臨海既有混凝土氯離子侵蝕及鋼筋初銹時(shí)間預(yù)測(cè)

張俊芝， 莊華夏， 伍亞玲， 劉如泰

（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

隨著服役期的不斷延長，海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)存在的耐久性問題會(huì)越來越嚴(yán)重.沿海混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題主要表現(xiàn)為氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕［1－2］.然而，臨?；炷两Y(jié)構(gòu)不僅承受氯鹽侵蝕，還受潮水沖刷和荷載作用等其他因素的影響，室內(nèi)試驗(yàn)一般很難模擬這些自然環(huán)境因素共同作用下的氯離子侵蝕過程［3］.因此，研究臨海既有混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕特征，分析其實(shí)際抗侵蝕性能，是自然環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要手段之一.

本文以浙江省溫州市甌江口的既有混凝土水閘閘墩為背景工程，取得該水閘閘墩混凝土芯樣，對(duì)閘墩混凝土的配合比進(jìn)行了推定，測(cè)試了芯樣中不同深度處的自由氯離子濃度；根據(jù)實(shí)測(cè)的混凝土中自由氯離子濃度，分析了該水閘混凝土中氯離子侵蝕的規(guī)律，并對(duì)該水閘閘墩混凝土的氯離子擴(kuò)散性能、鋼筋初銹的臨界氯離子濃度和鋼筋初銹時(shí)間等抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行了分析.

1 既有臨海水閘工程及混凝土

1.1 既有水閘工程概況

本文研究的既有水閘處于浙江省溫州市龍灣區(qū)甌江口的自然環(huán)境下，距離河流入?？诩s1km.該水閘建成于1998年4月，之后投入運(yùn)行.水閘為1孔，凈寬5.0m，鋼閘門；設(shè)計(jì)過流流量為50.2m3／s，閘底板高程（吳淞高程）1.48m.在服役15a后，水閘左右兩側(cè)有一定的沉降.

1.2 混凝土芯樣

結(jié)合該水閘的加固改造，2012年12月18日取得該水閘閘墩混凝土芯樣.該水閘直接攔擋潮水，退潮時(shí)內(nèi)河水位排泄至下游，兩翼墻混凝土沖蝕嚴(yán)重.內(nèi)河水質(zhì)受到污染，在氯離子等侵蝕介質(zhì)作用下，鋼閘門及翼墻混凝土腐蝕嚴(yán)重，閘門槽混凝土有沖蝕及鋼筋銹脹裂縫，裂縫最大寬度不大于1.0mm，如圖1.

圖1 既有水閘閘墩混凝土的沖蝕Fig.1 Erosion of concrete of existing sluice pier

取樣位置均在閘墩下部，以閘門槽為界，上、下游各取5個(gè)芯樣；高度距離閘底板77～180cm，具體取樣位置見圖2.混凝土芯樣直徑6cm，長度為10～20cm不等.

圖2 既有水閘閘墩混凝土芯樣的取樣位置Fig.2 Concrete cores'location of existing sluice pier（size：mm）

1.3 既有混凝土配合比

既有混凝土的歷史性能是耐久性研究的依據(jù)，其配合比是室內(nèi)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ).根據(jù)該水閘的施工竣工驗(yàn)收資料，此水閘閘墩混凝土的配合比為：mC∶mW∶mS∶mG＝1.00∶0.53∶2.00∶3.88.

本文參考文獻(xiàn)［4］的方法，對(duì)所取得的閘墩混凝土水灰比進(jìn)行了推定.根據(jù)推定結(jié)果，上游3號(hào)芯樣2組混凝土的配合比分別為：mC∶mW＝1.00∶0.57，mC∶mW＝1.00∶0.53.下游4號(hào)芯樣2組混凝土的配合比分別為：mC∶mW＝1.00∶0.54，mC∶mW＝1.00∶0.57.取4組芯樣的平均值，則該水閘閘墩混凝土的水灰比為0.55.施工竣工驗(yàn)收時(shí)的水灰比為0.53，兩者較為接近，推定結(jié)果能較好地反映既有混凝土原有的水灰比，說明文獻(xiàn)［4］的推定方法對(duì)既有混凝土水灰比的推定是可行的.

2 既有混凝土氯離子侵蝕特性

2.1 閘墩混凝土中氯離子濃度分布

將取得的混凝土芯樣用HDM－150混凝土研磨機(jī)，按2mm厚度的規(guī)格逐次從其表面一側(cè)向內(nèi)側(cè)研磨，所得粉末過0.63mm篩，直至距混凝土外表面以下30mm時(shí)結(jié)束.每個(gè)芯樣取得15個(gè)深度處的粉末.將這些粉末置于烘箱內(nèi)烘2h，取出冷卻至室溫待用.混凝土中自由氯離子濃度1）本文中的氯離子濃度均指其占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù).利用美國THERMO Orion DUAL Star PH／離子濃度測(cè)量?jī)x測(cè)定［5］.

