港口工程混凝土結構基于規范標準的使用年限估算

董雪煥，貢金鑫

（大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

20世紀70年代以來，我國筑港業飛速發展，興建了大量港口碼頭等水工建筑物，對推動經濟建設起到了十分重要的作用[1]。而且隨著經濟建設的進一步發展，港口工程結構將在基礎設施中占據越來越重要的地位。如何提高港口工程質量和結構物的使用年限，全面降低工程的全壽命成本成為水運工程技術的重要課題。工程經驗表明，在了解混凝土結構鋼筋腐蝕機理的前提下進行耐久性設計，是保證混凝土結構使用年限的前提。耐久性設計包括基本措施和附加措施，對此各國混凝土規范都對耐久性設計的基本措施進行了規定。然而，混凝土結構耐久性失效包括幾個階段，不同的基本措施對各階段的影響不同，而各混凝土規范對基本措施的規定不同，所以無法對不同規范基本措施規定的嚴格程度進行比較。考慮到基本措施只是耐久性設計的基本手段，而最終目的是保證港口混凝土結構的使用年限，因此，本文使用我國JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》關于混凝土構件使用年限的計算公式，對港口工程混凝土構件的使用年限進行了估算，進而對我國規范規定與國外標準、規范規定的結構耐久性嚴格程度進行比較。

1 混凝土結構耐久性失效的3個階段

工程調查表明，引起港口混凝土結構耐久性失效的首要原因是鋼筋銹蝕。鋼筋表面鈍化膜失效是鋼筋發生銹蝕的前提，而引起鈍化膜失效的原因主要包括混凝土碳化和氯離子侵蝕。對海洋環境中的港口碼頭，相對于氯離子侵蝕的影響，混凝土碳化的作用微乎其微，所以港口結構的氯離子侵蝕是引起混凝土結構鋼筋銹蝕的主要原因[2]。當鋼筋表面的氯離子濃度達到其臨界值時，鈍化膜將遭到破壞，引起鋼筋銹蝕。一般將氯離子引起的鋼筋混凝土結構或構件破壞分為3個階段[1]，如圖1所示。

圖1 混凝土構件不同階段鋼筋的銹蝕狀況

圖1中，第1階段為誘導期，是指混凝土澆筑到鋼筋開始銹蝕所經歷的時間，表示為ti，氯離子開始進入混凝土，并進一步積累至在鋼筋表面達到“臨界值”，鋼筋開始銹蝕，該階段的關鍵技術參數有混凝土保護層厚度、氯離子濃度及擴散系數。第2階段為發展期，從鋼筋開始銹蝕（一般按鋼筋鈍化膜失效的時間計）到混凝土保護層縱向脹裂所經歷的時間，表示為tc，該時間段的長短主要受混凝土保護層厚度、混凝土電阻率、混凝土強度及鋼筋直徑的影響。第3個階段為失效期，指混凝土保護層縱向脹裂到鋼筋截面損失到一定程度所經歷的時間，表示為td，該過程與鋼筋直徑和混凝土開裂后鋼筋的腐蝕速度關系較大。

相關研究表明，海洋環境下結構的服役壽命以誘導期為主，該階段時間最長，而且影響因素多，過程最復雜[11]。所以從耐久性設計的角度考慮，欲延長結構的使用年限，控制第1階段是最重要、最實際的，也是最有效的（后兩個階段很難控制）。通常確保或延長誘導期的方法包括提高混凝土的密實性、降低氯離子擴散系數等[4]。

我國JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》以氯離子引起鋼筋銹蝕為基礎，對上述3個階段給出了定量計算依據，其中將te=ti+tc+td作為港口鋼筋混凝土結構的設計使用年限，即使用年限；te=ti+tc作為預應力筋為鋼筋的預應力混凝土結構的設計使用年限；te=ti作為預應力筋為高強鋼絲、鋼絞線的預應力混凝土結構的設計使用年限。ti、tc和td的計算如表1所示。

表1 氯離子侵蝕各階段經歷的時間

對于預應力混凝土結構，當采用高強鋼絲或鋼絞線作為預應力筋時，因為處于高應力狀態的預應力筋較脆，對應力腐蝕和預應力腐蝕疲勞很敏感，易于發生脆斷。因此，規定其結構的設計使用年限為te=ti（即氯離子剛擴散到預應力筋表面）。預應力筋為鋼筋的預應力混凝土結構，應力腐蝕和預應力腐蝕疲勞敏感相對小些，此時規定te=ti+tc作為預應力筋為鋼筋的結構的設計使用年限。由此可見，不管將哪個階段作為混凝土結構的耐久性極限狀態，氯離子擴散貫穿于混凝土結構使用的整個過程。

