氣候變化對中原地區(qū)橋梁碳化壽命影響研究

趙 娟，李 倍

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418)

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氣候變化對中原地區(qū)橋梁碳化壽命影響研究

趙 娟，李 倍

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418)

針對氣候變化背景下的混凝土碳化問題，以鄭少高速南水北調(diào)大橋輔線橋?yàn)檠芯繉ο?，依?jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)最新研究報(bào)告，建立鄭州地區(qū)在高、低兩種碳排放情景下氣候邊界模型.基于該模型研究了溫度、大氣濕度以及二氧化碳濃度在未來100年間的發(fā)展規(guī)律，以此來預(yù)測輔線橋主梁和橋墩的碳化壽命，最后通過與恒定氣候參數(shù)下的碳化壽命計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比. 結(jié)果表明：氣候變化將在一定程度上影響中原地區(qū)橋梁碳化進(jìn)程，高排放情景下主梁和橋墩的碳化壽命較之于低排放情景將縮短13%左右.

氣候變化；橋梁；混凝土；碳化；邊界模型

0 引言

橋梁工程一直是國家重要的基礎(chǔ)建設(shè)工程，而鋼筋腐蝕是導(dǎo)致混凝土橋梁性能劣化的主要根源之一.在一般內(nèi)陸環(huán)境下，鋼筋腐蝕主要由混凝土碳化引起，混凝土碳化進(jìn)程不僅與混凝土原材料、施工因素有關(guān)，很大程度上受氣候環(huán)境條件的影響.

混凝土碳化耐久性一直是研究熱點(diǎn)，然而在氣候變化日趨顯著的背景下，針對氣候變化可能給混凝土耐久性帶來的影響的研究較少[1].Yoon[2]第一次考慮了氣候變化對混凝土碳化的影響，建立了CO2濃度變化的碳化模型，但并未將顯著影響混凝土碳化系數(shù)的溫濕度因素考慮在內(nèi).Talukdar等人[3]依據(jù)IPCC氣候研究報(bào)告預(yù)測了不同碳排放模式下加拿大混凝土結(jié)構(gòu)物的碳化深度，但其假設(shè)環(huán)境相對濕度是恒定不變的.Hassan[4]以月平均溫度及相對濕度代表實(shí)際氣候條件，研究表明：在混凝土耐久性評估中考慮實(shí)際氣候條件非常重要.

筆者以實(shí)際工程鄭少高速南水北調(diào)大橋輔線橋?yàn)橐劳?，根?jù)最新IPCC氣候研究報(bào)告對21世紀(jì)全球氣候變化的預(yù)測，模擬鄭州地區(qū)21世紀(jì)氣候條件發(fā)展趨勢并建立隨時(shí)間變化的混凝土碳化氣候邊界模型，采用文獻(xiàn)[5]建議的碳化模型預(yù)測出該橋梁主梁及橋墩的碳化壽命，分析探討氣候變化給我國中原地區(qū)橋梁碳化壽命產(chǎn)生的影響.

1 中原地區(qū)氣候預(yù)測模型

鄭州市地處華中地區(qū)，是我國中部重要城市，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)核心，交通發(fā)達(dá)，地理位置重要.輔線橋連接鄭州市航海路和鄭少高速公路，是鄭州市西南方向的出口，于2013年建成通車.就氣候條件而言，鄭州市位于大陸性暖溫帶，具備典型的中原地區(qū)氣候特點(diǎn)，四季分明，冷暖適中，依據(jù)近十年鄭州市氣候記錄數(shù)據(jù)，其年平均氣溫15.4 ℃，相對濕度67%.

