DuraCrete 模型預(yù)測大連灣海底隧道混凝土氯離子濃度時系數(shù)Ke 取值的統(tǒng)計分析

李冰黎，劉丹忠，孫文豪，3

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430010；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

我國經(jīng)濟正處于高速發(fā)展階段，大量的海洋混凝土結(jié)構(gòu)如跨海大橋、海底隧道、海洋鉆井平臺等開始興建，這些結(jié)構(gòu)長期處于惡劣的海洋環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)的耐久性能已成為工程界關(guān)注的重點[1-2]。按照GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，大連灣海底隧道工程所處環(huán)境作用等級為：水下區(qū)屬于海洋氯化物III-C 級（中度），海洋浪濺區(qū)/潮汐區(qū)為凍融II-E 級（非常嚴(yán)重）和海洋氯化物III-E 級（非常嚴(yán)重）[2-4]。因此，氯離子侵入誘發(fā)鋼筋銹蝕是導(dǎo)致大連灣海底混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的主要因素[5]，預(yù)測和控制混凝土中氯離子濃度則是評價大連灣海底隧道混凝土耐久性的基本要求。

混凝土中氯離子含量預(yù)測研究包括混凝土中氯離子的傳輸機理和計算模型、鋼筋腐蝕條件下氯離子閾值的選擇等多種研究內(nèi)容，其中菲克第二定律是最早用于描述混凝土中氯離子傳輸?shù)暮唵文Ｐ蚚6]。該模型由Collepardi 等人在20 世紀(jì)70年代提出，以其簡單的形式和方便應(yīng)用性，廣泛獲得業(yè)界的認(rèn)同和采納。受限于水泥均勻性和各向同性等基本假設(shè)，以及考慮的影響因素過少等模型先天不足原因，使得菲克第二定律的預(yù)測精度存在一定問題[6]。為此，基于菲克第二定律對氯離子傳輸模型，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了富有成效的改進(jìn)與完善。DuraCrete 模型作為較成熟的氯離子傳輸計算模型，首先由Mejlbro 提出，補充了菲克第二定律中對多因素和時間依賴性的缺失，被歐洲及我國等多國的耐久性規(guī)程采納。大連灣海底隧道混凝土耐久性分析以DuraCrete 模型為基礎(chǔ)，因此對DuraCrete 模型中相關(guān)參數(shù)的研究成為大連灣海底隧道耐久性研究的主要任務(wù)之一。

1 計算模型分析

1.1 DuraCrete 模型

DuraCrete 模型用于預(yù)測混凝土內(nèi)部氯離子濃度時變規(guī)律和一維空間分布特征，一般解析表達(dá)式可簡寫為[6]：

式中：C（x，t）為t 時刻距離混凝土表面x mm 位置處的氯離子濃度，kg/m3；Cs為表面氯離子濃度，kg/m3；Ke為環(huán)境對氯離子擴散劣化效應(yīng)系數(shù)；Kc為混凝土養(yǎng)護方法對氯離子擴散劣化效應(yīng)系數(shù)；Km為測試方法對氯離子擴散系數(shù)的影響參數(shù)；t0為參考時間，一般取0.076 7 a（對應(yīng)于28 d）；m 為衰減系數(shù)參數(shù)；D0為時刻t0時氯離子擴散系數(shù)。

1.2 環(huán)境對氯離子擴散劣化效應(yīng)系數(shù)

氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke是混凝土在實際使用過程中與在實驗室條件下的氯離子擴散系數(shù)數(shù)值之比，反映了實際使用環(huán)境中氯離子擴散系數(shù)的放大倍數(shù)。DuraCrete 模型中，影響混凝土氯離子擴散系數(shù)的環(huán)境系數(shù)Ke，即大連灣海底隧道建設(shè)工程項目模型中的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke。鑒于相關(guān)規(guī)范中該系數(shù)取值面向全國，與大連灣區(qū)域存在一定的差別，因此需要對大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤調(diào)查及混凝土試件的暴露試驗，才能確定合理的Ke值。

2 試驗方案

試驗分為兩個部分，分別為實際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴散的長期劣化效應(yīng)試驗和高性能混凝土在大連地區(qū)海洋暴露環(huán)境下氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)試驗[7]。

