抗氯離子侵蝕耐久壽命實用預測方法

包啟航

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

0 引言

由于道路化冰鹽的使用，我國北方區域混凝土結構工程會因氯鹽引起鋼筋銹蝕，目前普遍認為,氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是結構耐久性失效的主要原因之一[1]。

關于混凝土耐久性壽命，國內外相關專家都有不同定義。Rostam認為，幾乎所有的混凝土劣化過程都經過兩個階段：初始階段和擴展階段[2]。在初始階段，沒有顯著的材料弱化或結構功能退化現象出現，但某些保護層被侵蝕介質破壞；而在擴展階段，將出現主動性的損傷并加速發展,如鋼筋腐蝕。也有學者認為：只要混凝土內部的氯離子達到一定濃度，同時其他條件具備（主要是維持鋼筋銹蝕反應的水和氧氣都能保證供應）就將導致鋼筋銹蝕，此時即可認為結構壽命終結[3]。

我國相關規范（GB/T 50576-2010）規定：混凝土結構構件的耐久性極限狀態可分為以下三種，（1）鋼筋開始發生銹蝕的極限狀態；（2）鋼筋發生適量銹蝕的極限狀態；（3）混凝土表面發生輕微損傷的極限狀態。

本文主要以狀態（1）即：鋼筋開始發生銹蝕的極限狀態為混凝土耐久性壽命指標。該標準可定義為氯離子侵入混凝土內部并在鋼筋表面累計的濃度達到臨界濃度。

1 氯離子擴散深度預測模型

通常認為氯離子在混凝土中的擴散遵循Fick定律，國內外眾多學者在該定律基礎上提出了相應的預測模型，現經過比選采用了基于Fick第二擴散定律的余紅發模型[4]：

式中：c為混凝土保護層厚度；K為氯離子擴散性能的劣化效應系數；R為混凝土的氯離子結合能力；m為氯離子擴散系數時間依賴性常數；T為混凝土實際溫度；D0為溫度T0時混凝土28 d擴散系數。

2 氯離子擴散深度模型主要參數分析

2.1 氯離子初始濃度C0

混凝土中氯離子主要由兩部分組成：一部分是由拌和水、水泥、細骨料、粗骨料、礦物摻合料，以及各種外加劑等混凝土組成材料帶進混凝土內部的氯離子；一部分是通過混凝土保護層由外界環境滲透進入混凝土內部的氯離子。因此，為保證混凝土的耐久性，應根據結構類型、防護等級，以及服役環境條件等對混凝土拌和物中由各種原材料引入的氯離子總量，即氯離子初始濃度加以限制。

我國橋涵設計規范（JTG D62-2016）針對預應力混凝土和鋼筋混凝土，分別規定了混凝土拌和物中氯離子含量的最高限值為0.06%和0.1%。現對預應力混凝土構件氯離子初始濃度取C0≤0.06%；對鋼筋混凝土構件取C0≤0.1%。

2.2 氯離子擴散系數D

氯離子擴散系數是用來反映混凝土對外界環境中氯離子侵蝕抵抗能力的參數。氯離子在混凝土中的擴散系數不是一個常數，受到諸多因素的影響，如濕度、溫度、膠凝材料用量、骨料級配、外加劑種類和摻量等因素的影響。

2.3 結構表面氯離子濃度C s

橋梁混凝土結構表面氯離子濃度的大小與橋梁運營環境有很大的關系。不同橋梁結構部位氯離子濃度也有所不同，直接接觸鹽溶液的構件，如主梁、防撞墻等，由于積水不能及時排除，長時間接觸鹽溶液，氯離子濃度較高。而不直接接觸鹽溶液構件，如墩柱等，氯離子濃度則相對較低。

經過相當長時間的使用后，構件表面基本達到氯離子飽和，在穩定的使用環境中，不會發生太大的變化，因此可以假定混凝土結構表面氯離子濃度恒定。而由于對流區的存在，實際調查的氯離子表面濃度會相對較低，故混凝土結構表面氯離子濃度可通過對氯離子分布曲線反推而得。通過對不同濃度的氯化鈉溶液中混凝土長時間浸泡循環得到的表面氯離子濃度，可以建立外部腐蝕介質與混凝土表面層氯離子濃度的關系[5]：

式中：f為腐蝕溶液中氯離子濃度，g/L。

通過對實橋調查數據的擬合，直接接觸鹽濃度構件氯離子濃度在0.602%~2.965%之間，擬取1%~3%；而不直接接觸鹽溶液構件氯離子濃度在0.524%~2.159%之間，擬取0.6%~2.2%。