1.1 溫度模型

最新發(fā)布的IPCC第五次評估報(bào)告[6]從多方面進(jìn)一步證實(shí)和支持了全球氣候變暖這一毋庸置疑的結(jié)論.報(bào)告針對未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源改善狀況等因素提出了4種具有代表性的氣候排放情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5)及其對21世紀(jì)全球氣候的影響規(guī)律.其中RCP8.5和RCP2.6分別代表高、低排放情景；RCP4.5和RCP6.0介于兩者之間.研究表明，鄭州地區(qū)年平均氣溫變化與全球氣溫變化趨勢一致，即總體呈上升趨勢，年平均最高氣溫及最低氣溫均有所上升.圖1為基于RCP2.6和RCP8.5兩種排放情景下鄭州市21世紀(jì)氣溫發(fā)展曲線.從圖中可以看出，在最環(huán)保的RCP2.6排放情景下，氣溫上升幅度平緩，到本世紀(jì)末氣溫比世紀(jì)初上升1.2 ℃左右；在高排放情景下，氣溫上升較明顯，到世紀(jì)末將會有接近4 ℃的溫度增幅，兩種情景都不同程度地區(qū)別于本世紀(jì)初的溫度平均水平.

圖1 21世紀(jì)鄭州市年平均溫度發(fā)展曲線

依據(jù)鄭州市21世紀(jì)年均溫度的發(fā)展曲線，針對輔線橋的服役周期，建立該區(qū)域2013～2113年100年間的溫度邊界模型，見式(1).

RCP2.6情景：

T(t)=4.44Ε-07t3-1.39Ε-04t2+0.02t+15.53.

(1a)

RCP85情景：

T(t)=6.51Ε-07t3+2.40Ε-05t2+0.03t+15.54.

(1b)

式中：T(t)為年平均溫度；t為時(shí)間.

1.2 濕度模型

環(huán)境相對濕度對混凝土碳化速率同樣有顯著影響[7].相對濕度較高或較低，會使碳化速率變慢，環(huán)境相對濕度在50%～70%時(shí)，混凝土碳化速率最快.目前，科研人員尚未對氣候變化引起的21世紀(jì)一百年間環(huán)境相對濕度發(fā)展趨勢達(dá)成共識，Vuille等[8]預(yù)測環(huán)境相對濕度將會以每10年0%至2.5%的速度上升.而文獻(xiàn)[9]通過分析加拿大歷年相對濕度變化發(fā)現(xiàn)，1950～2000年全國平均相對濕度下降了6%，由此可見，環(huán)境相對濕度在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.

陳彬彬[10]通過分析河南省1960～2004年相對濕度的變化特征及蒸發(fā)量的變化特征指出：河南全省45年間平均相對濕度呈上升趨勢，以0.417%/10a的速率遞增，且進(jìn)入本世紀(jì)初后，增濕趨勢明顯.從全省分布來看，相對濕度減少的區(qū)域主要集中在南部及西北部地區(qū)，鄭州市位于河南省中部，中部和東部地區(qū)增濕顯著，相對濕度增加的中心值45年來達(dá)到了5%～6%.

基于上述研究，假設(shè)鄭州市年均相對濕度線性增長，以2013年相對濕度均值為基礎(chǔ)，建立該區(qū)域2013～2113年相對濕度邊界模型如下：

RH(t)=0.0417%t+66%.

(2)

式中：RH(t)為年平均相對濕度，%；t為時(shí)間，a.

1.3 CO2濃度模型

IPCC第五次評估報(bào)告給出了4種氣候排放情景下21世紀(jì)全球CO2濃度的發(fā)展趨勢，報(bào)告預(yù)測全球CO2濃度將從2000年的725增加到2100年的1 838，并極可能會達(dá)到1 964.圖2為基于報(bào)告數(shù)據(jù)模擬的高低兩種排放情景下21世紀(jì)全球CO2濃度發(fā)展曲線.在最好的低排放情景下，由于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，溫室氣體排放減少，清潔高效資源技術(shù)的采用等有利因素下，全球CO2濃度將在2060年達(dá)到峰值后緩慢下降；在高排放情景下，全球CO2濃度上升趨勢明顯，到本世紀(jì)末的CO2濃度將是世紀(jì)初的2.5倍.

