不同措施對熱帶海洋砼結(jié)構(gòu)服役壽命的影響

譚永山 余紅發(fā) 梅其泉 麻海燕 馮滔滔

摘 要：海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于長期受到海洋鹽霧大氣、浪濺與潮汐、高溫等環(huán)境因素作用，大量氯離子侵入混凝土中，致使結(jié)構(gòu)中的鋼筋嚴(yán)重銹蝕，從而使混凝土結(jié)構(gòu)難以達(dá)到50年的設(shè)計壽命要求.本文基于修正的氯離子擴(kuò)散理論與可靠度理論，通過南海實際工程來探討一些結(jié)構(gòu)措施和附加措施對海工混凝土服役壽命的影響.結(jié)果表明：增大結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度能有效延長結(jié)構(gòu)的服役壽命.對混凝土結(jié)構(gòu)施加一定的附加防護(hù)措施，也能夠有效地延長混凝土結(jié)構(gòu)在熱帶海洋環(huán)境下的服役時間.最有效的附加防護(hù)措施是采用不銹鋼鋼筋，但是價格太高而應(yīng)用受限，比較適用的是硅烷外涂或者使用阻銹劑，但對于一維結(jié)構(gòu)而言僅僅使用其中一種并不能保證結(jié)構(gòu)50年的設(shè)計壽命.

關(guān)鍵詞：熱帶海洋地；混凝土結(jié)構(gòu)；附加措施；耐久性；服役壽命；可靠度

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Due to the long-term corrosion affected by environmental factors， such as sea salt spray， wave-splashing and tidal， a lot of chloride ions in concrete lead to a serious corrosion in marine reinforced concrete structure.As a result， the marine concrete structure is difficult to meet the requirement of 50 years for design service life. In the present work， based on the chloride ion diffusion theory and reliability theory， the effects of structural measures and additional measures on the service life of practical structure in the South China Sea were discussed. The results indicate that the thicker concrete cover thickness can effectively extend the service life of concrete structure. Besides， additional measures also can extend the service life of the structure in tropical marine environment， the most effective method is to use stainless steel instead of ordinary reinforced steel， and however， the high price of stainless steel will limit its application. Compared with other kinds of additional measures，coated with silicone or adding corrosion inhibitor is an effective measure to marine concrete structure. But only one additional measure was used in one dimensional concrete structure that cannot meet the requirement of 50 years of designed service life.

Key words：tropical ocean areas； concrete structure； additional measures； durability； service life； reliability

近幾十年，海洋環(huán)境下的海工結(jié)構(gòu)成為研究的熱點，跨海大橋、港口等日益增多.這些結(jié)構(gòu)處在海洋環(huán)境中比一般環(huán)境更容易腐蝕.美國俄勒岡州于30年代在Alsae海灣上修建的多拱大橋，建成后不久，由于大量氯離子侵入混凝土內(nèi)部，鋼筋出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，只得拆除、重建[1-2].其實，在熱帶海洋環(huán)境下，建構(gòu)筑物的壽命普遍不足50年，一般僅20年左右.

由于海洋環(huán)境非常惡劣，要使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到50年壽命要求，一般需要采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)附加措施.通常可以歸納為以下幾類：采用不銹鋼鋼筋、鋼筋防腐涂層、混凝土表面防護(hù)措施、摻加阻銹劑、采用FRP筋和陰極保護(hù).

不銹鋼鋼筋是通過提高鋼筋中鉻的含量，同時添加鎳、鉬等其他合金元素來提高鋼筋的防腐性能.不銹鋼筋焊縫的臨界氯離子含量可達(dá)到水泥質(zhì)量的3.5%[3]，折合混凝土質(zhì)量的0.7%.

環(huán)氧樹脂涂層是在普通鋼筋表面以靜電方式噴涂環(huán)氧樹脂粉末，粉末在鋼筋表面固化，從而形成一層致密且耐腐蝕的防腐層，延緩了鋼筋的起銹時間，目前應(yīng)用最廣泛[4].

