基于表面氯離子分布的混凝土橋梁侵蝕分析

畢繼紅 朱秋碩 關(guān)健

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 300072；2.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)） 300072）

引言

鹽霧環(huán)境下，附著在混凝土橋梁表面的氯離子會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋出現(xiàn)銹蝕破壞，甚至?xí)?dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性失效［1］。鹽霧環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)表面的氯離子濃度受結(jié)構(gòu)形狀以及累積時(shí)間的影響而變化，導(dǎo)致鹽霧環(huán)境中氯離子侵蝕過程與全浸泡環(huán)境中的侵蝕過程有很大不同。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)鹽霧環(huán)境下的氯離子侵蝕過程進(jìn)行了研究。中南大學(xué)劉軍［2］使用綜合鹽霧腐蝕箱模擬鹽霧環(huán)境，分析氯離子在混凝土中的沉積特性。河北工業(yè)大學(xué)閻西康［3］通過鹽霧試驗(yàn)，闡述了氯離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散規(guī)律。Ohta［4］通過混凝土橋梁長(zhǎng)期的暴露試驗(yàn)，分析了海洋環(huán)境下的氯離子滲透過程。但以上研究都忽略了混凝土橋梁形狀以及累積時(shí)間導(dǎo)致的表面氯離子濃度分布不均，有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。

Cosat［5］通過對(duì)鹽霧區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，提出了表面氯離子濃度的時(shí)變模型。日本學(xué)者上原子晶久［6］通過數(shù)值模擬，分析了氯離子附著量與橋梁形狀的關(guān)系。Chendra［7］通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定流場(chǎng)對(duì)混凝土表面氯離子附著量的影響。京都大學(xué)姜詠［8］通過試驗(yàn)檢測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合，提出了預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)各位置的氯離子沉積量的方法。

目前針對(duì)鹽霧環(huán)境下氯離子對(duì)混凝土的侵蝕作用的研究只針對(duì)氯離子的擴(kuò)散過程或者表面氯離子濃度的變化，沒有將兩者結(jié)合起來進(jìn)行分析。本文在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)鹽霧環(huán)境中橋梁各位置的氯離子侵蝕情況進(jìn)行分析。首先，通過數(shù)值模擬得到混凝土橋梁表面各處的氯離子附著量；然后，基于數(shù)值模擬的結(jié)果，考慮時(shí)間累積效應(yīng)，分析混凝土表面氯離子對(duì)混凝土的侵蝕作用；最后得出鹽霧環(huán)境下混凝土橋梁各部分的鋼筋銹蝕情況。可為今后國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的開展提供有價(jià)值的借鑒。

1 氯離子附著量計(jì)算

1.1 顆粒的簡(jiǎn)化與假設(shè)

鹽霧環(huán)境中的氯離子顆粒是一種復(fù)雜的混合物質(zhì)，本文將氯離子顆粒做以下簡(jiǎn)化：

（1）假設(shè)顆粒為均勻的球形顆粒；

（2）假設(shè)顆粒到達(dá)壁面即附著，不考慮顆粒的反彈；

（3）由于顆粒密度遠(yuǎn)大于流體密度，故忽略次要力，只考慮顆粒的重力、拖曳力以及Saffman升力。

1.2 模型建立

1.幾何模型

圖1為橋體模型，圖1a為橋體斷面尺寸，模擬橋梁為鋼筋混凝土橋，橋體總寬度為13.2m，總高度為1.28m，本文進(jìn)行二維模擬，不考慮橋長(zhǎng)的影響。

為了便于分析橋梁表面不同位置的氯離子附著情況，將橋梁各平面進(jìn)行編號(hào)。如圖1b所示，橋梁上表面為1號(hào)～13號(hào)；橋梁迎風(fēng)面為14號(hào)～16號(hào)；橋梁下表面由于兩端與中間顆粒附著量差值較大故分為3部分，分別為17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)；橋梁背風(fēng)面為20號(hào)～22號(hào)。

圖2為計(jì)算領(lǐng)域概況，橋體下方距離水面2m。特征長(zhǎng)度B＝1.28m，計(jì)算域總尺寸為15m×40m，長(zhǎng)與寬均大于10B，可以避免邊界的影響。

