考慮地方氣候時氯鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)壽命研究*

焦俊婷，葉英華，楊榮華

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院, 福建 廈門 361021;2.北京航空航天大學(xué)土木工程系, 北京 100083)

考慮地方氣候時氯鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)壽命研究*

焦俊婷1，葉英華2，楊榮華1

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院, 福建 廈門 361021;2.北京航空航天大學(xué)土木工程系, 北京 100083)

針對在氣候環(huán)境和氯鹽侵蝕共同作用下沿?；炷两Y(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命進行研究。基于現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)氯鹽壽命模型，同時考慮氣候環(huán)境溫度、相對濕度影響，分析了我國東南沿海部分城市混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命；并利用簡單可靠度理論計算我國東南沿海部分城市混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命的概率分布。研究結(jié)果表明：① 地方氣候相對濕度對誘導(dǎo)期壽命影響不容忽視；② 對誘導(dǎo)期壽命影響較明顯的因素有：相對濕度影響系數(shù)f(h)、氯離子擴散延遲系數(shù)m、氯離子參考擴散系數(shù)Dref和混凝土保護層厚度X。研究成果對混凝土結(jié)構(gòu)加固、維護、剩余壽命預(yù)測具有參考作用。

氯鹽侵蝕環(huán)境；混凝土結(jié)構(gòu)；溫度；相對濕度；誘導(dǎo)期壽命

沿海地區(qū)氯鹽侵蝕作用下混凝土結(jié)構(gòu)壽命由誘導(dǎo)期、發(fā)展期和失效期三部分組成[1]。誘導(dǎo)期壽命ti指混凝土內(nèi)鋼筋表面氯離子濃度達到臨界氯離子濃度所需的時間?，F(xiàn)有研究成果認(rèn)為：氯鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命模型中氯離子擴散系數(shù)的確定是關(guān)鍵因素，氯離子擴散系數(shù)受時間、環(huán)境(溫度、相對濕度)、混凝土材料性能等多個因素影響。

沿海、近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)直接或間接受海水侵蝕，同時與海風(fēng)、海霧、海潮中攜帶的氯離子含量有關(guān)，與地方氣候環(huán)境(溫度、濕度等)有密切關(guān)系，其服役壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命，沉重的重建與維修費造成巨大的經(jīng)濟損失[2-7]。提高一定氣候環(huán)境沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、延長其使用壽命，是工程亟待解決的問題。但結(jié)合地方氣候環(huán)境對氯鹽侵蝕作用下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的相關(guān)文獻研究較少[8-10]。Allampallewar等[8]研究了印度沿海5個城市地方氣候溫度、相對濕度條件對氯離子侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命的影響極其概率分布。Alhozaimy等[9]試驗研究了海灣地區(qū)高溫、高濕、氯離子侵蝕綜合作用下混凝土的腐蝕，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度為50 ℃、相對濕度為85%時，混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕低于溫度為40 ℃和30 ℃、相對濕度為85%的腐蝕。應(yīng)敬偉等[10]結(jié)合我國廣西地方氣候環(huán)境研究了氯離子侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子擴散系數(shù)的簡化計算。可見結(jié)合地方氣候溫度和相對濕度環(huán)境，研究沿?；炷两Y(jié)構(gòu)ti是必要的、有實際意義的。鑒于此，本文采用以月為時間單位，考慮月平均溫度、月平均相對濕度對氯離子擴散系數(shù)的影響，計算我國東南沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的ti；并用簡單概率方法，計算混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率分布；最后對混凝土結(jié)構(gòu)ti影響因素進行敏感性分析，給出提高混凝土結(jié)構(gòu)ti的設(shè)計建議。研究結(jié)果為這些地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)加固、維護、剩余壽命預(yù)測具有參考作用。

1 沿海氯鹽腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)的ti

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴散模型

基于Fick第二定律：

(1)