硅烷噴涂是混凝土表面防護(hù)的一種重要措施.利用硅烷特殊的小分子結(jié)構(gòu)，使其能滲入混凝土毛細(xì)孔壁內(nèi)，并與水化的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成羥基團(tuán)，從而在混凝土和毛細(xì)管孔隙的表面上生成了一層憎水處理層，進(jìn)而防止硫酸根離子、氯離子等有害物質(zhì)的滲入混凝土內(nèi)部，此方法也可以使混凝土材料的耐腐蝕性能得到顯著提高[5].

摻加阻銹劑被認(rèn)為是較經(jīng)濟(jì)有效的措施.目前在工程中應(yīng)用最為廣泛的是亞硝酸鈣.調(diào)查表明，在混凝土內(nèi)部摻加適量的亞硝酸鹽等阻銹劑，鋼筋發(fā)生銹蝕的混凝土臨界自由氯離子含量一般會提高4～5倍.當(dāng)亞硝酸鹽與氯離子的比例在0.5～1之間時防銹效果最明顯[6].

纖維增強(qiáng)塑料（FRP）筋主要分為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）筋和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋[7].FRP筋防腐蝕性能優(yōu)越，能有效地保證結(jié)構(gòu)的耐久性能.CFRP的主要成分是碳纖維，由于碳的化學(xué)性能非常穩(wěn)定，因此在FRP筋中，CFRP筋的抗腐蝕性能最好.然而對于GFRP筋而言，由于其在堿性環(huán)境下力學(xué)性能退化較明顯，并且在海水及鹽溶液中耐久性存在一定的降低傾向[8]，對于南海這種環(huán)境較嚴(yán)酷的地方是不適用的.

工程實踐表明，在混凝土結(jié)構(gòu)中采用陰極保護(hù)，能夠有效阻止氯離子侵蝕，從而防止鋼筋發(fā)生銹蝕.陰極保護(hù)的原理是氯離子臨界濃度會隨著鋼筋電化學(xué)電位的下降而下降.使得氯離子在保護(hù)層中的滲透受到抑制，從而降低了氯離子的擴(kuò)散速率，以此保證了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[9].

針對海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差的問題，為確保海工混凝土結(jié)構(gòu)具有較長的服役壽命，制定科學(xué)合理的耐久性方案和措施已刻不容緩.本文基于修正的氯離子擴(kuò)散理論與可靠度理論，通過對南海某島兩個典型的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在5%和10%鋼筋銹蝕概率情況下的服役壽命進(jìn)行分析計算.分析了多種附加防腐蝕措施對于延長熱帶海洋大氣環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕時間的效果.為了確保熱帶海洋大氣環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)50年的服役壽命，提出了延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的綜合技術(shù)措施.

1 理論及壽命分析模型

1.1 海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴(kuò)散理論

1.1.1 混凝土氯離子擴(kuò)散的Fick第二定律

根據(jù)1997年Hooton等[10]的研究，氯離子進(jìn)入暴露在氯鹽環(huán)境下的混凝土內(nèi)部有至少6種機(jī)制.分別為吸附、擴(kuò)散、結(jié)合、滲透、毛細(xì)作用以及彌散等.其中最主要的方式是擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)作用.為簡單起見，我們將混凝土中氯離子的各種遷移機(jī)制統(tǒng)稱為“表觀擴(kuò)散”.將Fick第二擴(kuò)散定律作為描述氯離子在混凝土中表觀擴(kuò)散行為的基礎(chǔ)是由Collepardi等[11-12]提出.Fick第二定律的擴(kuò)散方程為：

式中： t是時間； c為氯離子含量； x為距表面的距離； D是氯離子擴(kuò)散系數(shù).初始條件時t=0，x>0時，c=c0；邊界條件為x=0，t>0時，c=cs.

經(jīng)典Fick第二擴(kuò)散定律并沒有考慮混凝土的實際條件：混凝土的氯離子結(jié)合能力及氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時間依賴性、表面氯離子含量的時間依賴性以及混凝土在使用過程中的劣化效應(yīng).

Mangat等[13]發(fā)現(xiàn)，對于實際條件的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露時間有關(guān).Thomas等[14]用下式表示了氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時間依賴性：

式中： D0和Dt分別是擴(kuò)散時間為t0和t時混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m是時間依賴性常數(shù).

