隧道混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命評價

丁 楊，鄧文武，孟 偉，陳

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司城市軌道交通設(shè)計院，天津 300308）

隧道混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命評價

丁 楊1，鄧文武2，孟 偉2，陳1

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司城市軌道交通設(shè)計院，天津 300308）

針對隧道混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命評價問題，以Fick第二定律為基礎(chǔ)，利用混凝土擴散理論，運用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對影響隧道混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的一些因素進行全面分析和思考。研究結(jié)果表明：混凝土保護層厚度是55 mm時，混凝土的預(yù)測使用壽命只有102年到105年，而采用保護層厚度是70 mm時，混凝土的預(yù)測使用壽命可達209年和248年，因此必須嚴(yán)格控制施工的質(zhì)量，保證一定的保護層厚度。因此，隨著保護層厚度的遞增，混凝土的預(yù)測使用壽命增長則會加大，說明增加保護層的厚度可以有效的提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。最后，經(jīng)過實驗驗證，在混凝土中添加一定量的粉煤灰的基礎(chǔ)上，再添加一定數(shù)量礦渣，可明顯提高混凝土的使用壽命。研究結(jié)果可以提高隧道混凝土結(jié)構(gòu)壽命的措施和技術(shù)，具有很好的現(xiàn)實意義。

隧道；高性能混凝土；壽命評價；擴散

在環(huán)境腐蝕介質(zhì)如氯鹽（Cl-）等作用下，混凝土對鋼筋的保護作用隨著時間的推移而逐漸降低，最終導(dǎo)致混凝土中的鋼筋發(fā)生腐蝕。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)老化現(xiàn)象越來越明顯，維修改造費用也持續(xù)的遞增，因此，國內(nèi)外針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命問題的進行了較多的研究。Morinaga［1］以氯離子引起鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)順筋裂縫作為失效準(zhǔn)則，根據(jù)混凝土銹脹開裂時的鋼筋銹蝕量與鋼筋銹蝕速度之間的關(guān)系來預(yù)測構(gòu)件的壽命。Amey等［2］考慮混凝土表面環(huán)境狀況、氯離子傳輸、周圍介質(zhì)溫度、季節(jié)變換以及施工差異等因素的影響來預(yù)測處于不同環(huán)境中的混凝土構(gòu)件的使用壽命。趙尚傳等［3］提出了基于可靠性與經(jīng)濟優(yōu)化相結(jié)合的在役混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用壽命評估準(zhǔn)則，并建立了相應(yīng)的剩余使用壽命預(yù)測優(yōu)化模型。本文結(jié)合蘇埃通道隧道為背景，采取以Fick第二定律進行使用壽命計算，選用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，所得的結(jié)果在蘇埃通道隧道混凝土結(jié)構(gòu)中較為符合，提出的措施和技術(shù)對今后的實際工程也可采用。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘇埃通道隧道工程是從汕頭市龍湖區(qū)天山南路，穿過蘇埃灣海域，在南岸的汕頭跳水館西面大概200 m處登岸。

1.2 工程難點

場地中地下水為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水水量豐富，基巖裂隙水較為貧乏。場地中普遍分布的軟土及粘性土為相對隔水層；粉細砂為中等透水層；中粗砂及礫砂為強透水層，皆為承壓水。經(jīng)由通風(fēng)系統(tǒng)進入隧道的氣流可能因風(fēng)井靠近海岸而含有Cl-，以一定速度通過隧道的車輛也不可避免地將空氣中的Cl-帶進隧道內(nèi)部，尤其是隧道的兩個出口處，從而加速鋼筋銹蝕和縮短混凝土襯砌的使用壽命。隧道的不同部位干濕程度差異較大，在隧道的兩端，混凝土往往要面臨頻繁的干濕交替作用，從而加速Cl-的擴散速度。

2 使用壽命預(yù)測的數(shù)學(xué)模型

2.1 現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型

環(huán)境中Cl-侵入混凝土使鋼筋腐蝕是導(dǎo)致海底隧道鋼筋混凝土支護結(jié)構(gòu)破壞，影響其使用壽命的關(guān)鍵因素［4］。因此Cl-向混凝土的滲透的速率將決定混凝土的使用壽命，鋼筋混凝土使用壽命的預(yù)測也是依據(jù)Cl-在混凝土中滲透數(shù)學(xué)的模型進行的［5］。一般認(rèn)為，Cl-通過混凝土內(nèi)部的孔隙從周圍環(huán)境向混凝土內(nèi)部滲透，主要與環(huán)境條件（與混凝土接觸的介質(zhì)的濃度與接觸時間的長短）、混凝土材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素有關(guān)［6］。

