基于軟件Life-365的氯離子環(huán)境下混凝土材料耐久性設(shè)計

韓 意，解東升，張 偉，吳偉東，馬 露

(1.安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233100；2.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

引 言

混凝土的耐久性是指混凝土在不同的使用環(huán)境下，抵抗由于內(nèi)部材料或者外部環(huán)境所造成的侵蝕或者破壞，保持正常使用的能力[1]。氯離子侵蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最為突出的耐久性問題[2]。氯離子主要通過破壞鋼筋混凝土表面的鈍化膜，形成點蝕，然后形成腐蝕電池，加速腐蝕，最終使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化破壞，耐久性降低[3]。

1 鋼筋混凝土材料中氯離子引發(fā)鋼筋銹蝕機理

交通行業(yè)歷次調(diào)查顯示，我國1986年以前建設(shè)的港口工程，大多在建成后5 a左右，構(gòu)件表面積出現(xiàn)輕微銹蝕裂縫，一般15 a左右即發(fā)展到非常嚴重的程度。1987年后，隨著標準規(guī)范的不斷完善，對材料和構(gòu)造方面提出了具體要求，結(jié)構(gòu)耐久性破壞現(xiàn)象得到明顯改善。但是氯離子與應(yīng)力的聯(lián)合作用依然為我國碼頭混凝土耐久性的主要影響因素[4]。因此對于港工建筑物，研究氯離子引發(fā)的混凝土耐久性降低尤為重要。

氯離子引發(fā)鋼筋銹蝕的機理主要有以下幾種[5-6]：

(1)破壞鈍化膜。氯離子的增加可以使鋼筋混凝土周圍環(huán)境的pH值降低，從而破壞使鈍化膜保持穩(wěn)定的堿性環(huán)境，進而發(fā)生點蝕。

(2)形成“腐蝕電池”。當發(fā)生點蝕后，未腐蝕的鈍化膜和外露的鐵基體形成腐蝕電池的陰陽極，使腐蝕面積迅速擴大。

(3)去極化作用。由于形成的腐蝕電池陽極生成的FeCl2溶解性很強，與混凝土孔隙溶液中的OH-離子結(jié)合后，進一步發(fā)生氧化反應(yīng)生成多孔疏松Fe(OH)3或Fe2O3，同時釋放出氯離子，最終引起鋼筋的膨脹性腐蝕。

綜上，氯離子并不會直接腐蝕混凝土材料本身，但會激發(fā)和加速混凝土中鋼筋的銹蝕，使構(gòu)件強度降低，正常使用壽命縮短，耐久性降低[2]。

2 海港工程混凝土耐久性設(shè)計要求

2.1 對混凝土材料的要求

混凝土材料選擇是提高混凝土耐久性的關(guān)鍵一步，因此需要重點關(guān)注：水泥質(zhì)量；水灰(膠)比；水泥用量；堿含量等。

2.2 對外加劑的要求

混凝土的外加劑主要包括粉煤灰、硅灰和礦渣?；炷林械墓杌覍μ岣呋炷恋拿軐嵍?、降低氯離子的擴散速率極為有利[7]。但是，硅灰會提高混凝土的水化熱，對于大體積混凝土的施工是極為不利的，為了降低由于水化熱造成的混凝土溫度裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險，常常需要摻入一定量的粉煤灰[8]。

硅灰通過影響氯離子的擴散速率，進而影響混凝土抗?jié)B性能以及耐久性，計算如(1)式。

DSF=DPCe-0.165SF

(1)

式中，DSF為摻入硅灰后鋼筋混凝土中氯離子的擴散速度；DPC為水泥中氯離子擴散系數(shù)；SF為硅灰與膠凝材料的質(zhì)量比值。

粉煤灰主要通過影響氯離子的擴散系數(shù)衰減指數(shù)m間接影響混凝土的耐久性，計算如(2)式。

m=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

(2)

