基于氯離子擴(kuò)散理論的混凝土橋梁耐久性研究

李亞彬

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

1 概述

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)與橋梁工程建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展,混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在使用壽命年限內(nèi)發(fā)生的多種破壞及其機(jī)理引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注并開(kāi)展了一系列研究[1-4]。研究結(jié)果表明混凝土結(jié)構(gòu)的破壞大多數(shù)并非全部由結(jié)構(gòu)及材料強(qiáng)度所引起,一味的提高混凝土材料強(qiáng)度并不能大幅提高結(jié)構(gòu)使用壽命,既不能提高工程的經(jīng)濟(jì)性,也不符合可持續(xù)發(fā)展理念?；炷两Y(jié)構(gòu)尤其是橋梁結(jié)構(gòu)的破壞大多數(shù)可以歸結(jié)為結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題,這些耐久性問(wèn)題中由于鹽腐蝕導(dǎo)致的耐久性問(wèn)題又占有相當(dāng)大的比重。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在正常服役期間主體結(jié)構(gòu)通常暴露于各種環(huán)境中,其中氯化物是一種最危險(xiǎn)的侵蝕環(huán)境介質(zhì),不僅存在于海水中,還存在于道路除冰鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的危害極為嚴(yán)重[5-9]。混凝土在氯離子侵蝕作用下會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹,不僅影響混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能,鋼筋的銹脹會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土有效承載面積減小,在荷載作用下加速混凝土劣化進(jìn)程,致使裂縫提前出現(xiàn),最終導(dǎo)致混凝土剝落,造成結(jié)構(gòu)功能失效?，F(xiàn)有的研究,大多基于室內(nèi)加速結(jié)合擴(kuò)散理論對(duì)混凝土試件氯離子的擴(kuò)散機(jī)理及其對(duì)混凝土的破壞機(jī)理進(jìn)行研究,或者基于數(shù)值模擬研究了理想條件下氯離子在混凝土中的傳輸過(guò)程即混凝土劣化進(jìn)程,并未從結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析,也未從耐久性角度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕作用的結(jié)構(gòu)劣化與服役性能進(jìn)行研究[10-11]。因此,本文基于經(jīng)典的擴(kuò)散理論,從理論上對(duì)混凝土梁結(jié)構(gòu)氯離子作用下的劣化過(guò)程進(jìn)行了分析,并基于以往的研究和實(shí)際破壞情況,研究了氯離子作用下混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性演化過(guò)程,確定了混凝土橋梁的耐久性計(jì)算與分級(jí)制度。

2 氯離子在混凝土中的擴(kuò)散理論

2.1 氯離子來(lái)源及侵入機(jī)理

混凝土中氯離子來(lái)源大致可以分為內(nèi)部和外部?jī)深悺?nèi)因主要是混凝土自身原材料中所包含的氯離子。部分地區(qū)混凝土的粗、細(xì)骨料中有一定含量氯離子,且實(shí)際施工過(guò)程中為了保證混凝土和易性,往往會(huì)加入一些含氯物質(zhì)或含氯的減水劑,致使混凝土橋梁在服役之前結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)存在較多的氯化物介質(zhì)[12-13]。外因主要包括橋梁結(jié)構(gòu)使用環(huán)境中可能存在的含氯腐蝕介質(zhì)。我國(guó)海岸線遼闊,海水中含有大量的氯鹽,因此沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)含氯侵蝕介質(zhì)的主要來(lái)源為海水。此外,我國(guó)北方地區(qū)冬季使用的道路除冰鹽、內(nèi)陸地區(qū)的鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中的廢氣廢料等,也是橋梁結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕介質(zhì)的來(lái)源[14]。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的侵入機(jī)理隨使用環(huán)境的不同差別較大?；炷潦茉牧?、配合比、振搗、養(yǎng)護(hù)等因素影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙較多且水分含量較高時(shí),環(huán)境中的氯離子會(huì)隨著水分在橋梁結(jié)構(gòu)中的滲透逐漸向內(nèi)部遷移,該種侵入機(jī)理稱為滲透作用。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境濕度較小,在日照、風(fēng)沙等作用下結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)外濕度較大,內(nèi)部管道與微孔洞因?yàn)檩^大的濕度差發(fā)生吸附作用,氯離子隨著水溶液的遷移被吸附于混凝土內(nèi)部,稱為毛細(xì)管作用。而高氯離子濃度環(huán)境中混凝土橋梁結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外濃度差驅(qū)動(dòng)作用下氯離子向混凝土內(nèi)部遷移的過(guò)程,稱為擴(kuò)散作用。此外,還有抽吸作用、電化學(xué)遷移、催化劑作用等,在氯離子侵入混凝土的過(guò)程中也有一定貢獻(xiàn)[15]。

