海洋混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境作用等級(jí)與耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)的中外規(guī)范對(duì)比

余 波，喻澤成，范志宏，楊綠峰

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3. 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；4. 中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230)

受腐蝕性海洋氯鹽環(huán)境作用的侵蝕，海港工程、跨海大橋等海洋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)常提前發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土開裂、承載力退化等耐久性劣化問題。如何保證海洋混凝土結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)使用年限和耐久性要求，成為土木工程領(lǐng)域普遍關(guān)注的工程技術(shù)難題。

歐洲、日本和美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)較早開展混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，并先后發(fā)布了一系列混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南。早在1989年，歐洲混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)(CEB)就發(fā)布《耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》[1]，隨后歐洲標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(CEN)制定了EN 1992-1-1: 2004標(biāo)準(zhǔn)[2]，系統(tǒng)闡述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本原則和技術(shù)要求。此后，歐洲南部(葡萄牙)、中部(荷蘭、英國和德國)和北部(丹麥和挪威)等多個(gè)國家結(jié)合各地實(shí)際情況發(fā)布了修訂標(biāo)準(zhǔn)[3-17]；1990年日本土木工程學(xué)會(huì)(JSCE)發(fā)布了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)建議》[18]，并在2007年發(fā)布的《日本混凝土指南》[19]中明確提出了耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容；1992年美國混凝土學(xué)會(huì)(ACI)發(fā)布《混凝土耐久性指南》[20]用于指導(dǎo)耐久性設(shè)計(jì)，此后將耐久性設(shè)計(jì)融入ACI 318-19標(biāo)準(zhǔn)[21]。隨著耐久性研究的深入，許多國家都將耐久性設(shè)計(jì)作為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，包括2000年印度發(fā)布的IS 456: 2000標(biāo)準(zhǔn)[22]、2014年南非標(biāo)準(zhǔn)部門發(fā)布的SANS 10100-2: 2014標(biāo)準(zhǔn)[23]、2018年澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)發(fā)布的AS 3600: 2018標(biāo)準(zhǔn)[24]、2019年加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CSA)發(fā)布的CSA A23.3-19標(biāo)準(zhǔn)[25]等。我國混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究相對(duì)較晚。在充分吸收國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2000年我國交通部頒布了《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[26]，2004年土木工程學(xué)會(huì)牽頭發(fā)布了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[27]，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工的基本原則和方法作了技術(shù)規(guī)定。隨后，2008年住建部頒布了國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[28]，并在2019年發(fā)布了修訂版本[29]。期間，國內(nèi)還發(fā)布了多部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括鐵道部2010年頒布的《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[30]、交通運(yùn)輸部2012年頒布的《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[31]、2015年頒布的《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[32]和2019年頒布的《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[33]等。

通過分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外現(xiàn)行的耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南主要基于工程經(jīng)驗(yàn)和定性分析，根據(jù)環(huán)境腐蝕機(jī)理特征，對(duì)混凝土環(huán)境條件進(jìn)行分類分級(jí)描述，并對(duì)混凝土的保護(hù)層厚度、水灰比、膠凝材料用量和強(qiáng)度等級(jí)等耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)做出技術(shù)規(guī)定，預(yù)期從材料技術(shù)指標(biāo)、構(gòu)造規(guī)定、施工要求等方面來保證混凝土結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的耐久性要求。由于沒有建立耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)與腐蝕環(huán)境作用、設(shè)計(jì)使用年限、保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、臨界氯離子濃度等重要參數(shù)之間的量化關(guān)系，導(dǎo)致對(duì)于相同的工程對(duì)象，根據(jù)不同的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或指南所劃分的環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)有所不同。同時(shí)，即便是在相同的環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)條件下，根據(jù)不同的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或指南所確定的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比、最小膠凝材料用量、最小保護(hù)層厚度等耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)也存在顯著差異。因此，有必要對(duì)目前國內(nèi)外現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南進(jìn)行系統(tǒng)全面的對(duì)比分析。

