氯鹽侵蝕環(huán)境下圓形截面混凝土構(gòu)件服役壽命分析與配合比選擇

周 明，涂勁松，趙家琦，葛清蘊(yùn)，卞 祝

氯鹽侵蝕環(huán)境下圓形截面混凝土構(gòu)件服役壽命分析與配合比選擇

*周 明1，涂勁松1，趙家琦2，葛清蘊(yùn)1，卞 祝1

(1. 皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽，六安 237012；2. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西，南寧 530004)

氯離子侵蝕混凝土結(jié)構(gòu),導(dǎo)致混凝土過(guò)早發(fā)生破壞，其原因之一是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)滿足耐久性設(shè)計(jì)時(shí)忽略了結(jié)構(gòu)的外形和擴(kuò)散維數(shù)對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響?；阡摻蠲撯g的臨界氯離子濃度，提出了圓形截面氯離子侵蝕的耐久性服役壽命計(jì)算方法。開(kāi)展了耐久性正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)服役壽命定量計(jì)算，可以對(duì)圓形截面構(gòu)件混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇。通過(guò)算例分析混凝土構(gòu)件的服役壽命，結(jié)果表明圓形截面構(gòu)件相對(duì)于矩形截面構(gòu)件具有更好的耐久性，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，采用圓形截面構(gòu)件可以增加滿足耐久性的混凝土配合比方案，減小混凝土配置難度，降低建造成本。

混凝土；氯離子；耐久性；圓形截面

0 前言

處于氯離子環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)特別是海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)等，常因?yàn)榛炷林械匿摻钿P蝕而發(fā)生過(guò)早的腐蝕損壞[1]，其危害將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

從Collepardi M等[2]根據(jù)物質(zhì)擴(kuò)散理論提出氯離子的擴(kuò)散控制方程，世界各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了混凝土中氯離子擴(kuò)散及抗氯離子侵蝕耐久性的研究，何亞伯等[3]、張敏杰等[4]、朱海威等[5]各國(guó)學(xué)者研究了混凝土中摻和高性能礦物摻合料對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕耐久性的影響。數(shù)值分析方法方面，施養(yǎng)杭等[6]利用有限差分法分析了混凝土中一維氯離子擴(kuò)散規(guī)律和耐久性服役壽命；楊綠峰等[7]引入了有限元法、楊綠峰等[8]引入邊界元法研究了混凝土中氯離子的擴(kuò)散和分布規(guī)律規(guī)律，并進(jìn)一步考慮擴(kuò)散的隨機(jī)性研究了氯離子擴(kuò)散的隨機(jī)特性。世界各國(guó)及組織建立了氯離子侵蝕環(huán)境中混凝土耐久性設(shè)計(jì)的規(guī)范和章程，然而依據(jù)相應(yīng)的規(guī)程開(kāi)展設(shè)計(jì)而建造的混凝土結(jié)構(gòu)特別是海洋建筑的腐蝕破壞現(xiàn)象仍然存在。建筑結(jié)構(gòu)的形式和擴(kuò)散維數(shù)的影響特別是圓形截面的氯離子擴(kuò)散分布規(guī)律及服役壽命分析，還沒(méi)有引起應(yīng)有的重視，從而導(dǎo)致有些結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)早的破壞。因此，在結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)或服役壽命預(yù)測(cè)時(shí)有必要考慮氯離子的擴(kuò)散維數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的影響。但是，目前常見(jiàn)的一維、二維擴(kuò)散服役壽命模型都不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)圓形截面構(gòu)件的服役壽命，因此有必要開(kāi)展圓形截面的服役壽命研究，為圓形截面的混凝土配制和耐久性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕過(guò)程主要分為腐蝕誘導(dǎo)期、腐蝕發(fā)展期和腐蝕破壞期三個(gè)階段[9]。由于腐蝕發(fā)展期和腐蝕破壞期相對(duì)腐蝕誘導(dǎo)期是一段非常短的時(shí)間[10]，并且依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 50476—2008》附錄A對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)的規(guī)定，為結(jié)構(gòu)安全起見(jiàn)，取鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕時(shí)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性終點(diǎn)。因此將腐蝕誘導(dǎo)期即鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界氯離子濃度的時(shí)間作為混凝土構(gòu)件的服役壽命終點(diǎn)。開(kāi)展了耐久性正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)矩形截面和圓形截面構(gòu)件的服役壽命分析16組配合比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定某橋梁滿足耐久性要求所需的配合比。最后，通過(guò)算例分析結(jié)構(gòu)的形式對(duì)耐久性設(shè)計(jì)及配合比的確定等具有較大的影響，使用合適的服役壽命模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性服役壽命，從而一定程度上降低了建造的成本，減小設(shè)計(jì)難度。

