不同環(huán)境條件下考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型

王元戰(zhàn)，田雙珠，王 軍，那達(dá)慕

（1．天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，港口與海洋工程天津市（教育部）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2．交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3．中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院，廣州 510230）

鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的重要因素之一，在海洋環(huán)境條件下尤為嚴(yán)重［1-2］。氯離子侵蝕是海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕的首要因素，氯離子侵蝕一般采用氯離子擴(kuò)散模型表述［3-6］。影響氯離子侵蝕的主要因素包括海洋環(huán)境中氯離子濃度、溫度、水泥的種類、水灰比、混凝土保護(hù)層厚度以及荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)等。目前大多氯離子擴(kuò)散模型考慮了氯離子濃度、溫度、水泥的種類、水灰比、混凝土保護(hù)層厚度等因素影響，有待深入研究的是考慮荷載作用下構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)影響的氯離子擴(kuò)散模型。

1988年，F(xiàn)rancois和Maso［7］最先研究荷載與氯離子滲透性能間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)氯離子在受拉區(qū)的滲透顯著大于受壓區(qū)的滲透。Konin等人［8］的研究表明，荷載水平對氯離子滲透有顯著影響。Yoon等人［9］的研究表明，加載方式和加載水平對鋼筋腐蝕有顯著影響。水金鋒［10］、何世欽［11］進(jìn)行了荷載作用對氯離子擴(kuò)散影響機(jī)理的研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了不同環(huán)境下試件的氯離子擴(kuò)散方程，但沒有獨(dú)立考慮荷載影響系數(shù)，成果的通用性受到限制。張德鋒［12］采用Fick擴(kuò)散定律，擬合了擴(kuò)散系數(shù)與構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系，其模型的合理性有待更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。

本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的不同海洋環(huán)境、不同荷載水平作用下氯離子在混凝土中擴(kuò)散性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合給出了氯離子擴(kuò)散荷載影響系數(shù)與構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系式及混凝土表面氯離子濃度隨時間變化的統(tǒng)計(jì)式，建立了考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型。多組現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)表明，本文建立的考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型是合理的，具有較好的適用性與實(shí)用性。

1 考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型

氯離子進(jìn)入混凝土有2個來源，一是在攪拌、澆注時摻入，另一種是在凝結(jié)硬化后由外界滲入，如海水濺濕海岸附近的混凝土結(jié)構(gòu)后在混凝土表面析出的海鹽、冬季化雪除冰噴撒在橋面上的粗鹽。由海水飛濺析出的海鹽和化冰鹽是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最主要的氯化物來源。研究表明外界遷移進(jìn)入混凝土中的氯離子大多數(shù)以自由氯離子的狀態(tài)存在，當(dāng)氯鹽重量達(dá)混凝土重量的0.1%～0.2%時就可能引起鋼筋銹蝕。

大多情況下，擴(kuò)散是氯離子進(jìn)入混凝土的主要傳輸方式。一般假設(shè)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散符合Fick第二擴(kuò)散定律

式中：C為氯離子濃度；x為氯離子擴(kuò)散深度；t為擴(kuò)散時間；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

Mangat［3］認(rèn)為，氯離子擴(kuò)散系數(shù)是隨時間變化的，提出以下氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型

式中：D0為暴露于氯鹽環(huán)境某一基準(zhǔn)時間t0后測得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；α為與混凝土水灰比和礦物摻合料種類及摻量等有關(guān)的系數(shù)。

混凝土是由水泥漿將粗細(xì)骨料結(jié)合在一起的多相材料，內(nèi)部存在很多細(xì)微的裂縫、空隙和缺陷。當(dāng)荷載作用時，在有細(xì)微裂縫、空隙和缺陷的地方都會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致裂縫寬度增大，氯離子在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)會增大，荷載越大，氯離子擴(kuò)散越快。為反映荷載對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，在此引入氯離子擴(kuò)散荷載影響系數(shù)f（δ），變量δ為應(yīng)力水平系數(shù)，定義為

氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型式（2）變?yōu)?/p>

將式（4）代入式（1）得

考慮初始邊界和邊界條件

式中：C0為混凝土內(nèi)初始氯離子濃度，一般取0；Cs為混凝土表面氯離子濃度。

式（5）的解為

2 荷載影響系數(shù)擬合與α值

2.1 擬合方法

根據(jù)不同荷載水平下氯離子擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定荷載影響系數(shù)的擬合公式。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，在預(yù)定的不同時間，分別測量不同海洋環(huán)境和不同荷載水平下的各鋼筋混凝土構(gòu)件不同深度處的氯離子含量，確定不同海洋環(huán)境、不同荷載水平下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。對這些擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，確定荷載影響系數(shù)公式。

