海洋環(huán)境下混凝土樁基耐久性影響因素研究

彭云涌 王治群 胡 力 左 雁 梁俊杰

(中建五局土木工程有限公司 長(zhǎng)沙 410004)

為利用豐富的海洋資源，人類修建了大量的海洋結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土材料被廣泛運(yùn)用于這類結(jié)構(gòu)設(shè)施中，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)多數(shù)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，耐久性問(wèn)題突出。尤其是那些處于含有高濃度腐蝕物質(zhì)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，其壽命更短[1]。其原因是外部環(huán)境中的氯離子、硫酸根離子和大氣的共同作用，導(dǎo)致鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕和材料性能退化，繼而脹裂混凝土[2]。

混凝土耐久性的相關(guān)研究分為2個(gè)方面，①在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)施的壽命，節(jié)約成本；②對(duì)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的安全性做出評(píng)價(jià)，提出維護(hù)方案。故鋼筋混凝土的耐久性研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義[3]。

海洋結(jié)構(gòu)耐久性壽命問(wèn)題的研究，無(wú)法避免對(duì)氯離子的討論，這也是研究該問(wèn)題的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文通過(guò)分析影響海洋環(huán)境中氯離子擴(kuò)散的相關(guān)因素，結(jié)合MATLAB分析軟件修正擴(kuò)散模型，擬為今后此類建筑物的設(shè)計(jì)建造，提供使用壽命的預(yù)測(cè)方法，節(jié)約成本。

1 理論計(jì)算模型

1.1 Fick第二定律

海洋結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)理論是基于Tuutti[4]在1982年提出的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命兩階段模型。該模型將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命分為2個(gè)階段：第一階段為氯離子侵蝕滲透階段(從鋼筋混凝土進(jìn)入海水到鋼筋剛開(kāi)始銹蝕)，這一階段鋼筋的表面氯離子濃度達(dá)到了其銹蝕的濃度標(biāo)準(zhǔn)；第二階段為鋼筋銹蝕到混凝土脹裂，本階段鋼筋銹蝕產(chǎn)物積累膨脹，致使混凝土開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低到使用要求以下。

為了能夠準(zhǔn)確地描述混凝土內(nèi)部的氯離子濃度，相關(guān)學(xué)者做了大量實(shí)驗(yàn)，提出了許多理論和模型。Collepari[5]等人基于Fick第二定律建立了如式(1)的氯離子侵入模型。

(1)

式中：ρc1-(x,t)為t時(shí)刻x深度處的氯離子質(zhì)量濃度；ρc1-,s為外部氯離子質(zhì)量濃度；erf為誤差函數(shù)；D0為基準(zhǔn)時(shí)間下的擴(kuò)散系數(shù)。

為了得到更精確的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，不斷有學(xué)者根據(jù)環(huán)境條件和材料性能修正相關(guān)影響參數(shù)，并用修正后的模型來(lái)預(yù)測(cè)混凝土的使用壽命或鋼筋初銹時(shí)間。1995年，瑞典、德國(guó)、挪威、英國(guó)等12個(gè)國(guó)家聯(lián)合成立了Dura Crete項(xiàng)目[6]，該項(xiàng)目根據(jù)需要將混凝土齡期、初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間、環(huán)境條件和試驗(yàn)方法等影響混凝土服役壽命的因素均予以考慮，修正了氯離子擴(kuò)散侵入方程，并建立了壽命預(yù)測(cè)模型。海洋結(jié)構(gòu)因其所處的海水深度和距海岸的距離不同，其耐久壽命也存在較大差異。石佳樂(lè)[7]根據(jù)海邊環(huán)境的不同做了相關(guān)侵蝕實(shí)驗(yàn)，得到了不同環(huán)境條件下混凝土氯離子擴(kuò)散的時(shí)變模型。

氯離子在混凝土中的滲透擴(kuò)散過(guò)程受多因素的影響，研究該過(guò)程時(shí)，須綜合考慮多因素的耦合效應(yīng)。祁兵[8]研究了干濕循環(huán)-荷載-鹽溶液耦合作用下的損傷過(guò)程，考慮了包含材料相關(guān)因素(氯離子結(jié)合能力、混凝土內(nèi)部氯離子濃度等)和環(huán)境因素(荷載效應(yīng)、環(huán)境離子濃度等)的影響，提出了混凝土在荷載和氯離子結(jié)合能力耦合效應(yīng)下的氯離子擴(kuò)散模型。