鑒于此，收集了國內(nèi)外14個(gè)國家和地區(qū)具有代表性的32部混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)對(duì)比分析國內(nèi)外不同規(guī)范對(duì)于海洋氯鹽環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)劃分的依據(jù)和差異性，進(jìn)而圍繞最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比、最小膠凝材料用量、最小保護(hù)層厚度、抗氯離子滲透性指標(biāo)限值、最大初始氯離子含量和最大裂縫寬度等方面，系統(tǒng)對(duì)比分析了不同規(guī)范針對(duì)海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū)環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)限值的差異性，為海洋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提供了參考。

1 環(huán)境條件與環(huán)境作用等級(jí)的劃分

國外的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范主要包括歐洲規(guī)范[2，34]、加拿大規(guī)范[25，35]、日本規(guī)范[19]、美國規(guī)范[21，36]、澳大利亞規(guī)范[24]、印度規(guī)范[22]和南非規(guī)范[23]等，見表1。其中，歐洲規(guī)范[2，34]主要基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CEN)制定的歐洲通用規(guī)范EN 1992-1-1:2004[2]和EN 206-1: 2000[34]，葡萄牙、荷蘭、英國、德國、丹麥和挪威等歐洲國家均在此基礎(chǔ)上結(jié)合各地的實(shí)際情況進(jìn)行了修訂完善[3-17]。歐洲(EN)規(guī)范[2，34]根據(jù)不同暴露區(qū)域氯鹽的腐蝕機(jī)制將海洋氯鹽環(huán)境劃分為XS1(大氣區(qū))、XS2(水下區(qū))和XS3(潮汐浪濺區(qū))三個(gè)等級(jí)；加拿大(CSA)規(guī)范[25，35]綜合考慮暴露條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型和腐蝕嚴(yán)重程度，將水下區(qū)劃分為C-3級(jí)，將潮汐浪濺區(qū)和大氣鹽霧區(qū)劃分為C-1級(jí)或C-XL級(jí)；日本(JSCE)規(guī)范[19]根據(jù)環(huán)境腐蝕嚴(yán)重程度，將水下區(qū)和離海岸線距離0.1～1 km的大氣輕度鹽霧區(qū)劃分為腐蝕環(huán)境，將潮汐區(qū)、浪濺區(qū)和離海岸線距離小于0.1 km的大氣重度鹽霧區(qū)劃分為嚴(yán)重腐蝕環(huán)境，并認(rèn)為離海岸線大于1 km的區(qū)域通常不受海洋大氣鹽霧影響；美國(ACI)規(guī)范[21]沒有對(duì)海洋環(huán)境條件進(jìn)行細(xì)分，將海洋氯鹽環(huán)境和潮濕環(huán)境統(tǒng)一劃分為C2級(jí)；美國(AASH)規(guī)范[36]將潮汐浪濺區(qū)和水下區(qū)劃分為海水環(huán)境，將大氣區(qū)劃分為海岸環(huán)境；澳大利亞(AS)規(guī)范[24]根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)沿豎向(高度)和水平方向上的腐蝕程度，將海洋氯鹽環(huán)境作用按照嚴(yán)重等級(jí)劃分為B1(輕度鹽霧區(qū))、B2級(jí)(水下區(qū))、C1級(jí)(重度鹽霧區(qū))和C2級(jí)(潮汐區(qū)和浪濺區(qū))，其中，將離海岸線外1～50 km范圍內(nèi)的海洋環(huán)境劃分為輕度鹽霧區(qū)，將離海岸線1 km以內(nèi)的海洋環(huán)境劃分為重度鹽霧區(qū)；印度(IS)規(guī)范[22]將海洋水下區(qū)和大氣區(qū)劃分為惡劣等級(jí)，將浪濺區(qū)劃分為非常惡劣等級(jí)，將潮汐區(qū)劃分為極端惡劣等級(jí)；南非(SANS)規(guī)范[23]將離海岸線小于30 km的區(qū)域劃分為非常惡劣等級(jí)，將直接與海水接觸的區(qū)域劃分為極端惡劣等級(jí)。