本文在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分別針對干濕交替、浸沒在鹽水中和鹽霧侵蝕3種環(huán)境條件，選擇3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）干濕交替環(huán)境中氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

文獻(xiàn)［10］模擬潮汐循環(huán)，研究了干濕交替環(huán)境下不同應(yīng)力水平（拉、壓應(yīng)力）對氯離子在混凝土中滲透擴(kuò)散的影響。

試件為100 mm×l00 mm×400 mm的混凝土小梁，試驗(yàn)中對試件施加持續(xù)的三分點(diǎn)荷載，荷載水平為0、0.3pu和0.6pu3種，其中pu為試件的極限強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為3.5%的NaCl溶液中潮汐循環(huán)。

在預(yù)定時間 35 d、70 d、120 d、180 d 取出相應(yīng)試件，對持續(xù)彎曲荷載作用試件分別從純彎段的受拉面和受壓面取樣。研磨面與暴露面平行，分層深度為0～3 mm、3～6 mm、6～9 mm、9～12 mm、12～15 mm 和 15～20 mm。采用《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ270-98）標(biāo)準(zhǔn)方法測量氯離子含量。將第一層試驗(yàn)數(shù)據(jù)舍去，余下幾層數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，求得各組試件的氯離子表面濃度Cs與28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0，分別用 Dσt/Dσ0、Dσc/Dσ0表示受拉區(qū)與受壓區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與無荷載時的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的比值。試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表1 受拉區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.1 Chloride diffusion coefficient in tensile area

表2 受壓區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.2 Chloride diffusion coefficient in compression area

表3 受拉區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.3 Chloride diffusion coefficient in tensile area

（2）浸沒狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

文獻(xiàn)［11］進(jìn)行了持續(xù)荷載作用下在鹽水中長期滲透的混凝土氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)。

試件為100 mm×l00 mm×400 mm的混凝土小梁，試驗(yàn)中對試件施加持續(xù)的三分點(diǎn)荷載，荷載水平為0、0.3 pu和0.6 pu3種。實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為在3.5%NaCl溶液中浸泡。

在預(yù)定浸泡時間 35 d、70 d、120 d、200 d 取出相應(yīng)試件，從持續(xù)彎曲荷載作用試件的純彎段受拉區(qū)取樣。研磨面與暴露面平行，分層深度為0～3 mm、3～6 mm、6～9 mm、9～12 mm、12～15 mm和15～20 mm。按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ270-98）的標(biāo)準(zhǔn)方法測量氯離子含量。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

（3）鹽霧侵蝕狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

文獻(xiàn)［12］進(jìn)行了持續(xù)荷載作用下在鹽霧侵蝕中的混凝土氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用100 mm×l00 mm×400 mm的混凝土小梁試件。試驗(yàn)中拉應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)采用持續(xù)的三分點(diǎn)加載，荷載水平為0、0.3pu、0.5pu和0.7pu4種。試驗(yàn)環(huán)境條件為連續(xù)噴霧的5%NaCl鹽霧中。

加速試驗(yàn)時間為60 d，取出相應(yīng)試件取樣分析。分層為0～10 mm、10～20 mm和20～30 mm。采用《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ270-98）標(biāo)準(zhǔn)方法測量氯離子含量。

試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 拉應(yīng)力下氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.4 Chloride diffusion coefficient under tension stress

2.3 荷載影響系數(shù)擬合公式

令f（δ）=Dσt/Dσ0或f（δ）=Dσt/Dσ0（δ=p/pu為荷載比值），用二次多項(xiàng)式對上述各種實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出的荷載影響系數(shù)公式見表5。

表5 氯離子擴(kuò)散荷載影響系數(shù)（δ）Tab.5Loading effect factor （fδ）in chloride diffusion

2.4 指數(shù)α值

Mangat等［3］認(rèn)為，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時間變化的指數(shù)表達(dá)式（2）中的指數(shù)α與水灰比有關(guān)，給出以下計(jì)算公式

美國Life-365預(yù)測軟件［14］中，認(rèn)為α與混凝土配合比、摻合料品種、數(shù)量、環(huán)境條件等有關(guān)，給出以下計(jì)算公式