當(dāng)邊界條件C(0,t)=Cs,C(∞,t)=C0；初始條件C(x,0)=C0;Fick第二定律的解析解為：

(2)

式中，t表示時間；x表示混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)某處深度；C(x,t)表示t時刻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)深度x處的氯離子濃度；Cs、C0分別表示混凝土結(jié)構(gòu)表面和初始時刻內(nèi)部氯離子濃度；erf表示誤差函數(shù)；D表示氯離子擴散系數(shù)。

1.2 氯離子擴散系數(shù)

氯離子擴散系數(shù)D受時間、溫度、相對濕度、混凝土材料性能(如水灰比、氯離子擴散延遲系數(shù))等因素影響。計算C(x,t)時采用氯離子有效擴散系數(shù)Deff來代替D，且：

(3)

式中，Dref表示混凝土結(jié)構(gòu)暴露于一定時間和一定濕度條件下氯離子的參考擴散系數(shù)；f(t)表示時間t對氯離子擴散系數(shù)的影響系數(shù)；f(T)表示環(huán)境溫度T對氯離子擴散系數(shù)的影響系數(shù)；f(h)表示環(huán)境相對濕度h對氯離子擴散系數(shù)的影響系數(shù)。

1.2.1 氯離子參考擴散系數(shù)Dref文獻[11]建議普通混凝土的Dref為：

(4)

式中，D28表示混凝土結(jié)構(gòu)暴露于28 d、相對濕度為100%條件下氯離子的參考擴散系數(shù)，單位：m2/s；w/c表示混凝土材料的水灰比。

1.2.2 時間影響系數(shù)f(t)文獻[12]給出時間t影響氯離子擴散的函數(shù)D(t)：

(5)

式中，tref表示混凝土齡期，tref=28 d；m表示氯離子擴散系數(shù)延遲。

1.2.3 溫度影響系數(shù)f(T)文獻[11]給出溫度T影響氯離子擴散的函數(shù)D(T)：

(6)

式中，Tref表示混凝土養(yǎng)護時的標(biāo)準(zhǔn)溫度293 K,即20 ℃；T表示混凝土環(huán)境溫度；U表示混凝土擴散過程的激活能常數(shù),U=35 000 J/mol；R表示氣體常,R=8.314 J/(mol·K)。

1.2.4 相對濕度影響系數(shù)f(h)文獻[13] 給出環(huán)境相對濕度h影響氯離子擴散的函數(shù)D(h)：

(7)

式中，hc表示混凝土所處環(huán)境臨界相對濕度，hc=75%；h混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境實際相對濕度。

1.3 混凝土結(jié)構(gòu)ti計算

1.3.1ti的計算公式 依據(jù)ti的定義知：當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋保護層厚度為X，則C(X,ti)=Cth。其中，ti表示混凝土為第i個月齡期，即：

ti=i×(365/12)=i×30.417(d)

依據(jù)式(2)可得[8]：

(8)

其中，

(9)

(10)

式中，Deff,i表示第i個月氯離子的有效擴散系數(shù)。

當(dāng)i=1時，C(X,t1)為

(11)

1.3.2ti的計算過程

1)首先計算i=1時，由式(3)-(7)計算氯離子有效擴散系數(shù)Deff,1；由式(11)計算C(X,t1)。

2)然后分別計算i=2、3…時，由式(3)-(7)計算氯離子有效擴散系數(shù)Deff,i；按式(8)-(10)，計算C(X,ti)；直到C(X,ti)≥Cth停止，此時的ti即為混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期壽命。

1.3.3ti計算算例 以我國東南沿海?？凇⑸钲?、廈門、溫州和寧波等5城市混凝土結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)考慮地方氣候溫度、相對濕度時計算各城市混凝土結(jié)構(gòu)的ti。假定混凝土材料水灰比為0.5、m=0.52；鋼筋保護層厚度X=50 mm；氯離子臨界值Cth=0.037%、混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度Cs=0.5%、混凝土結(jié)構(gòu)氯離子初始含量C0=0。5個城市月平均溫度見表1、月平均相對濕度見表2，表1、表2數(shù)據(jù)取自文獻[14]。