1 基于混凝土臨界氯離子濃度的定值法服役壽命

當(dāng)服役年限為T時(shí)，混凝土中保護(hù)層厚度處的氯離子濃度C達(dá)到鋼筋脫鈍的臨界濃度cr，即：

C=cr(1)

混凝土中的鋼筋開(kāi)始腐蝕，認(rèn)為T為混凝土達(dá)到服役的耐久性年限。

基于文獻(xiàn)[12]傳統(tǒng)一維、二維氯離子擴(kuò)散解析解，推導(dǎo)得到傳統(tǒng)一維、二維氯離子擴(kuò)散服役壽命1D、2D分別為：

式中，為鋼筋的保護(hù)層厚度（mm）;cr為臨界氯離子濃度（%），0為初始氯離子濃度（%）。

由于保護(hù)層處氯離子是T的單調(diào)函數(shù)，因此，基于腐蝕誘導(dǎo)期的圓形截面構(gòu)件的服役壽命T可以通過(guò)數(shù)值方法（如二分法）及圓形截面構(gòu)件中氯離子的分布規(guī)律[12]，求解下列方程的根得到：

(4)

2 耐久性正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 耐久性正交實(shí)驗(yàn)原材料

原材料水泥采用PII 42.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料中砂，表觀密度為2560 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.7；粗骨料碎石，表觀密度為2590 kg/m3，粒徑范圍5-31.5 mm，連續(xù)級(jí)配；外加劑聚羧酸系高效減水劑，固含量為18.94%；根據(jù)ASTM C1202標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試6小時(shí)電通量，表1為混凝土的水膠比、粉煤灰和礦渣摻量及養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)6 h電通量試驗(yàn)結(jié)果。

楊綠峰等[13]研究認(rèn)為電通量和擴(kuò)散系數(shù)之間存在的關(guān)系為：

式中，為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d混凝土ASTMC1202法測(cè)得的電通量，單位為C；為擴(kuò)散系數(shù)，單位為10-8cm2/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和配合比選擇分析

為便于分析擴(kuò)散維數(shù)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)選擇和確定結(jié)構(gòu)混凝土配合比的影響，以一確定的工程為例，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇滿足服役壽命要求的配合比。現(xiàn)有某海港碼頭承力柱，其柱截面為圓形，直徑為600 mm，采用普通鋼筋，鋼筋的保護(hù)層厚度為70 mm。通過(guò)調(diào)研表明該建筑所處環(huán)境中的其他建筑表面的氯離子濃度為0.30%，臨界氯離子濃度為0.15%，該混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)服役壽命50 a。

利用式(7)計(jì)算得到16組配合比的混凝土擴(kuò)散系數(shù)如表1所示。分別將不同組的混凝土擴(kuò)散系數(shù)代入式(4)求解直徑為600 mm的圓形構(gòu)件服役壽命T-C600，并將結(jié)果列入表1，同時(shí)將擴(kuò)散系數(shù)代入式(2)和式(3)，計(jì)算保護(hù)層厚度為70 mm時(shí)傳統(tǒng)一維、二維氯離子擴(kuò)散服役壽命T-1D、T-2D，單位為年（a）。