式中：F為粉煤灰摻入量的百分比；K為礦渣摻入量的百分比。

本文在深入分析各種模型的特點(diǎn)后，根據(jù)文獻(xiàn)［16-17］建議α可按表6取值。

表6 α取值Tab.6 Value of α

3 混凝土表面氯離子濃度Cs

氯離子擴(kuò)散是由于氯離子的濃度差引起的，表面氯離子濃度越高，內(nèi)外部氯離子濃度差就越大，擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部的氯離子就會越多。結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度除與環(huán)境條件有關(guān)外，還與混凝土自身材料對氯離子的吸附性能有關(guān)。

水下區(qū)、水位變動區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)都有各自的氯離子源。水下區(qū)的氯離子源主要來自海水，比較穩(wěn)定；水位變動區(qū)和浪濺區(qū)的氯離子源來自于波浪或噴沫，隨著波浪而周期性變化；大氣區(qū)的氯離子源主要是周圍的海洋環(huán)境，也比較穩(wěn)定。Mangat［3］研究表明，處于海水中的混凝土，其表面濃度一般與海水中的氯鹽濃度接近。

Costa和Appleton［15］研究了海洋環(huán)境幾種暴露條件下，3種混凝土板暴露3～5 a的氯離子擴(kuò)散情況，總結(jié)了擴(kuò)散系數(shù)D和表面氯離子濃度Cs的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Cs可用下式擬合

式中：Cs（t）為t年后的氯離子表面濃度；C1為1 a后的氯離子表面濃度；n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，n=0.37～0.54。

式（11）反映了短期內(nèi)（3～5 a）氯離子表面濃度的變化情況。

Song等［18］仔細(xì)研究了搜集到的大量數(shù)據(jù)（1～60 a），給出了Cs的建議模型

式中：C0為標(biāo)準(zhǔn)時刻表面氯離子濃度（1 a或28 d），Song給出了擬合值C0=3.043 1；α為常數(shù)，Song給出的擬合值為α=0.685 6。

但Song提供的擬合數(shù)據(jù)所針對的環(huán)境不是很明確。本文對Costa和Appleton［15］提供的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)按環(huán)境分類，通過最小二乘法擬合，給出了浪濺區(qū)、潮汐區(qū)、大氣區(qū)和水下區(qū)混凝土表面氯離子濃度隨時間變化的公式（表7）。

表7 混凝土表面氯離子濃度Cs（t）（混凝土質(zhì)量百分比）Tab.7Chloride concentration Cs（t）on surface of concrete member

4 氯離子擴(kuò)散模型的檢驗(yàn)

4.1 檢驗(yàn)例1

采用Thomas［19］等報道的英國1950年建造的普通混凝土和粉煤灰混凝土防浪墻不同斷面的氯離子濃度測試結(jié)果。該防浪墻位于海洋潮汐水位以上（浪濺區(qū)），部分混凝土摻加了占膠凝材料總量25%的粉煤灰，水膠比約為0.5～0.6。測試時已經(jīng)暴露了30 a。

本文選用普通硅酸鹽混凝土氯離子測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，模型取值：α=0.37、w/c=0.55、D0=（w/c）1.9×10-10.8=1.585（w/c）1.9×10-11（m2/s）、t0=1.0，f（δ）=1.0。

本文模型計(jì)算結(jié)果與測量值比較見圖1。

圖1 防浪墻使用30 a的氯離子濃度模型預(yù)測值與實(shí)測值Fig.1 Model predictions and measured values of chloride concentration of application of parapet wall for 30 a

4.2 檢驗(yàn)例2

中交第四航務(wù)工程局科研所［20］1987年制作了一批普通硅酸鹽混凝土試件，放于華南海港工程材料暴露試驗(yàn)站，分別于3 a、5 a、10 a進(jìn)行了3次檢查，總結(jié)氯離子濃度積聚情況。試件分為素混凝土和鋼筋混凝土，按《海港鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行制作，氯離子含量檢測方法按照《港口工程混凝土試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行。暴露環(huán)境為水位變動區(qū)、水下區(qū)和浪濺區(qū)。

不同環(huán)境下計(jì)算模型的取值如下。

浪濺區(qū)：α=0.37、w/c=0.45、D0=（w/c）1.9×10-10.8=1.585（w/c）1.9×10-11（m2/s）、Cs（t）=0.226 5+0.122 31n（t）（%）、t0=1.0、f（δ）=1.0（無荷載）。

潮汐區(qū)：α=0.37、w/c=0.45、D0=（w/c）1.9×10-10.8=1.585（w/c）1.9×10-11（m2/s）、Cs（t）=0.391 1+0.157 51n（t）（%）、t0=1.0、f（δ）=1.0（無荷載）。