由此可見，EN、CSA、JSCE、AS、IS等規(guī)范對(duì)海洋氯鹽環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)的劃分相對(duì)比較系統(tǒng)全面，而ACI、AASH、SANS等規(guī)范的劃分相對(duì)比較粗略；對(duì)于不同的規(guī)范，浪濺區(qū)和潮汐區(qū)的環(huán)境作用等級(jí)相對(duì)較高，其次是重度鹽霧區(qū)和輕度鹽霧區(qū)，水下區(qū)的環(huán)境作用等級(jí)最低；國外規(guī)范主要根據(jù)暴露條件和海岸線距離等因素劃分海洋氯鹽環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)，但是對(duì)于水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)的劃分缺乏系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范主要包括海港工程[26，31]、水運(yùn)工程[32]、鐵路工程[30]、公路工程[33]等領(lǐng)域規(guī)范及土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[27]和國家標(biāo)準(zhǔn)[29]等，見表1。其中，海港工程(JTJ、JTS2)規(guī)范[26，31]和水運(yùn)工程(JTS1)規(guī)范[32]考慮混凝土結(jié)構(gòu)沿豎向(高度)方向上的腐蝕程度差異，將海洋氯鹽環(huán)境條件劃分為水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)，但是沒有考慮混凝土結(jié)構(gòu)沿水平方向(如離海岸距離)的腐蝕程度差異；鐵路工程(TB)規(guī)范[30]根據(jù)侵蝕部位、離海岸線距離、濕度以及水中和土中氯離子濃度等因素，將氯鹽環(huán)境劃分為L1、L2和L3三級(jí)；公路工程(JTG)規(guī)范[33]根據(jù)氣候條件、離漲潮線距離和暴露條件等因素，將氯鹽環(huán)境劃分為水下區(qū)和鹽霧影響區(qū)(C級(jí))、輕度鹽霧區(qū)(D級(jí))、重度鹽霧區(qū)和非炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(E級(jí))以及炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(F級(jí))，其中將漲潮線外0.3～1.2 km范圍內(nèi)的陸上環(huán)境劃分為鹽霧影響區(qū)，將漲潮線外0.1～0.3 km范圍內(nèi)的陸上環(huán)境劃分為輕度鹽霧區(qū)，將離漲潮線0.1 km以內(nèi)的陸上環(huán)境劃分為重度鹽霧區(qū)；土木工程學(xué)會(huì)(CCES)標(biāo)準(zhǔn)[27]將氯鹽環(huán)境作用劃分為水下區(qū)和輕度鹽霧區(qū)(D級(jí))、重度鹽霧區(qū)和非炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(E級(jí))以及炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(F級(jí))；國家(GB)標(biāo)準(zhǔn)[29]將海洋氯鹽環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)劃分為水下區(qū)(C級(jí))、輕度鹽霧區(qū)(D級(jí))、重度鹽霧區(qū)和非炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(E級(jí))以及炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)(F級(jí))。JTG、CCES和GB三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均以平均水位上方15 m和離漲潮岸線0.1 km為界劃分輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)，將潮汐區(qū)和浪濺區(qū)合并為潮汐浪濺區(qū)，并將非炎熱地區(qū)和炎熱地區(qū)的潮汐浪濺區(qū)分別劃分為E級(jí)和F級(jí)。由此可見，與國外規(guī)范相比，國內(nèi)規(guī)范的環(huán)境作用等級(jí)劃分相對(duì)更為系統(tǒng)全面，而且考慮了混凝土結(jié)構(gòu)沿豎向和水平方向上腐蝕程度的差異性以及溫度、濕度等對(duì)耐久性影響較大的因素影響，但是在離海岸線距離、所處海水環(huán)境位置、溫濕度等方面的劃分依據(jù)和形式存在差異；考慮到浪濺區(qū)的干濕循環(huán)次數(shù)多、氯離子供給充足、含氧量豐富等因素，國內(nèi)規(guī)范[26-27，29-33]對(duì)浪濺區(qū)所劃分的環(huán)境作用等級(jí)高于潮汐區(qū)，而國外規(guī)范[2-17，19，21-25，34-36]通常將潮汐區(qū)和浪濺區(qū)劃分為同一環(huán)境作用等級(jí)；中外規(guī)范雖然劃分了環(huán)境作用等級(jí)，但是主要采用中度、嚴(yán)重、非常嚴(yán)重和極端嚴(yán)重等定性描述，由于缺乏不同等級(jí)環(huán)境作用的量化指標(biāo)(如表面氯離子濃度)，從而無法為海洋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析與設(shè)計(jì)提供量化邊界條件[32，37-39]。