Amey等[15]發(fā)現(xiàn)混凝土表面的氯離子含量隨暴露時間變化，并推導(dǎo)出了在線性關(guān)系Cs=kt和冪函數(shù)關(guān)系Cs=kt1/2（k為常數(shù)）條件下的離子擴(kuò)散模型公式.Kassir等[16]由實驗得出混凝土暴露表面的氯離子含量與時間的指數(shù)關(guān)系：Cs=Cs0（1-e-at）.

余紅發(fā)等[17]在理論建模時，為了描述各種因素對氯離子擴(kuò)散作用的影響，采用了一個綜合劣化效用系數(shù)K，那么非均勻性混凝土的等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)De表示如下：

式中： Dt為均勻性混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；K值是反映混凝土在實際使用過程中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)和實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件下的比值，

混凝土的氯離子結(jié)合能力R是由Nilsson等[18]定義：

式中：cf和cb分別是混凝土的自由氯離子含量和結(jié)合氯離子含量.

Tuutti[19]、Arva等[20]和余紅發(fā)[17]進(jìn)一步的研究表明，混凝土的氯離子吸附關(guān)系主要為線性吸附：

1.1.2 混凝土氯離子擴(kuò)散新方程

余紅發(fā)等[17]基于混凝土的實際情況，借助文獻(xiàn)[21]和[22]，經(jīng)過推導(dǎo)得出了同時考慮混凝土氯離子的結(jié)合能力、擴(kuò)散系數(shù)隨時間的變化以及結(jié)構(gòu)缺陷影響的氯離子擴(kuò)散新方程[17]：

再結(jié)合初始以及邊界條件，可以得到氯離子擴(kuò)散的理論模型如下：

1.1.3 二維氯離子擴(kuò)散理論齊次模型

上述的氯離子擴(kuò)散理論模型是基于半無限大體的一維擴(kuò)散問題，但是在實際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中如梁柱等二維擴(kuò)散問題沒有考慮.余紅發(fā)等[23]以混凝土擴(kuò)散新方程為基礎(chǔ)，基于1/4無限大的混凝土結(jié)構(gòu)來研究二維擴(kuò)散問題.擴(kuò)散方程如下：

將此時的邊界條件齊次化，再根據(jù)Newman乘積解定理[24]，同時考慮混凝土氯離子的結(jié)合能力、擴(kuò)散系數(shù)隨時間的變化以及結(jié)構(gòu)缺陷影響，可以得到二維1/4無限大體氯離子擴(kuò)散理論齊次模型[24]如下：

1.2 基于可靠度與氯離子擴(kuò)散理論的鋼筋混凝土

結(jié)構(gòu)服役壽命分析方法

可靠度計算方法有多種，本文主要采用均值一次二階矩法來進(jìn)行計算.一次二階矩法就是只利用隨機(jī)變量的前二階矩去求解結(jié)構(gòu)可靠度的方法.這類方法需要將功能函數(shù)在某點用 Taylor級數(shù)展開然后取其常數(shù)項和一次項，再通過數(shù)理統(tǒng)計直接計算結(jié)構(gòu)的可靠度，故稱為一次二階矩法.這種方法的關(guān)鍵是求出功能函數(shù)對各個隨機(jī)變量的偏導(dǎo)數(shù).

2 典型結(jié)構(gòu)所處環(huán)境及其基本參數(shù)

2.1 環(huán)境介紹

眾所周知，南海是我國南部的陸緣海，常年受到熱帶海洋季風(fēng)氣候的影響，氣候條件復(fù)雜，年平均氣溫在29 ℃左右，這些環(huán)境因素可以加速南海島礁的混凝土結(jié)構(gòu)的劣化.溫度對混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的影響，主要體現(xiàn)在對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.根據(jù)Nernst-Einstein方程，當(dāng)溫度從20 ℃提高到30 ℃時，材料擴(kuò)散系數(shù)可以增加一倍，故很多結(jié)構(gòu)的使用壽命非常短，不能滿足耐久性的要求.本文主要研究兩種典型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及可靠度分析.圖1為南海某島礁混凝土結(jié)構(gòu)破壞照片.