1）為了計算大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴散系數(shù)的劣化系數(shù)Ke值，將混凝土內(nèi)部不受外界影響的芯樣浸泡在實驗室的海水中，按照自然擴散法測定氯離子擴散系數(shù)，在考慮溫度修正（按照室內(nèi)實驗的 20 ℃修正到現(xiàn)場環(huán)境的平均10 ℃）與長期服役時間修正（按照時間依賴性指數(shù)m=0.630 4），則可計算出實際結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土的長期氯離子擴散系數(shù)，之后將其與海洋工程暴露環(huán)境中結(jié)構(gòu)表面混凝土的實測氯離子擴散系數(shù)進(jìn)行比較，得到海洋結(jié)構(gòu)中不同環(huán)境區(qū)域混凝土的劣化效應(yīng)系數(shù)[8-9]。

2）利用實驗室制備的系列高性能混凝土，在室內(nèi)與大連灣海洋現(xiàn)場兩個暴露條件下分別獲得氯離子擴散規(guī)律。其中，海洋暴露區(qū)域分為：大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū)。試驗得到不同高性能混凝土在不同海洋暴露環(huán)境中的表觀氯離子擴散系數(shù)，并與相應(yīng)的室內(nèi)表觀氯離子擴散系數(shù)進(jìn)行對比，確定高性能混凝土在大連海洋環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 實際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴散的長期劣化效應(yīng)

3.1.1 實際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴散系數(shù)

將大連地區(qū)多種海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)的長期服役條件下氯離子擴散系數(shù)Dat，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的長期服役條件下Dat的大致規(guī)律，見圖1。

圖1 海洋環(huán)境中混凝土氯離子擴散系數(shù)分布圖Fig.1 Distribution of chloride ion diffusion coefficient of concrete in marine environment

1）對于實際環(huán)境Dat發(fā)展趨勢，潮汐區(qū)混凝土Dat發(fā)展曲線先減小后增大，浪濺區(qū)潮汐區(qū)混凝土Dat發(fā)展曲線同樣先減小后增大，大氣區(qū)混凝土Dat先增大后減小。

2）在11～50 a 服役期內(nèi)，潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土Dat相差較小，分別為0.01、0.06、0，擬合曲線基本一致，表明大連地區(qū)實際海洋環(huán)境下潮汐區(qū)與Dat擴散在11～50 a 服役期內(nèi)基本相同。

3）潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土Dat前期雖然相差較小，但服役82 a 條件下，潮汐區(qū)混凝土Dat相較浪濺區(qū)大1.21，具有較為明顯的抬升。從整體看，潮汐區(qū)Dat總是不小于浪濺區(qū)混凝土Dat。

4）大氣區(qū)混凝土Dat變化趨勢與潮汐區(qū)或浪濺區(qū)截然不同，為先快速增大后迅速降低，初期（服役11 a）時，大氣區(qū)混凝土Dat較潮汐區(qū)（或浪濺區(qū)）混凝土Dat均小，約小0.28。其后服役期混凝土Dat均較潮汐區(qū)（或浪濺區(qū)）混凝土Dat大，最小偏差0.22。

3.1.2 芯樣室內(nèi)試驗混凝土氯離子擴散系數(shù)

將混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不受外界影響的芯樣浸泡在實驗室的海水中，按照自然擴散法測定氯離子擴散系數(shù)，在考慮溫度時間修正后，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗混凝土氯離子擴散系數(shù)（Da）的大致規(guī)律，見圖2。

1）各區(qū)域混凝土Da發(fā)展曲線，隨著服役時間增加而降低。

圖2 海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)混凝土室內(nèi)試驗氯離子擴散系數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of chloride ion diffusion coefficient in laboratory test of concrete in marine environment

2）大氣區(qū)海洋結(jié)構(gòu)混凝土Da較其他區(qū)域普遍較大，可能原因之一為潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土受海水侵?jǐn)_，海水中礦物質(zhì)將混凝土毛細(xì)孔甚至細(xì)小裂縫封堵，使得混凝土結(jié)構(gòu)致密不易受氯離子侵蝕。

3.1.3 混凝土氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)

將計算得到的混凝土擴散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值的大致規(guī)律，見圖3。

圖3 海洋環(huán)境中混凝土氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)分布圖Fig.3 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in marine concrete

1）由圖3 可見，這些海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)多屬于普通混凝土，強度等級不高，而且年代、原材料、配合比及施工工藝均不相同，雖然海洋結(jié)構(gòu)中混凝土的氯離子擴散劣化效應(yīng)是存在的，但各數(shù)據(jù)離散性較大，因此對于某固定組分混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)該參照對應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)。

2）海洋大氣區(qū)：在11～50 a 服役期內(nèi)，Ke=0.70～6.08，平均值2.71，標(biāo)準(zhǔn)差2.27；海洋潮汐區(qū)：在 11～82 a 服役期內(nèi)，Ke=0.34～6.85，平均值2.44，標(biāo)準(zhǔn)差2.17；海洋浪濺區(qū)：在11～82 a 服役期內(nèi)，Ke=0.45 ～4.73，平均值 1.73，標(biāo)準(zhǔn)差1.17。