1.2 基于環(huán)境和材料參數(shù)耦合的氯離子擴(kuò)散模型

在飽和混凝土中，氯離子滲透侵入的主要原因是擴(kuò)散作用。由(1)式可知，影響氯離子侵蝕的因素包含深度、時(shí)間、氯離子的擴(kuò)散系數(shù)，以及混凝土本身含有的氯離子濃度。在早期的觀點(diǎn)中，認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)D是一個(gè)常數(shù)，但它其實(shí)是一個(gè)不斷變化的值，為了實(shí)際工程分析的方便，本文選擇的擴(kuò)散系數(shù)D，是基于基準(zhǔn)擴(kuò)散系數(shù)考慮了時(shí)間、溫度的的影響，相應(yīng)的等效擴(kuò)散系數(shù)D的計(jì)算方法見(jiàn)式(2)～式(4)。

D=D0f(T)f(m，Km)

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：T為計(jì)算溫度(取絕對(duì)溫度)；T0為基準(zhǔn)擴(kuò)散系數(shù)D0下的溫度(取絕對(duì)溫度)；t0為D0對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)時(shí)間；Km是材料對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響因子，依據(jù)混凝土型號(hào)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境取為0.3～1.33；q為激活常數(shù)；m為與多個(gè)因素有關(guān)的時(shí)間衰減系數(shù)。

實(shí)際環(huán)境和實(shí)驗(yàn)是有所不同的，根據(jù)張立明[9]的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，基于室內(nèi)外的相關(guān)參數(shù)對(duì)離子擴(kuò)散方程進(jìn)行修正，為此綜合考慮環(huán)境和材料因素的修正模型見(jiàn)式(5)。

ρc1-(x,t)=Kc·ρc1-,0+(ρc1-,s-Kc·ρc1-,0)·

(5)

式中：x為擴(kuò)散深度；t為擴(kuò)散時(shí)間；ρc1-,0為初始氯離子濃度；Kc為養(yǎng)護(hù)條件對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響因子，依據(jù)混凝土型號(hào)取為0.43～0.88；m為氯離子擴(kuò)散的衰減系數(shù)。其余各參數(shù)含義同上。

2 模型驗(yàn)證和模型的參數(shù)分析

2.1 因素影響性分析

影響海洋結(jié)構(gòu)耐久性壽命的因素很多，這些因素可分為環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)自身材料因素2個(gè)方面。本文通過(guò)運(yùn)用氯離子的擴(kuò)散方程模擬氯離子的侵蝕過(guò)程，研究各因素對(duì)氯離子侵入過(guò)程影響的顯著性，分析模型的合理性和適用性。

2.1.1水灰比及保護(hù)層厚度

對(duì)海洋結(jié)構(gòu)中混凝土來(lái)說(shuō)，水灰比、保護(hù)層厚度均對(duì)耐久性壽命有影響，根據(jù)Fick第二定律計(jì)算在各個(gè)保護(hù)層厚度下，不同水灰比的曲線，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水灰比和保護(hù)層厚度影響曲線

由圖1可知，①混凝土水灰比(W/C)為0.3時(shí)，每增加5 mm的保護(hù)層厚度，其初銹時(shí)間均增加幾十年，保護(hù)層厚度到達(dá)70 mm之后，其初銹時(shí)間增量接近100年；而混凝土水灰比為0.6時(shí)，每增加相同的保護(hù)層厚度，初銹時(shí)間基本無(wú)變化，增加時(shí)間還不足1年。不同水灰比下氯離子濃度變化很大，其耐久性壽命變化也很大。不同水灰比對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響十分明顯，尤其是和保護(hù)層相關(guān)聯(lián)時(shí)。水灰比越小，初銹時(shí)間就越長(zhǎng)，原因是小水灰比的混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性強(qiáng)。②保護(hù)層厚度對(duì)構(gòu)件耐久壽命有明顯影響：保護(hù)層厚度越大，初銹時(shí)間越長(zhǎng)，尤其是水灰比較小時(shí)，該趨勢(shì)就越明顯。由此可以看出保護(hù)層厚度的增減效果和水灰比的大小有直接關(guān)系。當(dāng)水灰比較小時(shí)，增大保護(hù)層厚度，耐久壽命提高得越明顯。而當(dāng)水灰比很大時(shí)，即使增加保護(hù)層厚度，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久壽命的影響也不大，很可能依舊不滿足設(shè)計(jì)要求。所以，為提高海洋結(jié)構(gòu)的耐久壽命，不能只增加保護(hù)層厚度。