某建筑物A的墻體是一個接近于平面的一維結(jié)構(gòu)，對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度分析研究時，運用的是修正的一維氯離子擴(kuò)散模型.而對車庫的立柱而言，是典型的框架柱結(jié)構(gòu)，故采用修正的二維氯離子擴(kuò)散模型來進(jìn)行可靠度分析.

2.2 結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

兩種典型混凝土結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表1所示，均采用C20普通混凝土.

2.3 模型計算參數(shù)

本文中混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測模型所需要的計算參數(shù)是余紅發(fā)等[25]在南海某島礁實測與調(diào)研所得.參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示，表2中參數(shù)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[25].臨界氯離子濃度作為壽命分析的重要參數(shù)，影響因素有很多，例如混凝土組分、環(huán)境條件等都會對其造成差異.具體環(huán)境下的臨界值很難測得，實際工程在設(shè)計分析時通常采用一個統(tǒng)計值作為臨界氯離子濃度，結(jié)合大量文獻(xiàn)以及工程數(shù)據(jù)，最終選取混凝土臨界氯離子濃度Ccr為0.05%（混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.

3 分析計算

3.1 保護(hù)層厚度對混凝土結(jié)構(gòu)的影響

圖2是熱帶海洋環(huán)境下某建筑物A在不同的保護(hù)層厚度情況下鋼筋銹蝕概率與可靠度指標(biāo)的計算結(jié)果.由圖可見，隨著服役時間的增長，鋼筋銹蝕概率呈增長趨勢，可靠度指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢.且隨著結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度的增加，相同服役時間的情況下鋼筋的銹蝕概率在降低，可靠度指標(biāo)在上升.當(dāng)保護(hù)層的厚度為40 mm時，鋼筋銹蝕概率在5%情況下的服役壽命為85年，可以滿足結(jié)構(gòu)50年的壽命要求，當(dāng)保護(hù)層厚度為30mm時，則無法達(dá)到服役壽命要求.然而，混凝土保護(hù)層厚度也不宜過大，否則由于混凝土材料本身發(fā)生收縮，將會導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂，反而削弱其對鋼筋的保護(hù)作用.

圖3是熱帶海洋環(huán)境下車庫鋼筋混凝土立柱在迎風(fēng)面與背風(fēng)面兩種情況下鋼筋銹蝕概率與可靠度指標(biāo)的計算結(jié)果.圖中可以得出與某建筑物A類似的結(jié)論.由圖可見，當(dāng)保護(hù)層的厚度為40 mm時，鋼筋銹蝕概率在5%情況下的迎風(fēng)面與背風(fēng)面的服役壽命均為60年左右，可以滿足50年壽命要求，保護(hù)層厚度為30 mm則無法滿足這一要求.此外，在同一銹蝕概率條件下，迎風(fēng)面相對于背風(fēng)面的服役壽命較長，這主要是由于背風(fēng)面積累了大量鹽霧，導(dǎo)致混凝土表面氯離子濃度更高，因此其服役時間縮短.

綜上所述，增大混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度，可以大幅度提升混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命.同時，比較圖2與圖3可以看出，保護(hù)層厚度改變對一維結(jié)構(gòu)的影響比對二維結(jié)構(gòu)的影響要大.

3.2 附加措施對一維混凝土結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 采用不銹鋼筋（或環(huán)氧樹脂涂層）的影響

若在混凝土內(nèi)部采用不銹鋼筋替代普通鋼筋，鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度將明顯增加.大量工程實踐表明，若采用304奧式體不銹鋼筋替換普通鋼筋，臨界氯離子濃度至少增加至混凝土質(zhì)量的0.7%，我們以此作為計算依據(jù).圖4為結(jié)構(gòu)墻體的第一排主筋替換成304奧氏體不銹鋼筋（替換率為71%）時鋼筋銹蝕概率、可靠度指標(biāo)與服役時間之間的關(guān)系.由圖可以看出，若保護(hù)層厚度為20 mm，普通鋼筋在5%和10%兩種銹蝕概率條件下的服役時間分別為1年和2年，而304奧氏體不銹鋼筋的計算結(jié)果表明這些不銹鋼筋在500年內(nèi)是不會發(fā)生銹蝕.由此可見，換用不銹鋼筋（或環(huán)氧樹脂涂層）能明顯提高混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間.然而，由于不銹鋼的成本過高，將會限制其在一般混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.