圖2 21世紀(jì)全球CO2濃度發(fā)展趨勢

此外，環(huán)境CO2濃度受場地及周邊環(huán)境影響顯著，停車場、公路路面等地CO2濃度一般較高，市區(qū)CO2濃度高于郊區(qū)，因此引入修正系數(shù)ksite[11]來體現(xiàn)其之間的差異：

(3)

表1為國內(nèi)外根據(jù)城市、郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)CO2濃度記錄計(jì)算出的三類地區(qū)ksite的統(tǒng)計(jì)值.對于城市高速橋梁來說，其主梁橋面因長期受到汽車尾氣排放的不利影響，碳化威脅及程度是大于橋墩的，因此結(jié)合實(shí)際情況，此處主梁ksite取1.10，橋墩ksite取1.07.

表1 ksite統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[11]

基于全球CO2濃度變化值，建立高低兩種排放情景下適用于碳化預(yù)測模型的CO2濃度邊界條件，時(shí)間為2013～2113年，見式(4)～(5).

CCO2(t)=ksite·φCO2(t).

(4)

RCP2.6情景：

φCO2(t)=6.05E-04t3-0.1t2+4.93t+803.4.

(5a)

RCP8.5情景：φCO2(t)=18.9E-05t3+0.06t2+5.01t+802.4.

(5b)

式中：CCO2(t)為CO2濃度，mg/m3；ksite為修正系數(shù)；φCO2(t)為全球平均CO2濃度，mg/m3；t為時(shí)間，a.

2 案例計(jì)算

鄭少高速南水北調(diào)大橋輔線橋位于鄭州市航海路連接線與南水北調(diào)總干渠相交處，為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)-剛構(gòu)組合橋梁，全長310.2 m，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，于2013年建成通車.輔線橋主梁采用C55高性能混凝土，保護(hù)層厚度為30 mm，橋墩采用C40混凝土，保護(hù)層厚度為45 mm.

文獻(xiàn)[5]提出混凝土保護(hù)層厚度、碳化殘量和碳化速度表示的混凝土碳化模型如下：

Ωc={c-x0-X(t)≥0}.

(6)

式中：Ωc為混凝土碳化壽命預(yù)測模型；c為混凝土保護(hù)層厚度，mm；x0為碳化殘量，mm；X(t)為混凝土碳化深度，mm.

當(dāng)碳化殘量與碳化深度之和大于混凝土保護(hù)層厚度時(shí)即認(rèn)為混凝土已達(dá)到碳化壽命.

文獻(xiàn)[5]將徐善華模型[12]和牛荻濤模型[13]分別用于計(jì)算輔線橋主梁和橋墩的碳化殘量及碳化深度的均值和方差并代入式(6)的碳化模型.結(jié)果表明：輔線橋主梁和橋墩將分別在服役28 a及30 a后碳化壽命結(jié)束，即鋼筋開始腐蝕.

在文獻(xiàn)[5]的研究計(jì)算過程中，碳化模型中的氣候參數(shù)(溫度、濕度、CO2濃度)均取鄭州地區(qū)的氣候平均值.但根據(jù)前文所述，氣候條件將在未來幾十年發(fā)生較大幅度的變化，影響混凝土橋梁碳化進(jìn)程，故筆者采用模擬真實(shí)氣候條件參數(shù)的數(shù)值模型計(jì)算橋梁碳化壽命將更加符合實(shí)際情況，更具有參考價(jià)值.

表2、表3為采用本文建立的氣候模型替代氣候均值計(jì)算的輔線橋主梁及橋墩碳化殘量和碳化深度值以及文獻(xiàn)[12]計(jì)算結(jié)果數(shù)值；表4為輔線橋主梁及橋墩最終碳化壽命.

結(jié)果表明：在考慮氣候條件隨時(shí)間變化的前提下，低排放情景下的輔線橋主梁及橋墩將分別在服役31 a和36 a后碳化壽命結(jié)束，鋼筋開始腐蝕；而高排放情景下，主梁和橋墩的碳化壽命較之于低排放情景縮短13%，可見氣候變化將給我國中原地區(qū)橋梁碳化壽命帶來一定程度的影響.