2.2 氯離子擴(kuò)散模型

1970年,意大利學(xué)者Callepari于1970年成功使用Fick定律描述了混凝土中氯離子的擴(kuò)散規(guī)律,因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多基于Fick擴(kuò)散定律構(gòu)建氯離子在混凝土中的擴(kuò)散模型。常用的一維Fick擴(kuò)散模型如式(1)所示:

(1)

其中,C為實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)工作環(huán)境中氯離子的濃度;t為氯離子擴(kuò)散時(shí)間;α為反映氯離子擴(kuò)散程度的擴(kuò)散系數(shù);h為擴(kuò)散深度。

假定橋梁結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),則結(jié)構(gòu)在含有氯離子侵蝕介質(zhì)的環(huán)境中工作時(shí),實(shí)際鋼筋混凝土單元如圖1所示。

如圖1所示,氯離子在鋼筋混凝土單元中按照式(1)所示的過(guò)程擴(kuò)散時(shí),其邊界條件可定義為:

(2)

其中,Cc為氯離子初始濃度,即結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度;Cs為鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋表面的氯離子濃度。

根據(jù)圖1所示的鋼筋混凝土單元和式(2)所示的邊界條件,氯離子按照式(1)所示的過(guò)程在橋梁結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散時(shí),可得式(1)的通解為:

(3)

計(jì)算過(guò)程中,由于n始終為大于零的正整數(shù),對(duì)計(jì)算結(jié)果貢獻(xiàn)不大,因此,令n=0,簡(jiǎn)化后式(2)變?yōu)?

(4)

若Cc≠0,則有:

(5)

上述分析過(guò)程對(duì)Fick第二擴(kuò)散定律進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,同時(shí)對(duì)結(jié)合實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土單元氯離子擴(kuò)散過(guò)程中的邊界條件對(duì)模型進(jìn)行了分析和求解,可以用于對(duì)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行理論計(jì)算。

2.3 氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁破壞過(guò)程

結(jié)合式(5)所構(gòu)建的氯離子擴(kuò)散模型與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果,大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究表明,氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁的破壞會(huì)經(jīng)歷鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護(hù)層受拉、保護(hù)層開(kāi)裂三個(gè)階段。當(dāng)氯離子按照式(5)的過(guò)程在混凝土中擴(kuò)散至鋼筋表面時(shí),鋼筋逐漸開(kāi)始銹蝕,而鋼筋與混凝土之間并不總是緊密黏結(jié),會(huì)存在一些微孔隙。鋼筋脫鈍開(kāi)始銹蝕以后產(chǎn)生的鐵銹,填滿這些微孔隙之后才會(huì)對(duì)周圍的混凝土產(chǎn)生銹脹力進(jìn)入第二階段,銹脹力導(dǎo)致混凝土保護(hù)層受拉。隨著銹脹力的增加,保護(hù)層所受拉力增大直至達(dá)到受拉極限后產(chǎn)生裂縫,進(jìn)入第三階段。如圖2所示,為常見(jiàn)鋼筋混凝土橋梁氯離子侵蝕破壞。

氯離子侵蝕導(dǎo)致混凝土橋梁保護(hù)層開(kāi)裂后,梁體內(nèi)部鋼筋與空氣接觸面增大,導(dǎo)致鋼筋銹蝕的速率加快,銹蝕體積膨脹速度增加,保護(hù)層所受的來(lái)自銹脹力的拉應(yīng)力快速增加,直至保護(hù)層完全剝落鋼筋外露,結(jié)構(gòu)徹底破壞。

3 氯鹽環(huán)境中混凝土橋梁耐久性研究

3.1 混凝土橋梁耐久性極限狀態(tài)確定

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,考慮混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)時(shí),應(yīng)該按正常使用條件下對(duì)應(yīng)的適用性極限狀態(tài)考慮,且所考慮的極限狀態(tài),不應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和可修復(fù)性要求產(chǎn)生不利影響?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)分為三種,分別是鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕、鋼筋發(fā)生適量銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)表面發(fā)生輕微損傷三種極限狀態(tài)。為提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性指標(biāo),大多數(shù)研究以鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕極限狀態(tài)作為鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)壽命的終點(diǎn),因此,確定橋梁結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài),對(duì)于評(píng)定混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在氯鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性,尤為重要。