本文模型計(jì)算結(jié)果與測量值比較見圖2。

5 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的不同海洋環(huán)境、不同荷載水平作用下混凝土中氯離子擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合給出了水下區(qū)、水位變動區(qū)和大氣區(qū)氯離子擴(kuò)散荷載影響系數(shù)與構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系式及混凝土表面氯離子濃度隨時間變化的統(tǒng)計(jì)公式，建立了考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型。多組現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)表明，建立的考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型是合理的，具有較好的適用性與實(shí)用性。

本文給出的氯離子擴(kuò)散模型有待于更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和修正。

［1］李秀珍，許增田.天津新港高樁碼頭結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及損壞情況的調(diào)查報告［J］.港口工程，1992（6）：27-38.

LIU X Z，XU Z T.A survey of the status quo and damage of high level piers in Tianjin Port［J］.China Harbour Engineering，1992（6）：27-38.

［2］王勝年，黃君哲，張舉連，等.華南海港碼頭混凝土腐蝕情況的調(diào)查與結(jié)構(gòu)耐久性分析［J］.水運(yùn)工程，2000（6）：8-12.

WANG S N，HUANG J Z，ZHANG J L，et al.An Investigation on Concrete Corrosion of Seaport Wharf in South China and Analysis of Structures Durability［J］.Port&Waterway Engineering，2000（6）：8-12.

［3］Mangat P，Molloybt S.Prediction of long term chloride concentration in concrete［J］.Materials and Structures，1994，27（7）：338-345.

［4］Mangat P，Limbachiya M C.Effect of initial curing on chloride diffusion in concrete repair materials［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（9）：1 475-1 485.

［5］余紅發(fā)，孫偉，麻海燕，等.混凝土在多重因素作用下的氯離子擴(kuò)散方程［J］.建筑材料學(xué)報，2002，5（3）：240-247.

YU H F，SUN W，MA H Y，et al.Diffusion Equations of Chloride Ion in Concrete under the Combined Action of Durability Factors［J］.Journal of Building Materials，2002，5（3）：240-247.

［6］劉衛(wèi)民.海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的研究［J］.中國港灣建設(shè)，2004（2）：41-45.

LIU W M.Study of Service Life of Reinforced Concrete Structures in Marine Environment［J］.China Harbour Engineering，2004（2）：41-45.

［7］Francois R，Maso J C.Effect of damage in reinforced concrete on carbonation or chloride penetration［J］.Cem.Concr.Res.，1988，18：961.

［8］Konin A，F(xiàn)rancois R，Arliguie G.Penetration of chlorides in relation to the microcracking state into reinforced ordinary and high strength concrete［J］.Materials and structures，1998，31：310-316.

［9］Yoon S，Wang K.Interaction between Loading，Corrosion，and Serviceability of Reinforced Concrete［J］.ACI Materials Journal，2000，97（6）：637-644.

［10］水金鋒.海潮影響區(qū)鋼筋混凝土橋梁的耐久性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［11］何世欽.氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性能試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2004.

［12］張德鋒.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究［D］.南京：東南大學(xué)，2001.

［13］William G H，Bryant M.Sulfate attack，or is it?［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（5）：789-791.

［14］Thomas M D A，Bentz E C.Life-365：computer program for predicting the service life and life-cycle costs of reinforced concrete exposed to chlorides［M］.St.Paul：Cortec Corporation，2001.

［15］ Costa A，Appleton J.Chloride penetration into concrete in marine environment-Part I：Main parameters affecting chloride penetration［J］.Materials and Structures，1999，32（6）：252-259.

［16］ Costa A，Appleton J.Chloride penetration into concrete in marine environment-Part II：Prediction of long term chloride penetration［J］.Materials and Structures，1999，32（6）：354-359.

［17］BE95-1347，General Guidelines for Durability Design and Redesign［S］.

［18］Song H W，Lee C H，Ann K Y.Factors influencing chloride transport in concrete structures exposed to marine environments［J］.Cement&Concrete Composites，2008，30（2）：113-121.

［19］Thomas M D A，Bamforth P B.Modelling chloride diffusion in concrete effect of fly ash and slag［J］.Cement and Concrete Research，1999（29）：487-495.

［20］張寶蘭，衛(wèi)淑珊.華南海港鋼筋混凝土暴露十年實(shí)驗(yàn)［J］.水運(yùn)工程，1999（3）：6-13.

ZHANG B L，WEI S S.Test for Reinforced Concrete Stucture at Sea Port of South China after Ten Years Expose［J］.Port&Waterway Engineering，1999（3）：6-13.