表1 我國東南沿海5城市月平均溫度1)

1)A—?？冢珺—深圳，C—廈門，D—溫州，E—寧波

表2 我國東南沿海5城市月平均相對濕度1)

1)A—海口，B—深圳，C—廈門，D—溫州，E—寧波

由式(4)計算得：Dref=1.198 mm2/d；由式(6)計算得f(T)見表3；由式(7)計算得f(h)見表4。

最后計算得到海口、深圳、廈門、溫州和寧波5城市混凝土結(jié)構(gòu)的ti分別是：6.46、11.33、12.42、11.67和12.58年。計算結(jié)果表明：① 地方氣候環(huán)境的溫度、相對濕度對混凝土結(jié)構(gòu)的ti有一定影響；② ?？诘膖i明顯小于其它城市的ti；③ 深圳和溫州的ti相接近，廈門和寧波的ti相接近?？梢?，考慮地方氣候的溫度、相對濕度環(huán)境研究混凝土結(jié)構(gòu)的ti是十分有必要的。

表3 月平均溫度影響系數(shù)f(T)1)

1)A—海口，B—深圳，C—廈門，D—溫州，E—寧波

表4 月平均相對濕度影響系數(shù)f(h)1)

1)A—?？?，B—深圳，C—廈門，D—溫州，E—寧波

2 基于可靠度的沿?；炷两Y(jié)構(gòu)ti分析

2.1 沿海混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率密度函數(shù)

(3)忠誠顧客。作為廬山民宿主要消費者的80及90后人群，是受過良好教育的一代，追求新奇，敢于體驗不同樣的事物，他們認(rèn)同社群文化和粉絲經(jīng)濟并且很容易被召集起來，廬山民宿的發(fā)展離不開這些消費人群。經(jīng)營者在對外銷售的同時，可以利用“粉絲經(jīng)濟”，通過互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)與這些年輕消費者保持溝通與交流，并且從中了解他們的需求，對民宿進行相應(yīng)的改造和完善，從而創(chuàng)造出一批忠誠顧客，使他們保持一定的再住率，成為相對穩(wěn)定的客源市場。忠誠顧客對于消費市場的擴展也有很大幫助，利用老顧客的口碑宣傳，帶來新的住客，再將新住客發(fā)展成又一批的忠誠顧客，形成客源市場的可持續(xù)良性擴張。

文獻[15]建議：① 混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率密度函數(shù)服從對數(shù)分布函數(shù)，如式(12)所示，其中a=ln(ti)，

(12)

σ是ti的標(biāo)準(zhǔn)方差；② 用隨機變量均值計算概率分布時的概率為50%; ③ti是隨機變量Dref、m、f(T)、f(h)、X、Cs、Cth和C0的函數(shù)，即：

(13)

對式(13)在隨機變量為均值時線性化得：

(14)

對式(13)在隨機變量為均值時計算ti的方差得：

(15)

2.2 我國東南沿?；炷两Y(jié)構(gòu)ti的概率分布

以我國東南沿海?？凇⑸钲?、廈門、溫州和寧波等5城市為例計算混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率分布。設(shè)隨機變量Dref、m、f(T)、f(h)、X、Cs、Cth和C0的變異系數(shù)為0.2、0.1、0.07、0.22、0.083、0.25、0.2和0.0(因一般混凝土C0=0.0，故假設(shè)C0的變異系數(shù)為0.0)。其它參數(shù)同前，計算結(jié)果見表5-表9。

表5 海口 ti 概率特征值計算

表6 深圳 ti 概率特征值計算

表7 廈門 ti 概率特征值計算

表8 溫州ti概率特征值計算

表9 寧波 ti 概率特征值計算

2.2.1 混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率密度函數(shù) 5個城市混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率密度函數(shù)如圖1所示。由圖1可知，?？趖i的概率密度函數(shù)與其他4城市不同；其他4城市ti的概率密度函數(shù)也略有差異。