根據(jù)可靠度理論,考慮鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的廣義抗力R和荷載效應(yīng)S兩方面的因素,即可根據(jù)可靠度基本理論用功能函數(shù)Z確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程為:

Z=R-S

(6)

功能函數(shù)Z反映了結(jié)構(gòu)可靠度的演化過(guò)程,當(dāng)Z>0時(shí)表明結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài),Z=0時(shí)表明結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài),Z<0時(shí)表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效。氯離子在混凝土擴(kuò)散過(guò)程中,橋梁梁體內(nèi)部的鋼筋會(huì)隨著氯離子的侵蝕逐漸劣化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力隨著氯離子擴(kuò)散的時(shí)間逐漸降低。因此,可以認(rèn)為氯鹽侵蝕作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)前,反映可靠度的功能函數(shù)Z與式(5)中表征氯離子擴(kuò)散時(shí)間t存在式(7)所述關(guān)系:

Z(t)=R(t)-S(t)≥0

(7)

以往的研究表明,R(t),S(t)均服從正態(tài)分布,因此有:

μZ=μR-μS

(8)

(9)

則鋼筋混凝土橋梁在氯鹽侵蝕作用下可靠度用失效概率表示為:

(10)

其中,ζ為與氯離子擴(kuò)散時(shí)間t相關(guān)的變量。

結(jié)合式(5)所示的氯離子擴(kuò)散模型,根據(jù)實(shí)際測(cè)得的氯離子擴(kuò)散濃度與擴(kuò)散時(shí)間,便可進(jìn)行橋梁可靠度計(jì)算,判斷橋梁結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下的劣化進(jìn)程及其耐久性演變過(guò)程,以采取適宜的管養(yǎng)措施。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定方法

目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定遵循《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定,在進(jìn)行評(píng)定時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散過(guò)程滿足Fick擴(kuò)散定律,結(jié)合氯離子實(shí)際的情況和結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)構(gòu)件的實(shí)際服役壽命,采用逆推法可以得到氯離子式(5)中擴(kuò)散系數(shù)α。得到α后可計(jì)算所需服役年限對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部氯離子分布情況,如濃度和侵蝕深度等,進(jìn)而得到可能的氯離子最大濃度Ccl。而后根據(jù)實(shí)際情況選定規(guī)范所規(guī)定的結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋表面對(duì)應(yīng)氯離子濃度的臨界值[Cl-]。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同,規(guī)定了對(duì)應(yīng)環(huán)境中鋼筋表面的氯離子濃度臨界值,如表1所示。

表1 規(guī)范規(guī)定的鋼筋表面氯離子濃度臨界值取值

選取結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋表面對(duì)應(yīng)氯離子濃度的臨界值[Cl-],即可根據(jù)鋼筋開(kāi)始銹蝕度比[Cl-]/(r0Ccl)確定結(jié)構(gòu)耐久性等級(jí)。按照“安全耐久性”和“適用耐久性”兩個(gè)方面,采取分結(jié)構(gòu)、分層次、分項(xiàng)目評(píng)定三個(gè)不同層次,從輕微到嚴(yán)重分為一級(jí)～四級(jí)四個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于a～d，如表2所示。

表2 氯離子侵蝕耐久性等級(jí)評(píng)定

表2中r0為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)構(gòu)件的重要性系數(shù)。按照上述方式根據(jù)實(shí)測(cè)的氯離子擴(kuò)散數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)定,并采用式(10)所述方式計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度,對(duì)二者演變規(guī)律的對(duì)比,可以確定氯離子擴(kuò)散模型的準(zhǔn)確性及耐久性評(píng)定的準(zhǔn)確度,互相補(bǔ)充互相完善,進(jìn)而提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和可行性,準(zhǔn)確反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下的性能劣化進(jìn)程,為氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的性能研究提供有力的理論依據(jù)。