3.2.2 結(jié)構(gòu)表面涂覆涂層的影響

硅烷屬于滲透性涂層，當(dāng)其滲入混凝土內(nèi)部時，能夠在一定程度上減小混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及表面氯離子含量.研究表明，硅烷表面涂層滲透厚度達(dá)到0.5～2 mm以后，自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)至少會降低30%，表面自由氯離子含量至少會降低50%[26].圖5為結(jié)構(gòu)表面涂刷0.5～2 mm硅烷與未涂刷硅烷的鋼筋銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果.由圖可見，若保護(hù)層厚度為20 mm，結(jié)構(gòu)表面未涂刷硅烷時，5%和10%兩種銹蝕概率條件下混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間分別為1年和2年，而涂刷硅烷后5%和10%銹蝕概率條件下混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間分別為16年和27年.由此可見，結(jié)構(gòu)表面涂刷硅烷可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間.

3.2.3 摻加阻銹劑的影響

海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)，若在混凝土內(nèi)部摻加適量阻銹劑，則可以增加鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度，從而延長服役壽命.亞硝酸鹽阻銹劑作為一種常用阻銹劑，在使用過程中，亞硝酸鹽會緩慢流失，并且在鋼筋銹蝕過程中，部分亞硝酸鹽會被消耗掉，因而臨界氯離子濃度會降低.在分析摻加阻銹劑條件下混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命時，我們假定初始臨界自由氯離子含量為0.2%，30年以后降低到0.15%，而服役時間至50年以后它的值進(jìn)一步降低到0.1%[6]，某建筑物A鋼筋的服役壽命計算結(jié)果見圖6.對C20普通混凝土，保護(hù)層厚度為20 mm時，鋼筋銹蝕概率為5%時使用阻銹劑前后的服役壽命分別為1年和28年；鋼筋銹蝕概率為10%時使用阻銹劑前后的服役壽命分別為2年和42年；由此可見，使用阻銹劑也能大幅提高鋼筋的服役壽命，但是仍然滿足不了50年的壽命要求，因此在混凝土內(nèi)部摻加阻銹劑時還需要結(jié)合其他的防護(hù)措施.

3.3 附加措施對二維混凝土結(jié)構(gòu)的影響

以上所有分析結(jié)果都是對于一維的混凝土結(jié)構(gòu)例如港口、防波堤等.對于二維結(jié)構(gòu)，例如框架柱，施加附加措施時對服役壽命的影響如何？圖7是利用南海調(diào)研數(shù)據(jù)以及二維擴(kuò)散理論模型在采用不銹鋼筋、使用硅烷涂層、使用阻銹劑三種情況下的可靠度分析比較.從圖中可以看出，對立柱等二維結(jié)構(gòu)施加附加措施都能延長其服役壽命，可以滿足50年的壽命設(shè)計要求.其中，使用不銹鋼鋼筋的效果最好；若結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命為50年，選用阻銹劑最為經(jīng)濟(jì)實用.若為100年，選用硅烷涂層相對效果更好.

4 結(jié) 論

1）南海由于其獨特的氣候環(huán)境條件，混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命往往很短，適當(dāng)增加保護(hù)層的厚度能明顯延長混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間；

2）采用不銹鋼筋替換普通鋼筋可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，且效果非常明顯.但是不銹鋼的高成本從而限制了其廣泛的應(yīng)用；

3）對于一維結(jié)構(gòu)而言，表面涂刷硅烷可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的服役時間，涂刷硅烷后鋼筋銹蝕概率為5%和10%時的服役時間分別為16年和27年.同時使用阻銹劑也能大幅提高鋼筋的服役壽命，但仍然滿足不了50年的壽命要求，還需要采用其他的防護(hù)措施.

4）對于二維結(jié)構(gòu)而言，施加任何一種附加措施都能保證結(jié)構(gòu)50年甚至100年的服役壽命要求，若結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命為50年，選用阻銹劑最為經(jīng)濟(jì)實用.若為100年，選用硅烷涂層相對效果更好.

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