圖1 橋體模型Fig.1 Bridgemodel

圖2 計(jì)算域示意Fig.2 Calculation domain

2.網(wǎng)格劃分

圖3為網(wǎng)格劃分情況，使用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)橋梁表面網(wǎng)格進(jìn)行加密，首層網(wǎng)格高度設(shè)為0.1mm，加密區(qū)網(wǎng)格共設(shè)置15層。

圖3 CFX網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh in CFX

3.材料屬性

表1為計(jì)算所用的材料屬性?？諝膺x用CFX內(nèi)置材料參數(shù)，顆粒的材料屬性根據(jù)參考文獻(xiàn)［9，10］確定。

4.邊界條件

計(jì)算模型的邊界按圖2中標(biāo)注區(qū)分，邊界a為入口邊界，采用笛卡爾速度邊界條件，Vx＝3m／s，Vy＝0；邊界b、c為出口邊界，采用壓強(qiáng)出口，相對(duì)壓強(qiáng)為0；邊界d和橋梁表面為壁面邊界，均采用無滑移邊界條件；垂直紙面方向均設(shè)置為對(duì)稱邊界。

表1 材料屬性Tab.1 Parameters ofmaterial

1.3 結(jié)果分析

1.流場(chǎng)分析

圖4是標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)速圖，圖5為標(biāo)準(zhǔn)工況下的流線圖。結(jié)合兩圖可看出，橋梁斷面前緣棱角處出現(xiàn)速度分離現(xiàn)象，在橋面和底面附近的邊界層速度較小，數(shù)值均在2m／s以下；遠(yuǎn)離橋面和底面的外部流動(dòng)區(qū)風(fēng)速最大，達(dá)到了4.3m／s；背風(fēng)面的速度較小，在1m／s以下，并出現(xiàn)了尾部渦流，遠(yuǎn)離渦流處尾流變窄，風(fēng)速又開始增大；在橋底部靠近迎風(fēng)側(cè)和橋上部有路肩遮擋處出現(xiàn)了速度渦流。

圖4 風(fēng)速圖Fig.4 Velocity of air

圖5 流線圖Fig.5 Streamline of air

2.氯離子附著量分析

圖6為標(biāo)準(zhǔn)工況下橋梁平面氯離子附著量，橫軸表示橋梁各平面位置的編號(hào)，縱軸為對(duì)應(yīng)橋梁平面處的氯離子附著量，單位 mdd（mg／dm2／day）表示各平面單位時(shí)間單位面積上的氯離子附著量。最大值出現(xiàn)在14號(hào)平面處為24.80mdd，最小值出現(xiàn)在18號(hào)平面處為1.76×10-3mdd；由圖6可以看出，橋梁不同位置處的顆粒附著量差別很大。

圖6 橋梁平面顆粒附著量Fig.6 Particle adhesion amounts on bridge surfaces

根據(jù)平面位置的不同，將橋梁平面分為如圖7所示的四部分，并針對(duì)各平面的氯離子附著量進(jìn)行具體分析。

由圖7a可知14號(hào)平面因處在橋體迎風(fēng)側(cè)，故氯離子附著量最大；15號(hào)、16號(hào)平面處于橋梁前緣的速度分離區(qū)，20號(hào)、22號(hào)平面位于背風(fēng)面的尾部渦流區(qū)，此處的垂直速度分量均較低，故氯離子附著量較小。

由圖7b可知3號(hào)、7號(hào)、11號(hào)三個(gè)平面的顆粒附著量明顯低于其他平面，均在0.02mdd以下，因?yàn)檫@三個(gè)平面位于橋面處，流體受路肩的遮擋作用無法到達(dá)橋面處，故該處的氯離子附著量較低。

由圖7c可知4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)三個(gè)迎風(fēng)面中，4號(hào)平面的顆粒附著量較低，因?yàn)?號(hào)平面處于橋梁前緣的速度分離區(qū)；2號(hào)、6號(hào)、10號(hào)3個(gè)背風(fēng)面中，6號(hào)平面右側(cè)沒有遮擋，渦流充分發(fā)展，氯離子附著量較大。