3.3 混凝土橋梁氯鹽腐蝕耐久性提升措施

1)優(yōu)選原材料。

混凝土原材料中的氯離子會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)中含有較多的含氯侵蝕介質(zhì),在內(nèi)外因素作用下會(huì)加速氯離子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量,降低甚至消除原材料中氯離子的含量[16-17]。例如,在條件允許的情況下杜絕使用含有氯鹽的海砂,盡可能使用河砂拌和混凝土,若在沿海地區(qū)無(wú)法保證河砂來(lái)源,需嚴(yán)格控制海砂中氯鹽含量,并使用鋼筋阻銹劑。在淡水缺乏地區(qū)施工時(shí),要嚴(yán)格控制施工用水中的含鹽量并采取相應(yīng)的預(yù)防措施,確保施工用水質(zhì)量,降低因水質(zhì)導(dǎo)致的氯鹽侵蝕。此外,某些含氯外加劑具有較好的早強(qiáng)、防凍作用,且成本較低,寒旱地區(qū)及部分特殊工程施工時(shí)通常會(huì)使用此類外加劑,因此出現(xiàn)了外加劑導(dǎo)致的氯離子混入問(wèn)題,施工中需控制此類外加劑的使用,盡量采用同等功能的試劑進(jìn)行替換,確保施工質(zhì)量。

2)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)與施工。

較大的混凝土保護(hù)層厚度可以有效延長(zhǎng)氯離子擴(kuò)散時(shí)間,延后鋼筋與氯離子的接觸時(shí)間,減緩鋼筋銹蝕速率,因此在實(shí)際工程中適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度時(shí)橋梁工程中常用的氯離子防護(hù)措施。在保證混凝土和易性前提下,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),提高混凝土防腐性能,并根據(jù)實(shí)際情況適宜摻入鋼筋阻銹劑?；炷翝仓r(shí)加強(qiáng)振搗與養(yǎng)護(hù),盡量減少混凝土內(nèi)部孔隙,以減少氯鹽侵入通道。嚴(yán)格控制施工縫質(zhì)量,精細(xì)化處理施工縫,禁止使用氣動(dòng)鑿毛機(jī)處理施工縫,避免出現(xiàn)鑿毛部位的松動(dòng)與開(kāi)裂,減少混凝土中氯鹽的侵入渠道。如有可能,使用高性能混凝土,并設(shè)置混凝土表面防腐涂層,阻斷氯離子侵入路徑。

3)其他措施。

除了優(yōu)選混凝土原材料,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程之外,現(xiàn)場(chǎng)也采用一些其他的措施有效防止混凝土中氯離子侵蝕病害。例如,北方寒旱地區(qū)冬季路面盡量少用甚至不用含氯除冰鹽,減少結(jié)構(gòu)表面與氯鹽的接觸。國(guó)內(nèi)外有部分混凝土工程通過(guò)引入新型抗生物殺菌劑的方式,減緩細(xì)菌、真菌、附生物等對(duì)混凝土的腐蝕進(jìn)程,進(jìn)而減弱氯離子與其他腐蝕介質(zhì)在混凝土內(nèi)部的協(xié)同腐蝕作用。此外,電化學(xué)保護(hù)也是一種行之有效的防護(hù)措施,包括降低混凝土內(nèi)部電勢(shì)至免疫區(qū)的陰極保護(hù)方法、提高電勢(shì)至鈍化區(qū)的陽(yáng)極保護(hù)方法以及提高氯離子傳輸介質(zhì)pH值至鈍化區(qū)的高堿度保護(hù)方法等,在實(shí)際工程中也有使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的內(nèi)部與外部來(lái)源,以及滲透作用、吸附作用、毛細(xì)管作用等侵入機(jī)理。結(jié)合實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土單元介紹了Fick第二擴(kuò)散理論,構(gòu)建了橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子擴(kuò)散模型。介紹了氯鹽腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁的鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護(hù)層受拉、保護(hù)層開(kāi)裂三個(gè)階段的破壞過(guò)程?；诳煽慷壤碚?描述了氯離子侵蝕作用下混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的確定,并從理論上分析了基于氯離子擴(kuò)散模型的氯離子侵蝕作用下橋梁極限狀態(tài)與耐久性評(píng)定的可行性。最后列舉了實(shí)際工程中常用的優(yōu)選原材料、優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)與施工過(guò)程等氯離子侵蝕作用下橋梁耐久性提升措施,對(duì)于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的氯鹽侵蝕下耐久性研究具有一定的參考和借鑒意義。