取作用等級，若無法開展環(huán)境參數(shù)調(diào)查，可根據(jù)區(qū)劃圖找到橋址處的環(huán)境作用等級；③查詢區(qū)劃表，確定環(huán)境作用等級；④根據(jù)得到的環(huán)境作用等級進(jìn)行耐久性驗(yàn)算.

4 結(jié)語

耐久性環(huán)境區(qū)劃是以環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響程度為主要標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、重要性、結(jié)構(gòu)使用條件等因素，把全國劃分為不同危險(xiǎn)程度的區(qū)域，并以圖表結(jié)合的形式表示出來，從而便于設(shè)計(jì)中的考慮與應(yīng)用.其核心功能就是體現(xiàn)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的環(huán)境因素在地域上的差異性，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

（1）依托國家氣象中心的有關(guān)數(shù)據(jù)，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有顯著影響的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)查分析.

（2）系統(tǒng)地研究了混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃參數(shù)，針對5種常見混凝土耐久性退化過程分別確定了各自的區(qū)劃參數(shù).

（3）基于區(qū)劃研究的原則和方法，根據(jù)調(diào)研所得的環(huán)境參數(shù)，借鑒現(xiàn)有的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)筑物工作環(huán)境的分類，合理地選擇區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，對我國混凝土橋梁耐久性的環(huán)境作用進(jìn)行了區(qū)劃，得到了對應(yīng)于不同環(huán)境參數(shù)的環(huán)境區(qū)劃圖表，并對各等級區(qū)域的耐久性要求給出具體的說明和設(shè)計(jì)要求.

進(jìn)行耐久性能設(shè)計(jì)時(shí)需要參考較為詳細(xì)的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)沒有實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，雖然可參考環(huán)境區(qū)劃圖，但現(xiàn)有的環(huán)境區(qū)劃相對較粗糙，對于耐久性環(huán)境因素差異性較大的省份和自治區(qū)并不能完整反映其耐久性失效在空間上的差異，還應(yīng)根據(jù)其更加具體的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、局部特殊侵蝕環(huán)境（如鹽湖區(qū)、鹽堿區(qū)、重污染區(qū)等）開展各省份和自治區(qū)的耐久性二級環(huán)境區(qū)劃.

［1］British Standards Institute.BS7543 Guide to durability of buildings and building elements，products and components［S］.London：BSI Group，2003.

［2］Duracrete.Guidelines for durability design and redesign［R］.Brussels：European Union-Brite EuRam Project，2000.

［3］Duracrete.Probabilistic performance based durability design of concrete structures［R］.Brussels：European Union-Brite EuRamⅢ，1999.

［4］Duracrete.Working report：environmental actions and response survey，inspection and measurements［R］.Brussels：European Union-Brite EuRam，1999.

［5］JSCE Concrete Committee. Proposed recommendation on durability design for concrete structure［S］.Tokyo：Concrete Library of Japan Society of Civil Engineers，1990.

［6］Kunishima M，Okamura H.Durability design for concrete structure［C］／／Proceedings of IABSE Symposium on Durability of Structures.Lisbon：International Association for Bridge and Strutural Engineering，1989：505-510.

［7］Sarja A，Vesikari E.Durability design of concrete structures［R］.London：Spon Press，1996.

［8］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 220：2007混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 220：2007 standard for durability assessment of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2007.

［9］中國土木工程學(xué)會.CCES 01—2004混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.China Civil Engineering Society.CCES 01—2004 Guide to durability design and construction of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2005.

［10］中華人民共和國建設(shè)部.GB50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB50010—2002 Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2002.

［11］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG D64-2004 Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts［S］.Beijing：China Communications Press，2004.

［12］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB／T50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB50010-2002 Code for durability design of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2008.