3） 對于明確使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），經(jīng)過實測其抗壓強度在 40 ～45 MPa，經(jīng)單獨統(tǒng)計，該高性能混凝土結(jié)構(gòu)在大連地區(qū)服役11 a 后氯離子擴散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值，明顯小于普通混凝土。按照拉伊達(dá)異常數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則，得到以下統(tǒng)計規(guī)律：

海洋潮汐區(qū)：Ke=1.15～1.46，平均值1.32，標(biāo)準(zhǔn)差0.16，變異系數(shù)12.1%。

海洋浪濺區(qū)：Ke=1.17～1.70，平均值1.52，標(biāo)準(zhǔn)差0.26，變異系數(shù)17.3%。

海洋大氣區(qū)：Ke=0.70～1.02，平均值0.85，標(biāo)準(zhǔn)差0.16，變異系數(shù)18.6%。

對于使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），其氯離子擴散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)值規(guī)律與DuraCrete 規(guī)定具有一定的可比性，而且其變異系數(shù)不超過20%，適合大連灣海底隧道耐久性模型使用。

4）對于高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建）劣化效應(yīng)系數(shù)值進(jìn)行細(xì)部分析，統(tǒng)計表見表1。由表1 可以較為明顯地看到：浸泡40 d，潮汐區(qū)＞浪濺區(qū)＞大氣區(qū)；浸泡111 d，浪濺區(qū)＞潮汐區(qū)＞大氣區(qū)；浸泡231 d，潮汐區(qū)＞大氣區(qū)＞浪濺區(qū)。

表1 滑道碼頭（2005 年建）Ke 值統(tǒng)計表Table 1 Glide pier(built in 2005)Ke values statistical table

浸泡時間越長，Ke值普遍降低，且231 d 浸泡時間下，Ke值分布規(guī)律與DuraCrete 規(guī)定具有較高的一致性，可能是較為準(zhǔn)確的劣化效應(yīng)系數(shù)值，但從安全性角度考慮，不推薦使用。

3.2 高性能混凝土在大連地區(qū)海洋暴露環(huán)境下氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)

高性能混凝土在大連海洋環(huán)境中的氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)見圖4，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計，對于高性能混凝土，在大連灣海洋暴露環(huán)境下的Ke平均值分別為：潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.46、水下區(qū)1.55。標(biāo)準(zhǔn)差分別為：潮汐區(qū)0.85、浪濺區(qū)0.84、水下區(qū)0.80。從統(tǒng)計的平均值來看，高性能混凝土的Ke值明顯小于現(xiàn)場試驗在役普通混凝土結(jié)構(gòu)Ke值。

圖4 高性能混凝土氯離子擴散的劣化效應(yīng)系數(shù)分布圖Fig.4 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in high performance concrete

比較使用高性能混凝土的某碼頭（2005 年建）服役11 a 后的Ke值（潮汐區(qū)1.32、浪濺區(qū)1.52，變異系數(shù)不超過20%），新制備的高性能混凝土的Ke值是可靠的，與現(xiàn)場長期服役數(shù)據(jù)是相當(dāng)?shù)?。按照不利原則，大連灣海底隧道結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計分析推薦采用的Ke值取值為：水下區(qū)1.55、潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.52、大氣區(qū)0.85。

4 結(jié)語

為研究確定大連灣海底隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性DuraCrete 模型中氯離子擴散劣化效應(yīng)系數(shù)，分析了大連灣區(qū)域既有海工混凝土氯離子擴散劣化效應(yīng)，結(jié)合擬采用的高性能混凝土室內(nèi)外對比試驗，分析不同區(qū)域氯離子擴散劣化效應(yīng)系數(shù)，主要結(jié)論及建議如下：

1）大氣區(qū)海洋結(jié)構(gòu)混凝土Da較其他區(qū)域普遍較大，可能是因為潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土受海水侵?jǐn)_，海水中礦物質(zhì)將混凝土毛細(xì)孔甚至細(xì)小裂縫封堵，使得混凝土結(jié)構(gòu)致密不易受氯離子侵蝕，結(jié)論有待進(jìn)一步的研究探索。

2）高性能混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值小于普通混凝土。

3）大連灣海底隧道沉管隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計分析推薦采用的Ke取值為：水下區(qū)1.55、潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.52 和大氣區(qū)0.85。