環(huán)境與荷載耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化規(guī)律

羅 霆

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

通明海特大橋是東海島至雷州高速公路的控制性工程，主橋為146m+338m+146m雙塔三跨雙索面組合梁斜拉橋，設(shè)計使用壽命100年。通明海特大橋?qū)儆谔卮罂绾蛄海摌蛭挥趶V東南部沿海熱帶海洋季風區(qū)，其所處的高溫、高濕、高腐、強風環(huán)境嚴重影響結(jié)構(gòu)耐久性，為該橋的設(shè)計提出了考驗。

圖1 項目線位

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外專家、學者對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在單一因素作用下的耐久性問題進行了大量研究，形成了許多學術(shù)界公認的結(jié)論和經(jīng)驗公式。然而現(xiàn)實中的橋梁結(jié)構(gòu)是同時受內(nèi)外荷載、溫度、腐蝕等多因素作用的,國內(nèi)外科研人員越來越重視荷載與環(huán)境耦合作用下的混凝土耐久性研究，形成了一系列成果，但總體還存在以下不足：

(1)外荷載的施加方法與外加應(yīng)力水平的選擇代表性不足，沒有考慮實際工程結(jié)構(gòu)的受力情況，僅從理論研究的角度設(shè)計荷載試驗，部分實驗研究對象是卸載以后的混凝土試件，未能充分考慮荷載與環(huán)境侵蝕的耦合效應(yīng)。

(2)研究僅限于室內(nèi)試驗，缺乏對實際工程長期耐久性的了解。多數(shù)研究成果僅得出外加應(yīng)力水平對混凝土抗氯離子滲透性能的定性表述，無法建立快速試驗與實際工程長期耐久性之間的定量關(guān)系。

2 橋區(qū)腐蝕介質(zhì)情況

通明海特大橋橋區(qū)海域的腐蝕介質(zhì)、pH值等試驗數(shù)據(jù)見表1。橋區(qū)的海水及地下水中的氯離子含量約為2 300mg/L～19 000mg/L，硫酸根離子約為320mg/L～3 050mg/L，鎂離子約為171～1 250mg/L，pH值為6.99～9.38，其中海水中的氯離子、鎂離子、硫酸根離子等均高于地下水，pH值約為9.12～9.38，呈弱堿性。

表1 橋區(qū)海域水質(zhì)分析 (單位：mg/L)

通明海特大橋主要混凝土構(gòu)件的環(huán)境分區(qū)見表2。

表2 主要混凝土構(gòu)件環(huán)境分區(qū)

3 材料與試驗方法

3.1 原材料與混凝土配合比

采用P.II42.5水泥，I級粉煤灰，S95級磨細礦渣粉；細骨料為河砂，細度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.63g/cm3；粗骨料為5～20mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2.71 g/cm3；減水劑為JB-ZSC高性減水劑。

采用現(xiàn)場墩柱高性能混凝土配合比，配合比見表3。

表3 墩柱高性能混凝土配合比 (單位kg/m3)

3.2 試驗方法

3.2.1 混凝土粉樣制取及氯離子含量測試

本試驗過程中，混凝土取粉直徑不小于60mm(大于骨料最大粒徑的3倍)，取粉深度根據(jù)暴露時間設(shè)置，理論上取粉深度應(yīng)到達氯離子最深侵入深度。采用中交四航工程研究院有限公司開發(fā)的硬化混凝土自動取粉機制取，該設(shè)備磨取的粉樣，可實現(xiàn)公稱直徑0.16mm篩的通過率99%以上。

用硝酸銀溶液(濃度0.02mol/L)作為滴定溶液，采用自動電位滴定儀測定氯離子含量。

(1)

式中：Ct為氯離子質(zhì)量占比；V為滴定終點時的硝酸銀溶液用量(單位：ml)；g為試驗用混凝土樣品的質(zhì)量(單位：g)。

3.2.2 壓荷載加載試驗

施加壓荷載的裝置組成如圖2所示。將混凝土試塊(10cm×10cm×30cm)放入裝置內(nèi)，施加荷載時由千斤頂擠壓滑動螺栓，壓力通過碟形彈簧傳導至試塊上，當壓荷載達到指定大小時，擰緊反力螺母，鎖定彈簧形變，從而實現(xiàn)持續(xù)、恒定的施壓。

圖2 混凝土加壓裝置

4 典型構(gòu)件荷載應(yīng)力水平分析

通過對通明海特大橋進行數(shù)值計算，計算面板、塔柱、墩身等典型結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力水平，作為室內(nèi)試驗時混凝土樣品荷載應(yīng)力水平選取的依據(jù)。試驗結(jié)果見表4。

表4 主橋各構(gòu)件應(yīng)力水平(單位：MPa)

根據(jù)表4可知，主橋主塔、面板及墩柱混凝土均承受壓荷載，其中主塔承受的壓荷載相對較大，面板次之，墩柱最小，但最大壓荷載應(yīng)力水平均小于0.40。本次加載試驗的應(yīng)力標準選擇考慮涵蓋最大荷載應(yīng)力水平(約0.36)，同時選取零應(yīng)力狀態(tài)下的試件作為參照，故而選取0、0.2、0.4和0.6倍的抗壓強度這4種應(yīng)力水平作為目標應(yīng)力。

5 荷載對混凝土中氯離子擴散性能的影響

5.1 荷載對混凝土中氯離子分布的影響

加載后的混凝土構(gòu)件在海水模擬試驗箱的浪濺區(qū)開展90d試驗后，取出并測試不同壓荷載應(yīng)力水平下混凝土中氯離子的分布情況，如圖3及表5所示。