由于取芯位置接近，以取得的上、下游芯樣對(duì)應(yīng)深度處氯離子濃度的平均值作為該環(huán)境因素下閘門槽上游與下游混凝土中的氯離子濃度樣本值.測(cè)得混凝土中的自由氯離子濃度分布如圖3所示.

圖3 閘門上、下游混凝土中的自由氯離子濃度與深度關(guān)系Fig.3 Free chloride ion concentration in concrete vs.depths

分析圖3可知，在閘門槽上、下游兩種含氯環(huán)境下，閘墩表面混凝土均存在明顯的氯離子對(duì)流區(qū)，上游混凝土氯離子對(duì)流區(qū)厚度為26mm，下游混凝土氯離子對(duì)流區(qū)厚度為24mm.上述情況說明，氯離子對(duì)表面混凝土的主要侵入方式是對(duì)流作用而不是擴(kuò)散作用.在24～26mm以后，混凝土中自由氯離子濃度呈明顯的下降趨勢(shì)，氯離子的侵入以擴(kuò)散方式為主.另外，下游混凝土中的自由氯離子濃度總體上比上游混凝土中高，主要原因是下游環(huán)境水體中的氯離子濃度比上游高.

2.2 臨海既有混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

眾多研究表明，氯離子在既有混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散符合Fick第二定律，則該水閘閘墩混凝土氯離子濃度可用擴(kuò)散方程表示為［6］：

從該水閘建成運(yùn)行到取芯樣時(shí)共計(jì)運(yùn)行5 350d（14年零8個(gè)月），方程（1）中的侵蝕時(shí)間t＝5 350×24×3 600＝4.622 4×108s.再根據(jù)測(cè)得的自由氯離子濃度，用上述方程以最小二乘法擬合既有混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，即將每個(gè)混凝土芯樣在不同深度處的坐標(biāo)值（xi，Cxi，t）代入方程（1）.由于氯離子在混凝土表面并不符合擴(kuò)散規(guī)律，故排除對(duì)流區(qū)數(shù)據(jù)，以穩(wěn)定擴(kuò)散區(qū)的最高氯離子濃度處作為擴(kuò)散表面，要求相關(guān)系數(shù)R2盡可能接近1作為擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)，擬合以下方程：

式中：C1為對(duì)流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)界面處的自由氯離子濃度，%；X1為對(duì)流區(qū)厚度，mm.

用圖3中的氯離子濃度數(shù)據(jù)可擬合得到：上游混凝土 D＝1.985×10－13m2／s，相關(guān)系數(shù) R2＝0.992；下游混凝土D＝2.515×10－13m2／s，相關(guān)系數(shù)R2＝0.972.這與文獻(xiàn)［6］中同樣侵蝕時(shí)間下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)吻合，其結(jié)果是可信的.從計(jì)算結(jié)果來看，下游混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較上游稍大，其差異主要在于下游混凝土所處環(huán)境的氯離子濃度比上游大，且取芯的位置比上游要高，此處水位變化頻繁，干燥時(shí)間較長.

3 臨海既有閘墩混凝土鋼筋的初銹時(shí)間預(yù)測(cè)

3.1 混凝土鋼筋初銹時(shí)間預(yù)測(cè)的 Monte Carlo方法

利用排除對(duì)流區(qū)氯離子濃度值的擴(kuò)散參數(shù)，則以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)的鋼筋初銹時(shí)間可以從氯離子擴(kuò)散自對(duì)流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)的界面開始來進(jìn)行預(yù)測(cè)［6－7］.對(duì)式（2）進(jìn)行變換，可得到鋼筋初銹時(shí)間的預(yù)測(cè)表達(dá)式為：

式中：t為鋼筋初銹時(shí)間，d；Ccrit為鋼筋初銹的臨界氯離子濃度，%.

3.2 既有水閘閘墩混凝土鋼筋銹蝕預(yù)測(cè)

根據(jù)所取閘墩混凝土芯樣，測(cè)得鋼筋保護(hù)層厚度均值為35mm，鋼筋的初銹時(shí)間即為鋼筋表面達(dá)到臨界氯離子濃度的時(shí)間.對(duì)上、下游各5個(gè)芯樣的對(duì)流區(qū)厚度取平均值，得到上游X1＝23.6mm，下游X1＝22.0mm.經(jīng)調(diào)查，此水閘施工時(shí)以當(dāng)?shù)刈詠硭疄榛炷涟韬陀盟?，故認(rèn)為C0＝0.