2.1.2時(shí)間因素

鋼筋處氯離子濃度隨時(shí)間變化圖見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，氯離子濃度變化速率隨時(shí)間增大而減小。混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期增加而減小，因?yàn)榛炷恋乃皇嵌唐谕瓿傻?，隨著水化的持續(xù)，產(chǎn)生的水化物將進(jìn)一步填充混凝土中的孔隙，從而使擴(kuò)散作用受阻，即擴(kuò)散系數(shù)變小。衰減系數(shù)m與混凝土的材料和環(huán)境均相關(guān)。當(dāng)t1未考慮時(shí)間參數(shù)時(shí)計(jì)算結(jié)果為26年，衰減系數(shù)m取0.2(普通混凝土)和0.7(摻粉煤灰混凝土)分別對(duì)應(yīng)18.97年和97.44年。摻混合物的混凝土其耐久性提升非常明顯。由計(jì)算結(jié)果可以看出，摻粉煤灰的初銹時(shí)間是普通混凝土的8～10倍。在實(shí)際施工中，可以通過(guò)此方法提高海洋結(jié)構(gòu)耐久性壽命。

圖2 鋼筋處氯離子濃度變化模擬曲線

2.1.3溫度影響

溫度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同溫度和保護(hù)層厚度下的氯離子濃度

由圖3可知，溫度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響效果顯著。高溫對(duì)氯離子的活化作用增強(qiáng)，提高了它的擴(kuò)散能力，從而造成結(jié)構(gòu)壽命減少。

2.1.4濕度影響

分別選相對(duì)濕度為80%和70%的擴(kuò)散曲線與基于式(5)的擴(kuò)散模型的結(jié)果曲線對(duì)比，鋼筋處氯離子濃度變化見(jiàn)圖4。

圖4 不同濕度和修正模型下的鋼筋處氯離子濃度

由圖4可知，相對(duì)濕度的增加致使氯離子的擴(kuò)散速度有所增加，但影響不明顯。相比于其他因素，濕度雖然也有影響，但顯著性不夠。

綜上，在計(jì)算海洋結(jié)構(gòu)耐久性初銹時(shí)間時(shí)，水灰比、保護(hù)層厚度、衰減系數(shù)、溫度均不可忽視。所以基于環(huán)境和材料的擴(kuò)散模型須考慮這些因素。

在實(shí)際工程中混凝土的養(yǎng)護(hù)條件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中初始氯離子的濃度造成影響。這些影響主要包含：混凝土的養(yǎng)護(hù)因各種各樣的復(fù)雜因素造成養(yǎng)護(hù)期不足；環(huán)境中的氯離子在養(yǎng)護(hù)期進(jìn)入混凝土內(nèi)部?；谏鲜鲈?，須對(duì)混凝土內(nèi)部的初始氯離子濃度進(jìn)行修正。

2.2 模型驗(yàn)證

將實(shí)際工程中的測(cè)量數(shù)據(jù)、修正模型(式5)和原始模型(即Fick第二定律的擴(kuò)散模型，見(jiàn)公式1)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。測(cè)量數(shù)據(jù)為1950年英國(guó)建造的混凝土在使用30年后的氯離子濃度測(cè)試數(shù)據(jù)，修正模型中參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 修正模型中參數(shù)取值

不同模型預(yù)測(cè)值和實(shí)際值對(duì)比圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同模型預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，除個(gè)別點(diǎn)外，修正模型比原始模型更加接近實(shí)際值，這樣采用修正模型計(jì)算的初銹時(shí)間更加符合實(shí)際，結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)也更準(zhǔn)確。