表2 混凝土碳化殘量平均值/標(biāo)準(zhǔn)差

表3 混凝土碳化深度平均值/標(biāo)準(zhǔn)差

表4 主梁及橋墩碳化壽命

此外，RCP8.5情景下計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[5]計(jì)算結(jié)果幾乎相同，本文氣候模型中RCP8.5情景下的氣候參數(shù)均是隨時(shí)間變化的變量，溫濕度取值均比文獻(xiàn)[5]中的確定參數(shù)有所提高，導(dǎo)致兩者的最終預(yù)測壽命相近的原因在于：文獻(xiàn)[5]的碳化模型中CO2濃度影響系數(shù)kCO2取值偏大，統(tǒng)一選取了最不利取值1.4，而在CO2濃度隨時(shí)間增長較快的RCP8.5情景下，kCO2值在前期僅為1.33左右，后期才達(dá)到或者超越1.4，進(jìn)而導(dǎo)致兩種計(jì)算結(jié)果較為相近；然而對于CO2濃度增長較緩的RCP2.6情景，kCO2值在整個(gè)計(jì)算過程中均未超過1.3，致使最終碳化壽命比文獻(xiàn)[8]的計(jì)算結(jié)果延緩了數(shù)年，從而進(jìn)一步體現(xiàn)出本氣候模型對不同氣候發(fā)展情況的精確響應(yīng).

因此，在全球氣候變化的大背景下，綜合評估氣候變化條件下的橋梁碳化壽命更為合理，文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算結(jié)果雖與氣候政策中最不利RCP8.5情景計(jì)算結(jié)果相近，但用于評價(jià)環(huán)保型氣候發(fā)展模式下的混凝土碳化壽命則過于保守.

3 結(jié)論

(1) 在氣候變化大背景下，結(jié)合最新氣候預(yù)測報(bào)告以及鄭州市實(shí)際氣候條件，建立了該市考慮未來氣候發(fā)展的混凝土碳化邊界模型.該氣候模型具有普適性，可以依據(jù)不同區(qū)域的實(shí)際氣候條件建立不同區(qū)域氣候邊界模型，為研究該區(qū)域混凝土碳化進(jìn)程提供邊界條件.

(2) 以實(shí)際工程鄭少高速南水北調(diào)大橋輔線橋?yàn)橐劳?，?yīng)用筆者提出的考慮氣候變化的氣候邊界模型計(jì)算其主梁及橋墩的碳化壽命，并與氣候參數(shù)恒定條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明：氣候變化將較大程度影響以輔線橋?yàn)榇淼奈覈性貐^(qū)混凝土橋梁碳化進(jìn)程，在不同的氣候發(fā)展模型下，橋梁碳化壽命將有明顯區(qū)別，因此為準(zhǔn)確評估不同氣候政策下混凝土橋梁碳化壽命，建議應(yīng)用筆者提出的基于氣候變化綜合碳化邊界模型.

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ZHAO Juan, LI Bei

(School of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418, China)

This paper aimed to explore the concrete carbonation problem under climate change，based on birdge connecting Zhengshao Highway to Hanghai Road project,by simulating climate boundary models in high emission situation and low emission situation of Zhengzhou according to the latest research report by Intergovernmental Panel on Climate Change.The model predicted carbonation life of beam and pier by setting up development trends of temperature, humidity and CO2concentration in the next 100 years accor models.Compared with carbonation life calculated by constant climate parameters.The results showed that climate change would affect bridge carbonation process in central plains to a certain extent.Compared with low emissions situation,carbonation life of beam and piers would be shorten about 13% in high emissions situation.

climate change; bridge; concrete; carbonation; boundary model

2016-06-19；

2016-09-01

上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ142)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408361)

趙娟(1977—)，女，河南開封人，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)副教授，博士，主要從事混凝土耐久性研究，E-mail:zhaojuan_sit@163.com.

1671-6833(2016)06-0068-04

TU528.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.021