混凝土的氯離子擴散系數取決于混凝土的密實度（水灰比是一個重要因素），JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》給出了根據現場實測混凝土氯離子擴散系數推斷采用值的方法，沒有給出氯離子擴散系數與設計中水灰比的關系。本文參考日本土木學會和建筑學會的規定[8]，按下式計算氯離子有效擴散系數：

式中：D為氯離子有效擴散系數；W/C為混凝土水灰比。

2 按我國規范規定估算的結構使用年限

按照上述公式，結合規范JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》、JTJ 267—98《港口工程混凝土結構設計規范》和JTJ 275—2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》的基本措施要求計算我國南方地區不同海水區域鋼筋混凝土構件和預應力混凝土構件的使用年限，鋼筋直徑取最常用的25 mm。計算結果見表2～表4。

由表2～表4的計算結果可以看出：

1）按照我國港口混凝土規范關于混凝土耐久性的最大要求，根據《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》公式計算的南方地區港口混凝土構件的使用年限大部分達不到設計使用年限50 a的要求。對于普通鋼筋混凝土構件，采用普通混凝土時，使用年限接近30 a；采用高性能混凝土時，使用年限大多超過40 a。

表2 南方地區港口結構鋼筋混凝土構件的使用年限

表3 南方地區港口結構預應力混凝土構件（高強鋼筋）的使用年限

表4 南方地區港口結構預應力混凝土（高強鋼絲、鋼絞線）構件的使用年限

2）使用高強鋼筋作預應力筋的預應力混凝土構件，不同海水區域的構件計算結果差別較大。采用普通混凝土時，大氣區、水位變動區的構件，使用年限不到30 a；浪濺區的板、樁等細薄構件，使用年限達不到20 a；由于浪濺區一般構件的混凝土保護層厚度較厚（90 mm），所以該區域的構件使用年限超過30 a。采用高性能混凝土時，大氣區、水位變動區的構件，使用年限為40～50 a；浪濺區的板、樁等細薄構件，使用年限達不到30 a；浪濺區的一般構件，使用年限為60 a左右。

3）使用高強鋼絲和鋼絞線預應力筋的預應力混凝土構件，不同海水區域的構件計算結果差別也較大。采用普通混凝土時，大氣區、水位變動區和浪濺區的板、樁等細薄構件，使用年限約為10 a左右；浪濺區的一般構件，使用年限約為25 a。采用高性能混凝土時，大氣區和水位變動區的構件，使用年限接近或超過20 a；浪濺區的板、樁等細薄構件，使用年限約為15 a；浪濺區的一般構件，使用年限超過40 a，這也是因為浪濺區一般構件的混凝土保護層厚度較厚（90 mm）的緣故。

總的來看，大部分情況下按港口混凝土規范的最低要求計算的混凝土結構使用年限不能達到50 a的要求，但使用高性能混凝土可有效增長混凝土結構的使用年限。

3 按國外規范規定估算結構的使用年限

參考國外港口混凝土結構關于混凝土材料和混凝土保護層厚度的規定，仍按我國《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》的公式計算結構的使用年限。盡管國外的混凝土材料、海洋環境混凝土表面氯離子的濃度、施工質量等與我國有所差別，但本文認為用于比較國外規范與我國規范對混凝土結構耐久性的總體效果時可忽略這種差別。因為混凝土的耐久性受多種因素影響，各規范對每種因素的規定不同，所以實際中無法根據某一單項規定對耐久性進行比較。本文給出了按國外規范對港工結構使用年限的計算。應注意的是計算時除了各規范已明確規定的部分參數外，其他不確定參數按照我國規范規定取值。

1）美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》

混凝土保護層厚度及水膠比按照美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》對混凝土結構耐久性設計的最低要求確定，計算的鋼筋混凝土構件的使用年限結果見表5～表6。

2）英國標準BS 2002《海工建筑物》

英國標準BS 2002《海工建筑物》規定，若使用硅酸鹽水泥，用英國規范BS 4027的方法確定鋁酸三鈣的最大含量為10%。為減小鋼筋遭受氯化物侵蝕的危險，鋼筋混凝土中鋁酸三鈣的含量不應小于4%。硅酸鹽水泥中摻入至少20%的粉煤灰或35%的粒化高爐礦渣；硅酸鹽水泥中添加膠結材料10%的硅粉，拌和料5%的高爐礦渣或粉煤灰也是很有利的。按照規范規定的粗骨料最大粒徑為20 mm、設計使用年限為50 a和100 a時對于混凝土拌和物的最低要求計算結構的使用年限，結果如表7和表8所示。