式中，%FA表示粉煤灰與膠凝材料的質(zhì)量比值；%SG表示礦渣與膠凝材料的質(zhì)量比值。

2.3 保護層厚度的要求

混凝土保護層厚度可以提高腐蝕介質(zhì)到達鋼筋表面的時間，同時可以抵抗鋼筋腐蝕形成的脹裂力。但是過大的保護層厚度一方面可以增加施工成本，另一方面可以增大裂縫。我國從耐久性角度出發(fā)，在《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275-2000)中對混凝土保護層厚度做了具體規(guī)定。

2.4 限裂措施

對處于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫的出現(xiàn)將加速氯離子的滲透，從而縮短鋼筋開始銹蝕的時間。但鋼筋開始銹蝕后，裂縫寬度與銹蝕速度之間的關(guān)系尚存在不同見解。由于目前關(guān)于兩者之間關(guān)系的長期試驗不多，結(jié)論不統(tǒng)一，所以工程設(shè)計時仍需按照規(guī)范要求對混凝土裂縫的寬度進行嚴格控制。

2.5 防腐蝕附加措施

國內(nèi)外大量試驗和調(diào)查研究證明，在惡劣的海洋環(huán)境中，不能僅僅依靠混凝土本身抵擋氯離子的滲入對混凝土造成的損害，必須采用防腐蝕措施以保證混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性。工程實踐證明，涂層防腐輔助措施，可以較為有效的阻隔氯鹽滲入混凝土，延長氯離子侵入混凝土所需要的時間。同時，這種防腐涂層可以通過阻隔空氣，提高混凝土的電阻率，起到防止混凝土碳化的作用。

2.6 結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)造

合理的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造可以減輕服役環(huán)境對工程的影響，提高耐久性。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造，可能在實際施工過程中導(dǎo)致鋼筋位置、保護層厚度等難以保證，混凝土構(gòu)件的質(zhì)量也就難以滿足要求。混凝土結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計時，在滿足使用功能和環(huán)境條件的前提下，應(yīng)盡量選擇簡單平順，無棱角和突變位置的結(jié)構(gòu)形式。

2.7 施工質(zhì)量要求

許多施工方面的因素會造成混凝土耐久性不足。例如鋼筋比較密集的構(gòu)件，可能造成鋼筋定位困難，設(shè)計的混凝土保護層厚度不容易保證，混凝土澆筑也難以振搗密實，從而對混凝土耐久性產(chǎn)生影響?？梢?，可靠的施工質(zhì)量是保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極其重要的環(huán)節(jié)。

2.8 維護要求

工程后期的維護對混凝土耐久性也起著十分重要的作用。主要包括日常檢查、定期檢測評估和適時維修。日常檢查主要包括混凝土表面缺陷、構(gòu)件表面損傷和耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的完好性；定期檢測評估主要包括鋼筋銹蝕、凍融等劣化外觀檢測和專項檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)狀進行評估和預(yù)測；對于評估預(yù)測耐久性不滿足設(shè)計使用年限要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進行耐久性再設(shè)計并采取耐久性維修措施。

3 基于Life-365的氯離子擴散機理

混凝土耐久性研究的前提是如何定量預(yù)測混凝土的使用壽命，現(xiàn)今運用比較廣的有三種模型。一是歐盟的DuraCrete模型；二是基于MATLAB考慮概率分布的壽命預(yù)測模型；三是美國的Life-365模型。Life-365采用的是全概率法預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，計算簡單。

本文主要采用第三種方法預(yù)測混凝土構(gòu)件使用壽命。Life-365是根據(jù)全壽命經(jīng)濟分析法LCCA，于1998年由加拿大多倫多大學(xué)M.D.AThomas和E.C.Bentz教授提出的，對于腐蝕破壞而言，就是實施以防為主的戰(zhàn)略方針，使得長期效益最大化。仲維亮、蘆志強等認為Life-365是針對氯鹽環(huán)境下港口工程使用壽命的計算軟件，并將其運用于波斯灣地區(qū)港口工程設(shè)計中，計算結(jié)果表明Life-365十分適合該地區(qū)港口工程結(jié)構(gòu)使用壽命的計算分析。