修正模型考慮了時(shí)間衰減、溫度及材料等因素的影響，這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性壽命的影響從上一節(jié)可以看出，均十分顯著。因此選擇這些因素考慮是具有實(shí)際意義的。已有的修正模型，更多是基于實(shí)驗(yàn)所推測(cè)出來(lái)的，室內(nèi)、室外條件不同，因此基于環(huán)境和材料的擴(kuò)散模型需考慮該因素的影響。所以氯離子侵入擴(kuò)散模型還需考慮室內(nèi)、外的區(qū)別，使模型更具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

3 工程實(shí)例

3.1 模型應(yīng)用

耐久性壽命預(yù)測(cè)分為2個(gè)階段。第一階段為氯離子從混凝土表面向內(nèi)部鋼筋滲透，當(dāng)氯離子的濃度達(dá)到鋼筋腐蝕的要求時(shí)，鋼筋表面的保護(hù)膜發(fā)生破壞，鋼筋開(kāi)始銹蝕。該階段所花費(fèi)的時(shí)間即為鋼筋的初銹時(shí)間，以t1表示，其計(jì)算方法見(jiàn)式(6)，式中各項(xiàng)含義均同上。

(6)

第二階段t2(鋼筋開(kāi)始腐蝕到混凝土開(kāi)裂至限制寬度的時(shí)間)

(7)

式中：ΔD為銹蝕鋼筋的截面直徑損失,mm；icorr為單位電流密度，μA/cm2。

3.2 實(shí)例計(jì)算

科特迪瓦阿比讓四大橋工程的材料和環(huán)境的情況見(jiàn)表2?？铺氐贤叩貐^(qū)的平均低溫約為20 ℃，平均高溫約為30 ℃。

表2 工程中各系數(shù)的取值

根據(jù)上述工程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可得，該橋的初銹時(shí)間可按公式(6)計(jì)算，得初銹時(shí)間t1為69.21年。

樁基中鋼筋的直徑為25 mm，保護(hù)層厚度為100 mm，銹蝕前鋼筋和混凝土交界面有空隙存在，當(dāng)銹蝕導(dǎo)致保護(hù)層脹裂時(shí)，鋼筋半徑損失為Δrs(mm)，而填滿鋼筋和混凝土的空隙損失半徑為Δr1(mm)。Δrs和Δr1均可通過(guò)相關(guān)計(jì)算得出，而ΔD可由式(8)、(9)得出。

(8)

(9)

式中：ηc為預(yù)測(cè)鋼筋截面損失率；r為鋼筋半徑，mm；αE為鋼筋銹蝕產(chǎn)物膨脹率；其余項(xiàng)同上。

經(jīng)計(jì)算，鋼筋銹蝕時(shí)間t2為24.05年。因此該橋的服役壽命為93.26年。

該工程的鋼筋處氯離子擴(kuò)散趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 鋼筋處氯離子質(zhì)量濃度

由圖6可知，氯離子的擴(kuò)散速度開(kāi)始很快，經(jīng)過(guò)30年后擴(kuò)散速度慢慢變小，故防腐措施需遏制開(kāi)始階段的氯離子入侵，這樣才能最大限度地提高耐久性壽命。具體防腐措施可從以下方面入手。

1) 鋼護(hù)筒選擇從水下取至浪濺區(qū)上方。浪濺區(qū)作為腐蝕最嚴(yán)重的地方，可以進(jìn)行特殊處理，如增加鋼護(hù)筒的厚度、增加該區(qū)段混凝土的水泥用量(降低水灰比，增加抵抗離子入侵的能力)。

2) 混凝土表面刷涂防蝕漆，如多水泥砂漿、樹(shù)脂砂漿。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 影響海洋混凝土結(jié)構(gòu)的因素眾多，其影響顯著性均不相同，其中混凝土的保護(hù)層厚度、水灰比的影響明顯；溫度影響也不可忽視。雖然保護(hù)層厚度影響效果顯著，但單獨(dú)增加保護(hù)層厚度并不能高效地提高服役壽命，其與水灰比一同作用效果更好。

2) 在混凝土中摻礦渣和粉煤灰可高效地提高混凝土耐久性，在防腐措施中是值得選取的一種方法。

3) 基于文中的試驗(yàn)環(huán)境、材料、氯離子擴(kuò)散模型，計(jì)算橋梁的耐久壽命。結(jié)果表明，本文方案更接近實(shí)際情況，符合工程實(shí)際，可運(yùn)用到實(shí)際工程中。