表1 不同規(guī)范的環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Classification criteria of environmental conditions and environmental action classes for various codes

2 耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)的限值

當(dāng)前，國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范主要基于工程經(jīng)驗(yàn)和定性分析，預(yù)期通過限制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、水膠比、膠凝材料用量、保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)或電通量、氯離子含量以及裂縫寬度等參數(shù)的限值來保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，有必要圍繞國內(nèi)外規(guī)范的耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)限值開展系統(tǒng)性對(duì)比分析。需要說明的是，鐵路工程(TB)規(guī)范[30]采用的設(shè)計(jì)使用年限為60 a，而其他規(guī)范采用的設(shè)計(jì)使用年限統(tǒng)一為50 a；CCES[27]、JTG[33]、GB[29]、JSCE[19]和CSA[25，35]等規(guī)范以墩柱等條形構(gòu)件為例，其他規(guī)范沒有明確區(qū)分面形構(gòu)件和條形構(gòu)件。

2.1 最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)與混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和密實(shí)性等性能指標(biāo)密切相關(guān)，而且混凝土強(qiáng)度比較容易測(cè)定，所以國內(nèi)外耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范普遍對(duì)最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行了限定，見表2。其中，CSA、ACI和AS規(guī)范采用的是標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件(Φ150 mm×300 mm)的抗壓強(qiáng)度等級(jí)，而其他規(guī)范采用的是標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)的抗壓強(qiáng)度等級(jí)。由表2可知，在相同的環(huán)境條件下，國內(nèi)外不同規(guī)范給定的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)通常相差3～4個(gè)等級(jí)；對(duì)于不同的環(huán)境條件，各國規(guī)范給定的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)也存在顯著差異。其中，潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較高，而水下區(qū)和大氣區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較低，二者通常相差2～3個(gè)等級(jí)。對(duì)于大氣區(qū)，當(dāng)離漲潮線距離小于0.1 km時(shí)，TB、JTG、CCES和GB規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高1個(gè)等級(jí)。對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，當(dāng)位于炎熱(南方)地區(qū)，JTG、CCES、GB和JTJ規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高1個(gè)等級(jí)；對(duì)于大氣區(qū)，JTJ、JTS1、BS和IS等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較低(C30)，而JTS2、CCES、GB和SANS等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較高(C40～C45)。對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，JTJ、JTS1、TB、BS、CSA和IS等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較低(C30～C35)，而JTS2、JTG、CCES、GB、EN、NP和DIN等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較高(C45～C50)；此外，我國海港工程和水運(yùn)工程(JTJ、JTS2和JTS1)規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)比潮汐區(qū)的高1～2個(gè)等級(jí)，其他規(guī)范對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)一致；對(duì)于水下區(qū)，JTJ、JTS1、TB、BS、CSA和IS等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較低(C25～C30)，而JTS2、CCES、GB、EN、NP、DIN、AS和SANS等規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較高(C40～C45)。對(duì)于CSA規(guī)范，大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，水下區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；對(duì)于ACI規(guī)范，所有環(huán)境條件下的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35；對(duì)于AS規(guī)范，輕度鹽霧區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C32，水下區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，而重度鹽霧區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

表2 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)比Tab. 2 Comparison of minimum concrete strength classes for various codes under different environmental conditions