表5 按美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求計算的鋼筋混凝土構件的使用年限

表6 按美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求計算的后張預應力混凝土構件的使用年限

表7 按英國標準BS 2002《海工建筑物》設計使用年限為50 a時的最低要求計算的鋼筋混凝土構件使用年限

表8 按英國標準BS 2002《海工建筑物》設計使用年限為100 a時的最低要求計算的鋼筋混凝土構件使用年限

3）德國EAU 2004《港口與航道》

在德國EAU 2004《港口與航道》規范中，規定水灰比不應大于0.50，混凝土中可摻入粉煤灰、火山灰以及硅灰等膠凝材料。鋼筋保護層厚度應高于德國標準DIN 1045中的規定值，一般至少取5 cm，宜取6 cm。根據上述規定，按混凝土結構耐久性設計最低要求計算構件的使用年限，見表9。

4）挪威《港口設計手冊》

挪威的工程經驗顯示，最小水泥用量至少為350～370 kg/m3，水灰比不應超過0.40～0.45。對于不同的區域，根據挪威《港口設計手冊》建議的結構混凝土保護層厚度最小值計算的不同區域結構的使用年限，結果如表10。

從上述計算結果可以看出，各國規范的規定相差很多，混凝土構件使用年限的計算結果差別也很大。

1）按照美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》規定的最低要求計算的鋼筋混凝土構件和后張預應力混凝土構件的使用年限基本上均超過50 a。

表9 按德國EAU 2004《港口與航道》最低要求計算的鋼筋混凝土構件的使用年限

表10 按挪威《港口設計手冊》最低要求計算的鋼筋混凝土構件的使用年限

2）按英國標準BS 2002《海工建筑物》規定使用年限50 a時的規定，對于海洋大氣環境的鋼筋混凝土構件，水膠比為0.45時，計算的使用年限接近50 a；其他情況計算的使用年限均遠小于50 a，尤其是水膠比為0.50時的濺水區結構。規定使用年限100 a時的規定，對于高潮位、浪濺區的鋼筋混凝土構件，水膠比為0.35、混凝土保護層厚度為80 mm時，計算的使用年限接近或超過70 a，其他情況的計算使用年限均達不到70 a。

3）按照德國EAU 2004《港口與航道》規定的最低要求，浪濺區鋼筋混凝土構件的計算使用年限達不到30 a，大氣區和水位變動區的均能近似達到50 a。按照挪威港口手冊規定的最低要求，計算的大氣區和浪濺區的使用年限近似可達50 a，水位變動區的情況接近100 a。

盡管不能確認按我國《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》的公式計算混凝土構件的使用年限是否準確，但大體可說明不同規范規定的嚴格程度。從計算結果看，美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》和挪威港口手冊的要求相對比較高，英國標準BS 2002《海工建筑物》規定的比較細，但要求似乎并不高。

4 結語

與我國港口混凝土規范的規定相比，美國統一設施準則UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》規定的最大水灰（膠）比要小，英國標準BS 2002《海工建筑物》對海水環境分區劃分比較細致，并給出了不同環境不同設計使用年限混凝土材料的各種建議，挪威建議的最大水灰（膠）比也比我國規范規定的小。由上述根據不同規范對港工結構使用年限的估算結果顯示，國外規范的要求相對較嚴格，計算的結構使用年限遠大于按我國規范的計算結果，其中按美國規范計算的結構使用年限最長，甚至可近似高達按我國規范計算值的2倍。

當然，這只是計算結果，其準確性很大程度上取決于計算方法及公式的合理性，并且還應結合大量的工程調查結果進行綜合判斷。另外，由于計算港口工程結構使用年限的因素眾多，每個因素又受到多方面因素的影響與制約，而且國內外各港工規范對此的規定也不盡相同，所以實際中無法根據某一單項規定對結構耐久性進行比較，本文只是根據結構使用年限的計算結果進行了綜合分析比較。

[1]王勝年，潘德強.港口水工建筑物檢測評估與耐久性壽命預測技術[J].水運工程，2008（4）：50-56.

[2]薛鵬飛，項貽強.海洋環境中混凝土結構服役壽命預測[J].海洋工程，2008，36（4）：89-94.

[3]李清富，李云貴，趙國藩.港工結構耐久壽命的統計分析[J].港工技術，1994（1）：36-40.

[4]洪乃豐.氯鹽環境中混凝土耐久性與全壽命經濟分析[J].混凝土，2005（8）：29-32.

[5]JTJ 302—2006，港口水工建筑物檢測與評估技術規范[S].

[6]JTJ 267—98，港口工程混凝土結構設計規范[S].

[7]JTJ 275—2000，海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[8]馮乃謙，邢鋒.混凝土與混凝土結構的耐久性[M].北京：機械工業出版社，2008.

[9]UFGS-033129 ∶2006，Marine Concrete[S].

[10]BS 6349-1 ∶2002，Maritime Structures-Part 1：Code of Practice for General Criteria[S].

[11]Selmr A S，Aes A S.Service Life Model for Concrete Structures Exposed to Marine Environment-initiation Period[R]//Lightcon DP2-7 Report：SINTEF Structure and Concrete，1995.

[12]EAU 2004，Port and Waterway[S].