Life-365軟件使用手冊(2008/01/08)對Life-365軟件的使用方法及計算原理進行了詳盡的介紹。其主要的輸入?yún)?shù)包含外部環(huán)境參數(shù)(主要是溫度和構(gòu)件表面氯離子濃度)、構(gòu)件尺度參數(shù)(主要是構(gòu)件尺寸和保護層厚度)及混凝土配合比參數(shù)。臨界氯離子濃度是Life-365軟件中比較關(guān)鍵的參數(shù)，在實際工程中，需要對工程周邊環(huán)境進行充分調(diào)研，結(jié)合混凝土材料本身的屬性進行確認。在Life-365模型中，混凝土構(gòu)件的使用壽命主要包含下述的兩個階段。

3.1 使用壽命界定

耐久性是結(jié)構(gòu)混凝土在服役環(huán)境中，抵御外部侵害，保持使用性能的能力。以往對于耐久性的評價僅僅是定性評價，如優(yōu)良、好或不好。發(fā)展到混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測時，耐久性才依附于構(gòu)件或者工程才可以定量評價。

為了研究港工工程混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命，我們?nèi)藶閷⒐こ虤v時進行劃分。第一個階段ti是從施工開始至鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值所需要的時間，簡單稱為筋銹蝕誘發(fā)展期。第二個階段tp是從氯離子濃度達到臨界值到不能接受的破損時間，或者到第一次維修需要的時間，簡單稱為擴展期。使用壽命t則按照下式(3)進行計算。

t=ti+tp

(3)

實際在進行使用壽命定量計算時，擴展期tp的量化是比較困難的，因為擴展期不僅僅由鋼筋腐蝕速度確定，還決定于業(yè)主對于“不能接受的破損”的界定。tp在Life-365中默認取值為6 a.，對于高性能混凝土，其取值一般大于6 a[9]。保守起見，本工程中取值為6 a。

3.2 現(xiàn)場環(huán)境條件

本工程是國內(nèi)某海港工程，屬Ⅲ類服役環(huán)境即海水氯化物引起鋼筋銹蝕極端嚴重的近海環(huán)境。工程所在地高溫期長，最高溫度高，最高日均溫達46 ℃，溫差大。

基于施工過程中時間跨度較長、經(jīng)歷冬夏季節(jié)變化等，結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件，本工程采用高強混凝土C40，同時摻合粉煤灰和硅灰。具體配合比見下表1。

表1 混凝土配合比

3.3 氯離子擴散系數(shù)

28 d齡期普通硅酸鹽水泥混凝土的氯離子擴散系數(shù)按公式(4)進行計算：

(4)

其中，單位為：m2/s，w/B為水膠比。

同時需要考慮氯離子擴散系數(shù)隨時間的變化關(guān)系，并且用齡期系數(shù)n來修正，修正公式如(5)式。

(5)

其中，t代表時間，單位為: a；D(t)是時間為t時氯離子的擴散系數(shù)；n為齡期系數(shù)。

公式(5)中當時間t大于10后，氯離子擴散系數(shù)D(t)變化極小[9]。Life-365軟件中t值默認為25 a。

3.4 臨界氯離子濃度

如前所述，引起鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度和很多因素有關(guān)，如混凝土構(gòu)件服役環(huán)境；水膠比；混凝土構(gòu)件外部防腐措施；保護層厚度；外加劑等。根據(jù)使用壽命的定義，臨界氯離子濃度設(shè)置的數(shù)值越大，氯化物積累到開始腐蝕的時間就越長，發(fā)展期ti就越大，使用壽命t就越大。在Life-365軟件中，對于一般海洋環(huán)境，氯離子濃度(占混凝土質(zhì)量的百分比)的默認值為0.05 %。

3.5 模擬結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)的設(shè)置，最終使用Life-365計算結(jié)果如下。以下Conc.是chloride ion concentration的英文縮寫，表示氯離子濃度。

(1)圖1和圖2直觀的表明本構(gòu)件的使用壽命為50.2 a，滿足業(yè)主50 a使用壽命要求。其中鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值所需要的時間是44.2 a。

圖1 Life-365計算結(jié)果

圖2 耐久性預(yù)測年限

(2)圖3、圖4和圖5表明同一時間混凝土構(gòu)件氯離子濃度隨深度增加不斷減小；構(gòu)件同一位置，隨著時間增長氯離子濃度在不斷增加。計算結(jié)果與采用模糊可靠度計算方法計算結(jié)論一致[10]。