2.2 最大水膠比

混凝土的水膠比與混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性和力學(xué)性能等指標(biāo)密切相關(guān)。不同環(huán)境條件下各規(guī)范給定的最大水膠比如圖1所示。由圖1可知，在相同的環(huán)境條件下，國內(nèi)外不同規(guī)范給定的最大水膠比存在顯著差異，通常相差0.15～0.20；對(duì)于不同的環(huán)境條件，各國規(guī)范給定的混凝土最大水膠比也存在顯著差異。其中，潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最大水膠比相對(duì)較低，大氣區(qū)和水下區(qū)的最大水膠比相對(duì)較高，二者通常相差0.10；對(duì)于大氣區(qū)，當(dāng)離漲潮線距離大于0.1 km時(shí)，TB和JTG規(guī)范的最大水膠比提高0.05，CCES規(guī)范的最大水膠比提高0.02，當(dāng)位于北方地區(qū)時(shí)，JTJ和JTS1規(guī)范的最大水膠比提高0.05；對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，當(dāng)位于炎熱地區(qū)，JTG、CCES和GB規(guī)范的最大水膠比降低0.04，當(dāng)位于北方地區(qū)，JTJ和JTS1規(guī)范的最大水膠比提高0.05～0.10。對(duì)于大氣區(qū)，JTS2、GB、BS、CSA和ACI等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較低(0.35～0.40)，而JTJ、JTS1、TB、JTG、EN、NP、NEN和DIN等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較高(0.50～0.55)；對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，JTS2、CCES、GB、BS、CSA、ACI和IS等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較低(0.35～0.40)，而JTJ和TB等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較高(0.50～0.55)；值得注意的是，我國海港工程和水運(yùn)工程(JTJ、JTS2和JTS1)規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最大水膠比要比潮汐區(qū)的低0.05～0.15，而印度IS規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最大水膠比比潮汐區(qū)的低0.05，其余規(guī)范對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)最大水膠比一致；對(duì)于水下區(qū)，JTS2、GB、BS和ACI等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較低(0.40)，而JTJ、JTS1和TB等規(guī)范的最大水膠比相對(duì)較高(0.55～0.60)。

圖1 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的最大水膠比對(duì)比Fig. 1 Comparison of maximum water-to-binder ratios of various codes under different environmental conditions

2.3 最小膠凝材料用量

膠凝材料用量對(duì)混凝土的和易性、密實(shí)性、抗?jié)B性等指標(biāo)影響較大。不同環(huán)境條件下各規(guī)范給定的最小膠凝材料用量如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于不同的環(huán)境條件下，各國規(guī)范給定的最小膠凝材料用量總體上差異不大(300～400 kg/m3)，但在考慮環(huán)境因素方面各規(guī)范存在略微差異。對(duì)于大氣區(qū)，當(dāng)離漲潮線距離小于0.1 km時(shí)，TB和JTG規(guī)范的最小膠凝材料用量增加了20 kg/m3，當(dāng)位于南方地區(qū)時(shí)，JTS1和JTJ規(guī)范的最小膠凝材料用量分別增加了40 kg/m3和60 kg/m3。對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，當(dāng)位于炎熱地區(qū)時(shí)，JTG規(guī)范的最小膠凝材料用量增加了20 kg/m3，當(dāng)位于南方地區(qū)時(shí)，JTJ和JTS1規(guī)范的最小膠凝材料用量增加了40～60 kg/m3；對(duì)于大氣區(qū)，除我國海港工程和水運(yùn)工程(JTJ、JTS2和JTS1)等規(guī)范外，其余國內(nèi)外規(guī)范的最小膠凝材料用量都在280～330 kg/m3之間；對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，規(guī)范規(guī)定最小膠凝材料用量均不小于300 kg/m3，其中JTJ、JTS2和JTS1等規(guī)范的最小膠凝材料用量最大可達(dá)到400 kg/m3，IS規(guī)范的最小膠凝材料用量最大可達(dá)到360 kg/m3，其他規(guī)范的最小膠凝材料用量在300～340 kg/m3之間。此外，我國海港工程和水運(yùn)工程(JTJ、JTS2和JTS1)等規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最小膠凝材料用量比潮汐區(qū)的增加了20～100 kg/m3不等，而印度IS規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最小膠凝材料用量比潮汐區(qū)的減小了20 kg/m3，其余規(guī)范對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最小膠凝材料用量基本一致；對(duì)于水下區(qū)，除JTS2規(guī)范外(380 kg/m3)，其余國內(nèi)外規(guī)范的最小膠凝材料用量均在280～320 kg/m3之間。