分別以0.18%，0.12%和0.06%為臨界氯離子濃度均值，取標(biāo)準(zhǔn)差均為0.02%［8］，將上述擴(kuò)散參數(shù)及其統(tǒng)計(jì)分布（均為正態(tài)分布，但有研究認(rèn)為除混凝土保護(hù)層厚度為正態(tài)分布外，其余變量為對(duì)數(shù)正態(tài)分 布［8］），利 用 式 （3）即 Monte Carlo 法 模 擬10 000次，求得閘墩上游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間分別為3 513，3 440，964d（即35mm處的氯離子濃度達(dá)到臨界濃度的時(shí)間）.臨界氯離子濃度均值不同時(shí)，上游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間概率密度如圖4所示.運(yùn)用同樣的方法對(duì)下游5個(gè)芯樣進(jìn)行分析，模擬10 000次得出閘墩下游混凝土鋼筋初銹時(shí)間分別為3 382，2 710，1 017d.臨界氯離子濃度均值不同時(shí)，下游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間概率密度如圖5所示.

圖4 上游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間的概率密度Fig.4 Probability density of the initial corrosion time of steel bar in upstream concrete

圖5 下游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間的概率密度Fig.5 Probability density of the initial corrosion time of steel bar in downstream concrete

從上述模擬結(jié)果得知，當(dāng)臨界氯離子濃度均值為0.12%～0.18%時(shí)，混凝土中鋼筋初銹時(shí)間約為3 000d；當(dāng)臨界氯離子濃度均值為0.06%時(shí)，鋼筋初銹時(shí)間只有1 000d左右.該水閘從1998年建成服役5 350d后，閘門及翼墻混凝土腐蝕較嚴(yán)重，混凝土中有鋼筋銹脹裂縫.采用0.12%～0.18%為鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度所預(yù)測(cè)的鋼筋初銹時(shí)間，與實(shí)際情況是較為吻合的.由此可見，在氯離子侵蝕、荷載作用和潮水沖刷等多種作用下，該臨海水閘混凝土的抗氯性能嚴(yán)重降低，使用壽命大為減少，其鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度為0.12%～0.18%.計(jì)算結(jié)論也表明，用Monte Carlo法預(yù)測(cè)鋼筋初銹時(shí)間是可行的.

3.3 用氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)鋼筋初銹時(shí)間

上述計(jì)算是將該水閘在服役5 350d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)作為恒定的擴(kuò)散系數(shù).實(shí)際上，混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨暴露時(shí)間t的延長而不斷降低［9－10］.因此，采用當(dāng)前時(shí)刻氯離子濃度所擬合的擴(kuò)散系數(shù)來預(yù)測(cè)鋼筋初銹時(shí)間，其結(jié)果將比實(shí)際時(shí)間要晚.

文獻(xiàn)［10］將混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間增加而降低的現(xiàn)象用冪函數(shù)表征，得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型為：

式中：m為時(shí)間衰減系數(shù)，與水灰比有關(guān)；t0為混凝土養(yǎng)護(hù)齡期，d；D0為參考期（一般為28d）擴(kuò)散系數(shù)，m2／s.

已有研究表明，水灰比對(duì)m的影響大致呈線性下降關(guān)系［6，9］.文獻(xiàn)［8］中分別計(jì)算了服役37a，混凝土水灰比為0.59的甲水閘，以及混凝土水灰比為0.61且服役27a的乙水閘氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得到這兩座水閘閘墩混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的衰減系數(shù)，甲水閘為0.603，乙水閘為0.562.由此，可得到混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間衰減系數(shù)m與混凝土水灰比mW／mC的關(guān)系為：

再結(jié)合本文背景工程推定的混凝土配合比，得出水灰比為0.55的該臨海既有水閘閘墩混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的衰減系數(shù)為0.684，則該水閘閘墩混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化的模型為：

在已知t0，t和閘墩混凝土在當(dāng)前時(shí)刻的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dt的情況下，可以由式（6）推出初始氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0.因此，可得出此水閘閘墩混凝土在服役期內(nèi)的氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav：

將上述氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav代入式（3）中來計(jì)算鋼筋初銹時(shí)間，其結(jié)果應(yīng)與實(shí)際情況更為吻合.對(duì)于本文的既有水閘閘墩混凝土，取t0＝28d，t＝5 350d，在模擬求出每個(gè)芯樣的Dt后先用式（6）求出其初始擴(kuò)散系數(shù)D0；將D0代入式（7）中，分別求出閘門上、下游混凝土中氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav的5個(gè)樣本值.以上游3號(hào)芯樣為例，由式（2）得到當(dāng)前時(shí)刻的Dt＝2.772×10－13m2／s，再用式（6）計(jì)算出D0＝1.008×10－11m2／s，最后用式（7）得出其氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav＝7.113×10－13m2／s.