Collepardi等提倡用Fick第二擴散定律來描述Cl-在混凝土中的擴散行為，其數(shù)學(xué)表達式為

可解得氯離子擴散方程有下列形式：

式中：C為暴露時間；t為距取樣面；x為深度處氯離子的含量。Deff－氯離子在混凝土中的有效擴散系數(shù)。如果已知CS，就能通過測得t時間時x深度處的Cl-含量C，按公式算出Deff。通過對公式進行如下轉(zhuǎn)化，在已知混凝土Cl-擴散系數(shù)Deff時，可預(yù)測一定保護層處Cl-達到臨界濃度（Ccr）時所需時間t1，即使用壽命T。

2.2 本文使用的數(shù)學(xué)模型［7］

在上述模型中，仍然存在以下明顯的不足，沒有考慮環(huán)境、運行條件等對Cl-滲透的影響，另外也沒有考慮混凝土濕度和運行條件的影響?？紤]應(yīng)力和初期裂縫對Cl-擴散系數(shù)的影響，結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件在一定的應(yīng)力狀態(tài)下運行，而在試驗室在混凝土試件上測得的Cl-擴散系數(shù)是在無應(yīng)力狀態(tài)下進行的。在使用過程中的應(yīng)力狀態(tài)對混凝土中Cl-擴散系數(shù)有一定的影響，受拉狀態(tài)下的擴散系數(shù)大，受壓狀態(tài)下的擴散系數(shù)小，且隨應(yīng)力水平的提高，擴散系數(shù)的變化值增大。因此在有荷載作用時應(yīng)對Cl-擴散系數(shù)進行修改。綜合已有的數(shù)學(xué)模型所存在的問題和現(xiàn)有得研究成果，本工程采用以下數(shù)學(xué)模型：

式中：c（x，t）為t時刻距混凝土表面x深度的Cl-濃度，%；c0為混凝土內(nèi)初始Cl-濃度，%；cs為混凝土表面Cl-濃度，%；D0為混凝土t0時間的Cl－擴散系數(shù)，采用RCM方法測定，cm2／s；m為衰減指數(shù)；t為混凝土暴露持續(xù)時間；k為混凝土對Cl-的結(jié)合能力系數(shù)。

對于已知一定齡期t0擴散系數(shù)D0及保護層的厚度b的混凝土結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境下的使用壽命T可按式（3）計算［8］。

2.3 數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)的取值

本文參考國內(nèi)外相關(guān)資料、試驗研究成果及考慮腐蝕較嚴(yán)重的襯砌內(nèi)側(cè)的環(huán)境條件，綜合取值。并且在取值時，認(rèn)為工程不存在由于不同基礎(chǔ)段間的不均勻沉降、荷載過大或地震等外力因素造成的結(jié)構(gòu)性裂縫［9］。

2.3.1 Cl-擴散系數(shù)及其衰減指數(shù)n

Cl-擴散系數(shù)及其衰減指數(shù)n與混凝土配合比有明顯的關(guān)系，本文采用的Cl-擴散系數(shù)通過實驗室實驗獲得［10］。對于Cl-衰減指數(shù)的取值目前國際上3個主要預(yù)測方法中都采用表1的參數(shù)。

表1 不同模型衰減指數(shù)取值Tab.1 Attenuation index of different models

2.3.2 Cl-結(jié)合能力系數(shù)

混凝土中的氯可以不同的形式存在，一部分是溶解于孔隙液中的游離Cl-，另一部分則通過化學(xué)和物理作用結(jié)合于水化產(chǎn)物及其表面成為結(jié)合Cl-［15］。混凝土的Cl-結(jié)合性能非常重要，因為對混凝土中的鋼筋產(chǎn)生腐蝕的并非是擴散進混凝土的Cl-總量，而是混凝土孔液中的游離Cl-量。在傳輸?shù)腃l-總量一定的條件下，混凝土的Cl-結(jié)合性能越強，則孔液游離Cl-濃度就越低，鋼筋鈍化膜被損壞的危險就越小。Nilsson等將混凝土的Cl-結(jié)合能力定義為R。