圖3 不同壓荷載應(yīng)力水平下混凝土中氯離子濃度

表5 不同壓荷載應(yīng)力水平下混凝土中氯離子濃度

從圖3及表5可知：當應(yīng)力水平在0.4以下時，壓應(yīng)力與混凝土中氯離子濃度總體呈負相關(guān)，混凝土抗氯離子侵蝕性能力隨壓應(yīng)力增大而增強；但當壓應(yīng)力水平大于0.4時，壓應(yīng)力與混凝土中氯離子濃度總體呈正相關(guān)，混凝土抗氯離子侵蝕性能力隨壓應(yīng)力的增大而減弱。

5.2 荷載對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響

根據(jù)不同應(yīng)力水平下混凝土試件各深度的氯離子含量，通過Fick第二定律的解析解，擬合出混凝土試件在不同應(yīng)力水平下的混凝土氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度，擬合結(jié)果如圖4及圖5所示。

圖4 不同壓荷載應(yīng)力水平下的混凝土氯離子擴散系數(shù)

圖5 不同壓荷載應(yīng)力水平下的混凝土表面氯離子濃度

根據(jù)圖4所示，試件在無荷載時的氯離子擴散系數(shù)為0.80×10-12m2/s，當施加壓荷載水平為0.2、0.4時，混凝土氯離子擴散系數(shù)變?yōu)?.55×10-12m2/s及0.45×10-12m2/s，可見：在壓荷載應(yīng)力水平不大于0.4時，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨壓荷載的增加而降低；當壓荷載應(yīng)力水平升高至0.6時，氯離子擴散系數(shù)增加為0.75×10-12m2/s，可知當應(yīng)力水平從0.4提高到0.6時，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨壓荷載的增加而升高。說明壓應(yīng)力水平低于0.4時，壓荷載有利于混凝土抵抗氯離子侵蝕，而壓應(yīng)力水平高于0.4時，壓荷載會加速氯離子侵蝕混凝土。

根據(jù)圖5所示,試件在無荷載時表面氯離子濃度為0.83%，當施加壓荷載應(yīng)力水平為0.2、0.4、0.6時，混凝土氯離子擴散系數(shù)變?yōu)?.65%、0.64%及0.76%，壓荷載應(yīng)力水平-混凝土表面氯離子濃度相關(guān)趨勢與壓荷載應(yīng)力水平-氯離子擴散系數(shù)類似。

5.3 荷載對混凝土氯離子擴散系數(shù)影響因子

為了指導通明海特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，準確評估混凝土結(jié)構(gòu)壽命，根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，擬合出了混凝土氯離子擴散系數(shù)比與壓應(yīng)力水平之間的關(guān)系公式：

Dη/D0=4.2815×η2-2.7154 ×η+1.0149

(2)

式中：η為混凝土壓荷載應(yīng)力水平；Dη為壓荷載應(yīng)力水平為η時的氯離子擴散系數(shù)；D0為0應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)。

5.4 荷載對混凝土氯離子擴散性能影響的機理

通過破型不同荷載作用后混凝土中的砂漿，采用MIP測試砂漿經(jīng)過荷載之后的孔結(jié)構(gòu)的變化，見表6。混凝土中砂漿的孔隙率、平均孔徑及大孔數(shù)量(>200nm)隨壓荷載應(yīng)力水平的增加先降低后增加，其趨勢與壓荷載應(yīng)力水平-氯離子擴散系數(shù)關(guān)系吻合，即：壓荷載應(yīng)力水平小于0.4時砂漿的孔隙率、平均孔徑及大孔數(shù)量均隨應(yīng)力水平增大而減小，當壓荷載進一步增加時孔隙率、平均孔徑及大孔數(shù)量隨之增大。經(jīng)分析，可能是由于當壓荷載應(yīng)力水平不大于0.4時，混凝土處于彈性變形階段，壓應(yīng)力會壓縮混凝土中的孔隙，造成孔隙率和平均孔徑的降低，從而抑制氯離子滲透；但當壓荷載應(yīng)力水平繼續(xù)增大時，由于混凝土微觀層面的不均勻性，導致局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，造成混凝土內(nèi)部不均勻處破壞、微裂縫發(fā)展，混凝土孔隙率、平均孔徑增大，氯離子加速滲透。

表6 不同應(yīng)力下混凝土中砂漿的孔隙

對比前文不同荷載作用的混凝土中氯離子分布情況，不同荷載作用下混凝土中砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的變化與氯離子擴散情況較為吻合，即孔隙率和平均孔徑增加，混凝土中氯離子含量增大，氯離子擴散系數(shù)提高，因此，壓荷載對混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)的改變是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一。

6 結(jié)論與展望

壓荷載應(yīng)力水平小于0.4時，砂漿的孔隙率、平均孔徑均隨應(yīng)力水平增大而減小，當壓荷載進一步增加時砂漿孔隙率、平均孔徑及大孔數(shù)量隨之增大。與之相應(yīng)，混凝土氯離子擴散系數(shù)當壓應(yīng)力水平低于0.4時，隨應(yīng)力增加而減小；當壓應(yīng)力水平高于0.4時，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨應(yīng)力增加而增大。壓荷載應(yīng)力水平與混凝土氯離子擴散系數(shù)比之間的關(guān)系可擬合為一元二次多項式：Dη/D0=4.2815×η2-2.7154×η+1.0149。

受限于客觀試驗條件，本試驗僅選取了0、0.2、0.4和0.6倍的抗壓強度這4種應(yīng)力水平作為目標應(yīng)力水平。后續(xù)如條件允許，可進一步細化試驗應(yīng)力等級(甚至考慮將結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力納入研究范圍)，從而擬合出更加精確的“氯離子擴散系數(shù)-應(yīng)力水平”關(guān)系公式，指導混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計進一步精細化。