圖2 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的最小膠凝材料用量對(duì)比Fig. 2 Comparison of minimum binder contents for various codes under different environmental conditions

2.4 最小保護(hù)層厚度

足夠的混凝土保護(hù)層厚度不僅能夠保證鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力，而且可以保護(hù)混凝土中的鋼筋免遭外部腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要影響。不同環(huán)境條件下中外規(guī)范給定的最小保護(hù)層厚度如圖3所示。其中，JTJ、JTS1和JTS2規(guī)范的保護(hù)層厚度定義為混凝土中主筋表面與混凝土表面的最小距離，而其他規(guī)范的保護(hù)層厚度定義為混凝土中最外側(cè)鋼筋表面與混凝土表面的最小距離。由圖3可知，在相同的環(huán)境條件下，國內(nèi)外不同規(guī)范給定的最小保護(hù)層厚度存在顯著差異，通常相差20～30 mm；對(duì)于不同的環(huán)境條件，各國規(guī)范給定的最小保護(hù)層厚度也存在顯著差異。其中，潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較大，大氣區(qū)和水下區(qū)的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較小，二者通常相差10 mm。對(duì)于大氣區(qū)，當(dāng)離漲潮線距離小于0.1 km時(shí)，TB、CCES和GB規(guī)范的最小保護(hù)層厚度增大了5 mm，當(dāng)離海岸線距離小于1 km時(shí)，AS規(guī)范的最小保護(hù)層厚度增大了10 mm；對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，當(dāng)位于炎熱(南方)地區(qū)，JTS2、JTS1、CCES和GB規(guī)范的最小保護(hù)層厚度增大了5 mm，TB規(guī)范的最小保護(hù)層厚度增大了10 mm，JTJ規(guī)范的最小保護(hù)層厚度增大了15 mm。對(duì)于大氣區(qū)，EN、NP、NEN、BS和DK等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較小(30～35 mm)，而GB、CSA、AASH和SANS等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較大(55～75 mm)；對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，JTG、EN、NP、NEN、BS、DIN和DK等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較小(40～45 mm)，而JTJ、JTS2、JTS1、TB、GB、NS、CSA、AASH、AS、IS和SANS等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較大(60～75 mm)。此外，我國海港工程和水運(yùn)工程(JTJ、JTS2和JTS1)等規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最小保護(hù)層厚度比潮汐區(qū)的增加了10～15 mm不等，而IS規(guī)范對(duì)于浪濺區(qū)的最小保護(hù)層厚度比潮汐區(qū)減小了25 mm，其余規(guī)范對(duì)于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的最小保護(hù)層厚度保持一致；對(duì)于水下區(qū)，JTJ、BS和DK等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較小(30 mm)，而NS、CSA、AASH和SANS等規(guī)范的最小保護(hù)層厚度相對(duì)較大(50～75 mm)。

圖3 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的最小保護(hù)層厚度對(duì)比Fig. 3 Comparison of minimum concrete covers for various codes under different environmental conditions