式中：Cf為混凝土的自由Cl-濃度；Cb為混凝土的結(jié)合Cl-濃度。

混凝土的Cl-結(jié)合能力主要與水泥品種、水灰比、摻合材料品種和摻量等因素有關(guān)。水泥中的C3A和C4AF含量越高、水灰比越小，混凝土的Cl-結(jié)合能力越強。Cl-結(jié)合能力與Cl-濃度有關(guān)，由于在較低游離Cl-濃度范圍內(nèi)，混凝土中Cl-的吸附關(guān)系表現(xiàn)為線性吸附，此時Cl-結(jié)合能力為常數(shù)，在較高游離Cl-濃度范圍內(nèi)，混凝土中Cl-的吸附屬非線性關(guān)系［12］。但為了有利于得到Cl-擴散方程的解析解，將結(jié)合能力系數(shù)視為常數(shù)［13］。本文分別取k=0.1。

3 盾構(gòu)段高性能混凝土的壽命預(yù)測

設(shè)計配合比在保護層分別為55，60，65，70 mm時的使用壽命預(yù)測結(jié)果見表2～表4，通過對比所得結(jié)論如下：

1）混凝土保護層厚度是55 mm時，混凝土的預(yù)測使用壽命只有102年到105年，而采用保護層厚度是70 mm時，混凝土的預(yù)測使用壽命可達209年和248年，因此必須嚴(yán)格控制施工的質(zhì)量，保證一定的保護層厚度［14］。

2）隨著保護層厚度的遞增，混凝土的預(yù)測使用壽命增長則會加大，說明增加保護層的厚度可以有效的提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命［15］。

3）通過比較表2和表4的數(shù)據(jù)可以得知，在混凝土中添加一定量的粉煤灰的基礎(chǔ)上，再添加一定數(shù)量礦渣，可明顯提高混凝土的使用壽命［16］。所以在配置混凝土摻合料時，應(yīng)該結(jié)合實際情形，選擇最佳的摻合料方案。

表2 20%粉煤灰摻合料混凝土使用壽命預(yù)測結(jié)果Tab.2 Service life prediction results for 20%fly ash concrete

表3 30%粉煤灰摻合料混凝土使用壽命預(yù)測結(jié)果Tab.3 Service life prediction results for 30%fly ash concrete

表4 10%礦渣和20%粉煤灰混凝土使用壽命預(yù)測結(jié)果Tab.4 Service life prediction results for concrete of 10%slag and 20%fly ash

4 結(jié)論

1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命主要是由混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的要求，混凝土的性質(zhì)和暴露的條件等所決定的。所處的環(huán)境對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命有著重要的影響。暴露環(huán)境的Cl-濃度越大，所處的環(huán)境越糟糕，混凝土的使用壽命就越短。

2）在Fick的第二擴散定律的基礎(chǔ)上，引用混凝土的Cl-結(jié)合能力性質(zhì)，充分想到混凝土Cl-擴散系數(shù)上的對于時間的依賴性，建立了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在Cl-環(huán)境中所使用壽命的預(yù)測模型，Cl-擴散理論模型。

3）根據(jù)本文所研究的壽命預(yù)測措施，可對當(dāng)今越來越多的混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命來進行預(yù)測，因此可為隧道的設(shè)計提供一些參考根據(jù)。

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Evaluation on Service Life of Tunnel Concrete Structure

Ding Yang1，Deng Wenwu2，Meng Wei2，Chen Kan1
（1.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013；China；2.Urban Rail Transit Design Institute，Sixth Survey and Design Institute of China Railway Group Co.，Ltd.，Tianjing 300308，China）

Focusing on the tunnel concrete structure service life evaluation,based on Fick's second law,the theory of concrete diffusion and the corresponding mathematics model,this study conducts a comprehensive analysis on factors affecting service life of the concrete tunnel structures.Results show that the predicted concrete service life is 102 to 105 years when the thickness of concrete protective layer is 55 mm；While the predicted concrete service life can reach 209 years and 248 years when the protective layer thickness is 70 mm.Therefore,it is necessary to strictly control the construction quality and guarantee the thickness of the protective layer.It suggests that the predicted service life of the concrete structure will increase with the increase of the protective layer thickness.Finally,the experimental results prove that adding a certain amount of fly ash in concrete and adding a certain amount of slag can significantly improve the service life of concrete.The results of the study are summarized to improve the life of the tunnel concrete measures and techniques,which has practical significance.

tunnel;high performance concrete;life evaluation;diffusion

TU528

：A

1005-0523（2017）01-0028-06

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－03－08

國家自然科學(xué)基金項目（511680115）

丁楊（1992—），男，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程材料。