表1 混凝土6 h電通量測(cè)試結(jié)果和擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)值

由表1可知，混凝土水膠比和外摻料對(duì)混凝土耐久性和擴(kuò)散系數(shù)的影響較大，這是由于水膠比、礦物摻合料種類和數(shù)量對(duì)混凝土中孔隙數(shù)量和結(jié)構(gòu)有較大的影響，而混凝土的氯離子滲透性能主要與混凝土的孔隙數(shù)量和結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，通過(guò)調(diào)整混凝土的水膠比和外摻料摻量可以有效地提高混凝土的耐久性，然而對(duì)于嚴(yán)酷條件下僅僅通過(guò)調(diào)整混凝土配合比難以使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的服役壽命或者造價(jià)過(guò)高和施工難度過(guò)大。

按照8、12-16組的配合比配制的混凝土能滿足直徑為600 mm的圓形構(gòu)件服役壽命的要求，可以作為該結(jié)構(gòu)制作時(shí)采用。而使用氯離子擴(kuò)散一維模型進(jìn)行配合比篩選時(shí)，將保留了原先不能滿足該結(jié)構(gòu)耐久性的配合比，如表中的第9組，從而使耐久性設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)。此外，若使用傳統(tǒng)二維氯離子擴(kuò)散模型進(jìn)行耐久性分析與設(shè)計(jì)時(shí)，該16組配合比皆不能滿足服役壽命50年的要求，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)例如增大保護(hù)層厚度或重新設(shè)計(jì)混凝土配合比進(jìn)行篩選，這將夸大了氯離子的侵蝕作用，增加建筑設(shè)計(jì)施工難度和建造成本?？梢?jiàn)結(jié)構(gòu)的形式對(duì)耐久性設(shè)計(jì)及配合比的確定等具有較大的影響，使用合適的服役壽命模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性服役壽命，從而一定程度上降低了建造的成本，減小設(shè)計(jì)難度。

3 算例分析

算例1 某跨海大橋，設(shè)計(jì)使用年限為100 a，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段確定該橋橋墩可選的截面形式有尺寸分別為4000 mm×4000 mm的矩形截面、直徑為4000 mm的圓形截面，兩種截面形式的橋墩皆可滿足其承載力要求?，F(xiàn)要求從結(jié)構(gòu)耐久性方面來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，已知該橋梁所處環(huán)境中的其他建筑表面的氯離子濃度為0.8%，采用不銹鋼鋼筋，鋼筋脫鈍的氯離子濃度為0.50%。由于矩形截面拐角部位為二維氯離子擴(kuò)散區(qū)域，該區(qū)域常為應(yīng)力集中區(qū)域，是耐久性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位，實(shí)際工程常由于該處鋼筋的銹蝕而導(dǎo)致構(gòu)件的整體失效，因此在耐久性設(shè)計(jì)階段通常將該部位的鋼筋的初銹時(shí)刻作為矩形截面服役壽命的終點(diǎn)。本算例仍將該部位的鋼筋初銹時(shí)刻作為服役壽命的終點(diǎn)，分別取擴(kuò)散系數(shù)為2×10-8cm2/s、4×10-8cm2/s、6×10-8cm2/s。

分析確定本算例中的構(gòu)件的保護(hù)層厚度、擴(kuò)散系數(shù)限值及結(jié)構(gòu)外形，計(jì)算氯離子的分布規(guī)律，并將臨界氯離子的深度和(Dt)-1/2的關(guān)系繪制于圖1中，從而確定多組的保護(hù)層厚度、擴(kuò)散系數(shù)及外形的方案，為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)。圖中橫坐標(biāo)為(Dt)-1/2，單位為mm，縱坐標(biāo)為臨界氯離子濃度所在的深度，并據(jù)此確定滿足設(shè)計(jì)服役壽命100 a的構(gòu)件形式、鋼筋保護(hù)層厚度和擴(kuò)散系數(shù)組合，見(jiàn)表2。