由圖7d可知18號(hào)平面氯離子附著量最低，此處為橋體下表面，顆粒受重力作用遠(yuǎn)離壁面；17號(hào)平面處于橋底部渦流區(qū)，而19號(hào)平面處于橋梁尾部，速度在此處明顯加快，所以氯離子附著量較大。

圖7 橋梁局部平面顆粒附著量Fig.7 Bridge adhesion amounts on local bridge surfaces

氯離子擴(kuò)散通量W是確定混凝土內(nèi)部氯離子濃度的重要參數(shù)。本文在計(jì)算混凝土中的氯離子滲透過程時(shí)考慮表面氯離子的時(shí)間累積作用［12］，計(jì)算公式為：

式中：C（x，t）為暴露時(shí)間為t時(shí)，距暴露面距離為x處的氯離子濃度；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；erf為誤差函數(shù)；x為距暴露面的距離；t為暴露時(shí)間。

式（2）中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D受多種因素的影響，本文在進(jìn)行氯離子侵蝕計(jì)算時(shí)所用的擴(kuò)散系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得。采用日本LECCA軟件提出的擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式，當(dāng)混凝土中水泥成分為普通硅酸鹽水泥時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為：

由式（1）、式（2）、式（3）可以看出，氯離子侵蝕過程以及計(jì)算參數(shù)受混凝土材料屬性的影響，本文計(jì)算采用的材料屬性見表2。

2 氯離子侵蝕分析

2.1 侵蝕計(jì)算參數(shù)

基于上節(jié)對(duì)橋梁表面氯離子附著量的分析，可得到混凝土表面的氯離子附著量Q，從而推算出橋體表面的氯離子擴(kuò)散通量W值，計(jì)算公式由日本學(xué)者山田義智［11］提出：

式中：W為混凝土表面的氯離子擴(kuò)散通量（mg／cm2·年）；m為面積飽和率（＝（0.526w／c-7.61）／57.4），w／c為混凝土材料的水灰比；k為比例系數(shù)；V0為單位時(shí)間的氯離子脫離量（mg／cm2·年）；Q為氯離子附著量（mg／cm2·年）。

表2 混凝土材料屬性Tab.2 Properties of concretematerials

2.2 結(jié)果分析

本文選取迎風(fēng)面14號(hào)平面和背風(fēng)面22號(hào)平面進(jìn)行具體分析，確定混凝土內(nèi)部氯離子濃度隨距暴露面的距離以及暴露時(shí)間的關(guān)系。并計(jì)算橋體各位置處的鋼筋發(fā)生銹蝕的時(shí)間。

1.氯離子滲透分析

圖8為混凝土中氯離子濃度與距暴露面距離和暴露時(shí)間的關(guān)系，暴露時(shí)間為t＝0.5年、1年、1.5年，每隔Δx＝5mm計(jì)算一次氯離子濃度，距離限制設(shè)為xmax＝60mm，即鋼筋表面處。

由圖8a和圖8b對(duì)比來看，橋體不同位置處的氯離子侵蝕程度各不相同，同一深度處的氯離子濃度隨表面氯離子附著量的增大而增大；混凝土中氯離子的滲透深度隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸加深，對(duì)于14號(hào)平面，暴露時(shí)間為0.5年，侵蝕深度達(dá)25mm，而當(dāng)暴露時(shí)間達(dá)1.5年時(shí)，侵蝕深度為35mm；同時(shí)氯離子濃度隨距暴露面距離的增加而逐漸減小，并且隨深度的增加，氯離子濃度衰減曲線也逐漸平緩。可見加大混凝土保護(hù)層的厚度可以有效減緩鋼筋的銹蝕程度。

圖8 氯離子濃度-深度圖Fig.8 Chloride ion concentration-depth

2.鋼筋銹蝕分析

圖9為鋼筋表面氯離子濃度隨時(shí)間變化關(guān)系，計(jì)算位置距暴露面x＝60mm（即鋼筋表面處），計(jì)算時(shí)間間隔Δt＝0.25年。