分析閘門上游和下游混凝土中氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其結(jié)果符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布.取臨界氯離子濃度均值為0.18%，0.12%，0.06%，仍然利用式（3）即Monte Carlo法模擬10 000次，得出上游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間分別為3 445，3 351，946d，下游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間分別為3 270，2 609，995d.

在臨界氯離子濃度均值相同的情況下，采用當(dāng)前氯離子濃度擬合的擴(kuò)散系數(shù)Dt所計(jì)算的鋼筋初銹時(shí)間比采用Dav計(jì)算的結(jié)果要遲100d左右.從計(jì)算結(jié)果分析，兩者比較接近，其主要原因是既有混凝土在自然環(huán)境下承受多種因素作用，混凝土早期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減十分顯著，而后期則變化極為緩慢并趨于穩(wěn)定［9，11］，以致其平均值與當(dāng)前時(shí)刻的Dt值相差不大.

3.4 考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變性的鋼筋初銹時(shí)間

預(yù)測(cè)

將式（6）代入式（3）中，可得到考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化的鋼筋初銹時(shí)間t的預(yù)測(cè)公式：

式中的混凝土養(yǎng)護(hù)齡期t0＝28×24×60×60＝2 419 200s.根據(jù)式（6）依次求出上游和下游芯樣的初始氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0，并分析其統(tǒng)計(jì)參數(shù)，取臨界氯離子濃度均值為0.18%，0.12%和0.06%，利 用Monte Carlo法計(jì)算式（8），模擬10 000次后得出上游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間分別為3 092，2 115，823d，下游混凝土中鋼筋初銹時(shí)間分別為2 859，2 180，818d.

在臨界氯離子濃度均值相同的情況下，采用平均氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dav所計(jì)算的鋼筋初銹時(shí)間比采用當(dāng)前時(shí)刻氯離子濃度擬合的擴(kuò)散系數(shù)所直接計(jì)算的鋼筋初銹時(shí)間要早，而采用考慮擴(kuò)散性能隨時(shí)間衰減的D（t）值所計(jì)算的鋼筋初銹時(shí)間則最早.但3種情況總體上較為接近，因?yàn)榛炷猎缙诘穆入x子擴(kuò)散系數(shù)衰減十分顯著，后期則變化緩慢，計(jì)算時(shí)其對(duì)鋼筋初銹時(shí)間的貢獻(xiàn)逐漸減少，因此三者相差并不大.

根據(jù)CECS220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，本文中閘墩混凝土可按墻、板（非角部鋼筋）來計(jì)算臨界鋼筋銹蝕深度δcrit.計(jì)算時(shí)，閘墩混凝土中所用鋼筋直徑為20mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20（立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k取20MPa），保護(hù)層厚度為35mm，得到臨界鋼筋銹蝕深度為0.08mm.而水閘運(yùn)行5 350d后，計(jì)算得到的上、下游混凝土中鋼筋銹脹裂縫寬度分別為0.62，0.78mm，與取樣時(shí)裂縫最大寬度不大于1.0mm較為吻合.

4 結(jié)論

（1）處于自然臨海環(huán)境下使用5 350d的臨海水閘閘墩混凝土中存在明顯的氯離子對(duì)流區(qū)，其厚度約為24mm，其后氯離子濃度隨深度逐漸下降.

（2）在自然臨海環(huán)境下，混凝土中鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度為0.12%～0.18%，預(yù)測(cè)的鋼筋初銹時(shí)間約為3 000d，與實(shí)際情況吻合.

（3）用服役期內(nèi)混凝土的氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)Dav能有效預(yù)測(cè)鋼筋初銹時(shí)間，其結(jié)果與用當(dāng)前時(shí)刻氯離子濃度擬合的擴(kuò)散系數(shù)Dt所計(jì)算的結(jié)果相近.但采用考慮擴(kuò)散性能隨時(shí)間衰減的D（t）值所計(jì)算的鋼筋初銹時(shí)間則最早.

（4）采用Monte Carlo方法，用當(dāng)前時(shí)刻氯離子濃度擬合的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來預(yù)測(cè)鋼筋初銹時(shí)間是可行的.

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