圖3 ti=44.2 a時構(gòu)件氯離子濃度分布Fig.3 Concentration in the structure when ti equals to 44.2 a

圖4 ti=20 a時構(gòu)件氯離子濃度分布

圖5 氯離子濃度隨深度變化曲線Fig.5 Changing of concentration versus depth

(3)圖6表明在構(gòu)件60 mm深度，時間為44.2 a時氯離子濃度達到臨界濃度，鋼筋開始銹蝕。

圖6 構(gòu)件60 mm位置氯離子濃度隨時間變化曲線

(4)圖7表明隨著時間的推移，混凝土變硬，氯離子濃度擴散系數(shù)逐年降低，從第8 a時趨于平緩，但是存在由于溫度的年度變化引起的年度震蕩。

圖7 氯離子擴散系數(shù)隨時間變化曲線Fig.7 Changing curve of chloride diffusivity versus time

(5)圖8表明氯離子濃度隨時間的變化關(guān)系，由于本項目為海港工程，按照規(guī)范，屬于浪濺區(qū)，表面氯離子濃度是即時達到最大。

圖8 表面氯離子濃度隨時間變化曲線

3.6 敏感性分析

實際工程中，港工工程的耐久性影響因素很多，究竟哪些因素的變化對計算結(jié)果影響比較大，需要采用敏感性分析。為了簡化計算，下面分別對影響混凝土構(gòu)件耐久性的保護層厚度、水膠比、粉煤灰含量、硅灰含量四個因素進行單因素敏感性分析，計算結(jié)果如表2和圖9所示。

圖9 各影響因素敏感性分析曲線

表2 敏感性分析

根據(jù)以上單因素敏感性分析可以看出，四個影響因素中保護層厚度是最敏感因素，其次是水膠比，因此在進行構(gòu)件耐久性設(shè)計的過程中需要重點關(guān)注這兩個因素。

同時，根據(jù)規(guī)范本工程屬于浪濺區(qū)，混凝土表面氯離子濃度瞬時達到最大值，實際工程中一定會有防腐涂層，所以即使工程服役環(huán)境是浪濺區(qū)氯離子濃度也不會瞬時達到最大。假定由于防腐材料的保護，構(gòu)件5 a以后表面氯離子濃度達到最大值，計算結(jié)果則為56.8 a，計算的使用壽命提高了13.1 %。因此在使用Life-365進行混凝土耐久性計算過程中要考慮工程實際情況。

4 結(jié)語

對于高氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性研究是一項重要工作，同時高氯鹽環(huán)境下港工建筑物使用壽命預(yù)測也是一項極其復(fù)雜的工作。Life-365是一種可以針對氯鹽環(huán)境下混凝土使用壽命進行預(yù)測的軟件。同時，Life-365模型采用的是全概率法預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，考慮了保護層厚度、水膠比、阻銹劑、環(huán)氧涂層、氯離子臨界濃度、氯離子擴散系數(shù)等對使用壽命的影響。因此Life-365可以很好的運用于此類環(huán)境中。

同時，由于影響混凝土耐久性的因素較多，但是對于保護層厚度屬于此類工程使用壽命預(yù)測中的敏感因素，所以實際工程耐久性預(yù)測過程中需要給與較多的關(guān)注。同時，即使對于浪濺區(qū)的工程環(huán)境，也應(yīng)該根據(jù)工程實際情況設(shè)定表面氯離子達到最大值的時間。

在實際港口工程中，為提高水工混凝土構(gòu)件耐久性，比較有效的措施是增加保護層厚度和降低水膠比。但是過度增加保護層厚度會導(dǎo)致構(gòu)件計算裂縫寬度增加，從而增加鋼筋使用量，降低經(jīng)濟性；而水灰比過小會使混凝土凝結(jié)過程中水化熱較大，導(dǎo)致混凝土開裂，同時使混凝土的和易性較差，不利于施工。適量增加硅粉含量既可以降低水膠比，又可以提高混凝土密實度，對提高混凝土耐久性比較有效。