由圖9中的臨界濃度指當(dāng)鋼筋表面處的氯離子濃度達(dá)到此值時(shí)，鋼筋開始銹蝕。本文采用日本土木學(xué)會(huì)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)里鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的推薦值，數(shù)值為1.2kg／m3。

由圖9可以看出，橋體迎風(fēng)面和背風(fēng)面處鋼筋的銹蝕發(fā)生時(shí)間差距較大，主要是橋體形狀導(dǎo)致迎風(fēng)面氯離子附著量遠(yuǎn)大于背風(fēng)面，使得迎風(fēng)面的鋼筋先發(fā)生銹蝕。由圖9可得出，橋體迎風(fēng)面在暴露6.5年后就出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，此時(shí)橋體背風(fēng)面鋼筋處的氯離子濃度僅為0.45kg／m3，背風(fēng)面直到暴露第10年才出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

圖9 氯離子濃度-時(shí)間圖Fig.9 Chloride ion concentration-time

鹽霧區(qū)的混凝土受氯離子侵蝕程度受暴露時(shí)間的影響較大，在暴露初期，氯離子還未滲透到鋼筋表面，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼筋處的氯離子濃度逐漸增大至鋼筋的銹蝕臨界濃度；且鋼筋處氯離子濃度的增長(zhǎng)速率隨表面氯離子附著量的增大而增大。

現(xiàn)將橋體各位置的鋼筋侵蝕發(fā)生時(shí)間列入表3進(jìn)行對(duì)比分析，其中（／）表示在設(shè)計(jì)使用年限50年內(nèi)不會(huì)發(fā)生破壞。

表3 鋼筋銹蝕發(fā)生時(shí)間（單位：年）Tab.3 Corrosion time of steel reinforcement（unit：a）

由表3可以看出，橋體各位置處的鋼筋銹蝕發(fā)生時(shí)間有較大的差別，且當(dāng)混凝土材質(zhì)一致時(shí)，銹蝕發(fā)生時(shí)間隨表面的氯離子附著量的增大而提前。鋼筋銹蝕發(fā)生時(shí)間較早的是1號(hào)、8號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、17號(hào)以及19號(hào)平面，在氯離子附著的第6.5年至第7.5年間開始出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，其中橋體迎風(fēng)面的14號(hào)平面最早出現(xiàn)鋼筋銹蝕，對(duì)比圖7可發(fā)現(xiàn)，混凝土表面氯離子附著量越大的位置，越早出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。下表面18號(hào)平面以及背風(fēng)側(cè)21號(hào)平面在使用年限內(nèi)較為安全。橋體上表面的橋面處3號(hào)、7號(hào)、11號(hào)平面在鹽霧作用下基本不會(huì)產(chǎn)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象，但是在橋梁實(shí)際使用過程中由于除冰鹽的使用，導(dǎo)致橋面也會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕破壞。

3 結(jié)論

本文通過使用CFX軟件對(duì)鹽霧環(huán)境下橋梁表面氯離子顆粒附著情況進(jìn)行模擬，并通過優(yōu)化Fick第二定律計(jì)算橋體各位置的氯離子侵蝕程度。得到以下結(jié)論：

1.鹽霧環(huán)境下，橋體形狀對(duì)橋體表面的氯離子附著量分布有顯著影響。受路肩遮擋的橋面位置氯離子附著量要明顯低于其他位置。

2.橋體迎風(fēng)側(cè)的氯離子附著量遠(yuǎn)高于背風(fēng)面。橋體迎風(fēng)面的氯離子附著量為24.82mg／dm2／day，而背風(fēng)面氯離子附著量?jī)H為 1.52mg／dm2／day。

3.鹽霧環(huán)境下，混凝土中的氯離子濃度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸加大，增長(zhǎng)速率越來越快；隨深度的增加而逐漸減小，衰減曲線逐漸平緩。

4.橋體不同位置處的鋼筋銹蝕發(fā)生時(shí)間差距較大，橋體迎風(fēng)面在氯離子附著開始第6.5年出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，橋體背風(fēng)面在氯離子附著開始后第10年才出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

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