2.2.2 混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率分布函數(shù) 5個城市混凝土結(jié)構(gòu)ti的概率分布函數(shù)如圖2所示。由圖2可知，?？趖i的概率分布函數(shù)與其他4城市差異明顯；其他4城市ti的概率分布函數(shù)略有差異。建議研究各地沿?；炷两Y(jié)構(gòu)ti宜考慮地區(qū)氣候溫度、相對濕度的影響。

圖1和圖2表明環(huán)境相對濕度、溫度對氯離子的擴散有不可忽視影響，海口相對濕度影響系數(shù)和溫度影響系數(shù)均高于其他4城市，其概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)均與其它4常識有明顯差異。

圖2 5個城市ti概率分布函數(shù)Fig.2 The probability distribution function at five cities

3 混凝土結(jié)構(gòu)ti敏感因素分析

3.1 敏感因素分析

為了解混凝土結(jié)構(gòu)ti對各影響因素的敏感程度，進行因素方差分析[16]?；诒?-表9計算，各因素對ti影響的方差及敏感性分析結(jié)果如表10所示。由表10可知，① 不同城市ti對各影響因素的敏感程度不同。② 相對濕度對5個城市ti的影響均在前3名，表明該因素的影響不容忽視。③ 溫度對5個城市ti的影響排列均較靠后，表明該因素的影響不明顯。④ 對ti的影響較明顯因素有：f(h)、m、Dref和X。

3.2 提高混凝土ti措施

綜合前述分析，建議提高凝土結(jié)構(gòu)ti的主要措施：① 從材料配比以及制備方面，注意采用適當(dāng)?shù)乃冶取B(yǎng)護條件，以便混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的Dref和m；② 由于保護層厚度對ti有明顯的影響效果，選擇合適的保護層厚度X；③ 考慮相對濕度的影響系數(shù)f(h)對ti有明顯的影響，建議在設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命時應(yīng)合理的考慮該因素的影響。

表10 各因素對ti影響方差及敏感性分析1)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合地方氣候溫度和濕度環(huán)境，研究沿?；炷两Y(jié)構(gòu)的ti。計算了我國東南沿海5個城市混凝土結(jié)構(gòu)的ti、其概率分布及其敏感性因素。研究結(jié)果表明：① 相對濕度對5個城市ti的影響不容忽視；② 溫度對5個城市ti的影響均排列較靠后，表面明該因素的影響不明顯；③ 對ti的影響較明顯的因素有：f(h)、m、Dref和X；并給出提高混凝土ti技術(shù)措施。

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The initiation time for reinforced concrete members under chlorine salt erosion and climate

JIAOJunting1,YEYinghua2,YANGRonghua1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China；2. The department of Civil Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083, China)

The initiation time for reinforced concrete (RC) members were researched along coast under chlorine salt erosion and climate. Based existing chlorine erosion life model, as temperature and relative humidity were considered, the initiation time for RC members were calculated. Then the probability distribution of the initiation time was given for RC members along coast in southeast china by using simplified probability analysis. The results showed:① The effect on initiation time from relative humidity should not be ignored; ② The factors, such as relative humidity influence coefficientf(h), chloride ion diffusion delay coefficientm, chloride ion diffusion reference coefficientDref, and concrete cover thicknessX, had more obvious influence on initiation time. This would be useful for structure strengthening, maintenance, and remaining life prediction.

chlorine salt erosion; concrete structures; temperature; relative humidity; initiation time

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.01.015

2015-03-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178020，51478404)；福建省教育廳A類資助項目(JA14241)

焦俊婷(1968年生)，女;研究方向：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性與耐久性;E-mail:jtjiao@xmut.edu.cn

TU 528.01

A

0529-6579(2016)01-0085-06