2.5 抗氯離子滲透性指標(biāo)限值

混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)是描述混凝土抗氯離子滲透性的兩個(gè)重要指標(biāo)，且通?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)快速測(cè)定[32，40-42]。其中，JTJ、JTS2、JTS1、TB、CCES、JTG和CSA等規(guī)范給定了不同環(huán)境條件下混凝土電通量的上限值(見表3)，而JTS2、JTS1、JTG、CCES和GB等規(guī)范給定了不同環(huán)境條件下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的上限值(見表4)。由表3和表4可知，在不同的環(huán)境條件下，各規(guī)范給定的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的上限值差異較大。其中，浪濺區(qū)和潮汐區(qū)的電通量上限值均在800～2 000 C之間，氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值均在4×10-12～8×10-12m2/s之間；水下區(qū)的電通量上限值在1 000～2 000 C之間，氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值在4.5×10-12～10×10-12m2/s之間。對(duì)于大氣區(qū)，CSA、JTS2和JTS1等規(guī)范沒有區(qū)分輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)，電通量上限值在1 000～2 000 C之間，氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值在4.5×10-12～8.0×10-12m2/s之間；TB、JTG、CCES和GB等規(guī)范區(qū)分了輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)，其中，TB、CCES和JTG規(guī)范規(guī)定，輕度鹽霧區(qū)的電通量上限值在1 500～2 000 C之間，氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值為10×10-12m2/s，而重度鹽霧區(qū)的電通量上限值為1 000～1 500 C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值在6.0×10-12～8.0×10-12m2/s之間；GB規(guī)范未給出電通量上限值，但規(guī)定輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值分別為10.0×10-12m2/s和6.0×10-12m2/s。CSA規(guī)范未給出氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值，但規(guī)定大氣區(qū)的電通量上限值為1 500 C，當(dāng)需要滿足更高設(shè)計(jì)使用年限要求時(shí)，電通量上限值為1 000 C。

表3 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的混凝土電通量上限值對(duì)比

表4 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值對(duì)比

2.6 最大初始氯離子含量

混凝土中的氯離子會(huì)促使鋼筋表面的鈍化膜破壞而發(fā)生銹蝕，由氯離子引起的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的主要原因。除了從外部暴露環(huán)境向混凝土內(nèi)部傳輸進(jìn)入外，氯離子還會(huì)通過原材料(如砂石、水泥、礦物摻合料)、攪拌用水以及外加劑等途徑混入混凝土內(nèi)部。因此，各國規(guī)范對(duì)素混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土中的最大初始氯離子含量分別進(jìn)行了限定，但在計(jì)算方式和具體限值方面存在較大差別。以鋼筋混凝土為例，歐洲(EN)規(guī)范根據(jù)不同環(huán)境類別規(guī)定混凝土中的最大初始氯離子含量分別為0.4%和0.2%(占膠凝材料質(zhì)量的百分比)；德國(DIN)規(guī)范根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件規(guī)定最大初始氯離子含量為0.4%(占膠凝材料質(zhì)量的百分比)；美國(ACI)規(guī)范和加拿大(CSA)規(guī)范都規(guī)定新拌混凝土的最大初始氯離子含量為0.15%(占膠凝材料質(zhì)量的百分比)；日本(JSCE)規(guī)范規(guī)定侵蝕環(huán)境和嚴(yán)重侵蝕環(huán)境的最大初始氯離子含量為0.3%(占混凝土質(zhì)量的百分比)；國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(FIP)規(guī)范[43]規(guī)定熱帶氣候、溫帶氣候和極冷地區(qū)的最大初始氯離子含量分別為0.1%、0.4%和0.6%(占水泥質(zhì)量的百分比)；中國國家(GB)標(biāo)準(zhǔn)給定的最大初始氯離子含量為0.08%(占膠凝材料質(zhì)量的百分比)；JTJ、JTS2、JTS1、TB、JTG、CCES等規(guī)范給定的最大初始氯離子含量為0.1%(占膠凝材料質(zhì)量的百分比)。總體而言，國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的最大初始氯離子含量比國外規(guī)范給定的限值低。