圖1 氯離子濃度為0.5%所在的深度隨(Dt)-1/2的變化規(guī)律

表2 100年服役壽命下矩形和圓形截面結(jié)構(gòu)的參數(shù)限值

由圖1可知臨界氯離子濃度所在深度隨著(Dt)-1/2的增加而呈線性增加的趨勢(shì)，圓形構(gòu)件的耐久性明顯高于矩形截面；表2列出了圖1中的(Dt)-1/2限值，并計(jì)算了滿足設(shè)計(jì)服役壽命100 a時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)限值。結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了在設(shè)計(jì)構(gòu)件截面時(shí)，選擇圓形截面可以提高構(gòu)件的服役壽命，并減小混凝土配置和施工的難度，進(jìn)而降低建造成本。由于擴(kuò)散系數(shù)較小時(shí)混凝土難以配制，選取2×10-8cm2/s左右較為合適，保護(hù)層厚度較大時(shí)構(gòu)件容易開(kāi)裂，因此本算例的結(jié)構(gòu)可以選擇保護(hù)層厚度為60 mm、擴(kuò)散系數(shù)限值為2.118×10-8cm2/s的圓形截面構(gòu)件作為優(yōu)選方案。

4 結(jié)論

1）混凝土耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮混凝土的配合比參數(shù)及考慮結(jié)構(gòu)的幾何外形，提出基于鋼筋腐蝕誘導(dǎo)期的圓形截面混凝土構(gòu)件的服役壽命計(jì)算公式和方法。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與配合比選擇結(jié)果表明，考慮構(gòu)件的外形，可以增加滿足耐久性要求的多種配合比組合。

通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了在構(gòu)件進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，可以開(kāi)展構(gòu)件的幾何外形選擇，選擇圓形截面更加有利于構(gòu)件耐久性，并有效降低配合比設(shè)計(jì)的難度，降低造價(jià)。

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Study of service life and selection of mix ratio for concrete component with circular section based on critical chloride ion

*ZHOU Ming1,TU Jing-song1,ZHAO Jia-qi2，GE Qing-yun1, BIAN zhu1

(1. School of Architecture and Civil Engineering, West Anhui University, Lu'an, Anhui 237012, China；2. School of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China)

The concrete structure under chloride ion is destroyed prematurely because of the lack of durability. The reason is that the influence of structure shape and diffusion dimension on chloride ion diffusion is neglected when the structure meets the durability design. The method for calculating the durability service life of circular section under chloride ion erosion is proposed based on the critical chloride ion concentration . The orthogonal test of durability is carried out and the concrete mix ratio of circular section members can be selected by quantitative calculation of service life. Furthermore, efforts are made through giving examples in analysis of the distribution rule of chlorine ion contained in the circular section members. The results show that circular section members have better durability than rectangular section members. Therefore, it concludes that the circular section member is more durable than rectangular section member. The circular section members can increase the concrete mix ratio to meet the durability, reduce the difficulty of concrete configuration and reduce the construction cost.

concrete; chloride ion; durability; circular section

TU528.01

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.05.015

1674-8085(2019)05-0077-05

2019-02-24；

2019-05-16

安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2018A0415，KJ2018A0412，KJ2016A743）

*周 明(1985-)，男，安徽蕪湖人，講師，博士，主要從事混凝土耐久性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研究(E-Mail:zmwxxy123@163.com);

涂勁松(1977-)，男，安徽六安人，副教授，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)耐久性及建筑BIM技術(shù)研究(E-Mail:67256872@qq.com);

趙家琦(1986-)，男，河南修武人，博士生，主要從事海洋混凝土耐久性設(shè)計(jì)研究 (E-Mail:zjq626@outlook.com);

葛清蘊(yùn)(1979-)，女，山東臨沂人，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究(E-Mail:55811560@qq.com);

卞 祝(1987-)，女，安徽六安人，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究(E-Mail:450927314@qq.com).