2.7 最大裂縫寬度

由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，在實(shí)際工程中往往帶裂縫工作?；炷亮芽p為外部腐蝕環(huán)境中的氯離子、水分和氧氣等物質(zhì)向混凝土內(nèi)部的傳輸提供了便捷通道，會(huì)明顯加劇混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性劣化。因此，各國規(guī)范對(duì)混凝土的最大裂縫寬度進(jìn)行了限定，見表5。由表5可知，在不同的環(huán)境條件下，各規(guī)范給定的最大裂縫寬度差異較大。其中，浪濺區(qū)和潮汐區(qū)的混凝土最大裂縫寬度均在0.10～0.30 mm之間；水下區(qū)的混凝土最大裂縫寬度在0.15～0.30 mm之間；對(duì)于大氣區(qū)，JTJ、JTS2、JTS1、TB、EN、DIN和DK等規(guī)范沒有區(qū)分輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)，規(guī)定的混凝土最大裂縫寬度在0.20～0.30 mm之間；JTG、CCES和GB等規(guī)范區(qū)分了輕度鹽霧區(qū)和重度鹽霧區(qū)，規(guī)定輕度鹽霧區(qū)的混凝土最大裂縫寬度在0.15～0.20 mm之間，而重度鹽霧區(qū)的混凝土最大裂縫寬度在0.10～0.15 mm之間；日本(JSCE)規(guī)范考慮保護(hù)層厚度的影響，規(guī)定浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)(離海岸線d<0.1 km)的混凝土最大裂縫寬度為保護(hù)層厚度的0.35%(即0.35c%)，而水下區(qū)和大氣區(qū)(離海岸線d>0.1 km)的混凝土最大裂縫寬度為保護(hù)層厚度的0.40%(即0.40c%)。

表5 不同環(huán)境條件下各規(guī)范的混凝土最大裂縫寬度對(duì)比Tab. 5 Comparison of maximum crack widths of concrete for various codes under different environmental conditions (mm)

3 結(jié) 論

針對(duì)國內(nèi)外耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范在海洋混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境條件與環(huán)境作用等級(jí)劃分以及耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)限值等方面進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1) 國外規(guī)范主要根據(jù)暴露條件和海岸線距離等因素劃分海洋氯鹽環(huán)境條件和環(huán)境作用等級(jí)，但是對(duì)水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)缺乏系統(tǒng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)；與國外規(guī)范相比，國內(nèi)規(guī)范的環(huán)境作用等級(jí)劃分更為系統(tǒng)全面，且考慮了混凝土結(jié)構(gòu)沿豎向和水平方向上腐蝕程度的差異性以及溫度、濕度等條件的影響，但是在離海岸線距離、所處海水環(huán)境位置、溫濕度等方面的劃分依據(jù)和形式存在差異；此外，國內(nèi)外規(guī)范雖然劃分了環(huán)境作用等級(jí)，但是主要采用中度、嚴(yán)重、非常嚴(yán)重和極端嚴(yán)重等定性描述，缺乏不同等級(jí)環(huán)境作用的量化指標(biāo)，從而無法為海洋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析與設(shè)計(jì)提供量化邊界條件。

2) 國內(nèi)外現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范主要基于工程經(jīng)驗(yàn)和定性分析，預(yù)期通過限制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、水膠比、膠凝材料用量、保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)或電通量、氯離子含量以及裂縫寬度等參數(shù)的限值來保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，不僅缺少海洋氯鹽環(huán)境作用的量化指標(biāo)，而且缺乏合理的耐久性定量分析模型與設(shè)計(jì)技術(shù)，導(dǎo)致無法通過定量計(jì)算確定耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。對(duì)于相同的環(huán)境條件，不同規(guī)范所給定的耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)限值差異較大。其中，最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差2～4個(gè)等級(jí)；最大水膠比相差0.15～0.20；最小膠凝材料用量相差20～100 kg/m3；最小保護(hù)層厚度相差20～30 mm；混凝土電通量相差1 000～1 200 C；氯離子擴(kuò)散系數(shù)上限值相差3.5×10-12～5.5×10-12m2/s；最大初始氯離子含量相差0.02%～0.32%(占膠凝材料質(zhì)量百分比)；最大裂縫寬度相差0.05～0.20 mm。

3) 為了實(shí)現(xiàn)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性定量分析與設(shè)計(jì)，有必要進(jìn)一步圍繞海洋氯鹽環(huán)境作用量化、海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量分析模型、海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計(jì)技術(shù)等方面開展深入研究。