2.4 氯離子臨界濃度C cr

當鋼筋鈍化膜被破壞時，鋼筋周圍混凝土中游離氯離子的最高濃度，可稱為混凝土中氯離子臨界濃度。但事實上，氯離子臨界濃度并不是一個定值，它受混凝土中堿含量、水泥品種、溫度、濕度等多種因素影響，不同環境下氯離子臨界濃度并不一致。Glass[6]總結了前人的研究成果，發現該數值分布范圍較廣，以氯離子含量占水泥用量的百分比表示，從0.17%到2.5%[6]。現結合遼寧地區實際情況及相關文獻，參考英國標準，取Ccr=0.3%（水溶性氯離子占膠凝材料用量的百分比）[7]。

2.5 鹽凍后混凝土劣化

凍融循環作用不僅會造成混凝土構件表面剝落，而且會導致混凝土內部劣化，使得氯離子的侵入加速，從而導致混凝土中的鋼筋附近的氯離子濃度過早到達臨界濃度，進而導致構件承載能力下降，結構安全性能降低。

文獻[8]通過混凝土凍融后再進行干濕循環來反推混凝土凍融后的氯離子擴散系數，得出在15~75次循環后，氯離子擴散系數增大1.17~4.28。文獻[9]通過混凝土凍融后，進行RCM測試混凝土中的氯離子擴散系數，得出100次凍融循環后，C35混凝土氯離子擴散系數增大2倍，C40混凝土增大1.5倍；200次凍融循環后，C35混凝土氯離子擴散系數增大4倍，C40混凝土增大3.5倍。綜上所述，擬取混凝土劣化系數：K=1~4，視實際橋梁鹽凍損失程度而定。

2.6 應力水平

一般研究氯離子在混凝土中的擴散，都是處于靜態非受力狀態下的。實際混凝土結構都承受著持續的荷載作用，或者說混凝土結構都是存在微裂縫的。因此，研究荷載作用下，混凝土結構中的氯離子擴散，更科學和符合實際。

對此，擬采用文獻[10]的擬合結果考慮荷載對氯離子擴散的影響：

（1）壓應力狀態下混凝土中氯離子擴散系數經驗公式：

式中：D（σc）為表示壓應力水平 σc情況下，混凝土中氯離子擴散系數；D0為表示無應力狀況下，混凝土中氯離子擴散系數；α1、α2、α3、α4為擬合經驗系數，分別為 5.96 664×10-13、-1.93 882×10-13、4.34 103×10-13、-3.89 545×10-15。

（2）拉應力狀態下混凝土中氯離子擴散系數經驗公式：

式中：D（σt）為表示拉應力水平σt情況下，混凝土中氯離子擴散系數；D0為表示無應力狀況下，混凝土中氯離子擴散系數；β1、β2、β3、β4擬合經驗系數，分別為 2.210 183×10-12、1.13 417×10-12、-8.56 355×10-12、2.682 752×10-12。

3 有限元模型及計算結果分析

3.1 算例簡介

現以25 m預制小箱梁主梁為例，對其進行剩余壽命預測。主梁橫截面圖如圖1所示，最小保護層厚度為腹板處，為40 mm；通過橋梁博士對其進行驗算，正常使用極限狀態下最大主拉應力為0.29 MPa。

3.2 定值計算法（一維氯離子擴散）

圖1 小箱梁主梁橫截面圖（cm）

結合相關試驗及論文，暫取橋梁結構表面氯離子濃度Cs=2.5%，初始氯離子濃度為C0=0.02%，假設采用普通混凝土，取混凝土28 d氯離子擴散系數為 D0，28=5.45×10-12m2/s，則考慮拉應力后（壓應力不超過50%時，混凝土氯離子擴散系數是降低的，因此暫不考慮壓應力的有利影響），28 d氯離子擴散系數為D0，28=5.996×10-12m2/s，混凝土氯離子衰減系數m=0.35，混凝土劣化系數K=1~2，混凝土的氯離子結合能力R=0.85，Ccr=0.3%，c=40mm。計算結果見表1所列。

表1 混凝土橋梁結構耐久性年限一覽表

3.3 有限元模型及計算（二維氯離子擴散）

傳統二維氯離子擴散方程都是基于正交坐標系求解的，對于箱梁這樣不規則的結構，如采取解析方法求解不僅理論模型推導復雜，且公式繁瑣，未必適用于工程實際。

對于箱梁，可能腹板和底板都有氯離子侵蝕（如圖2所示），所以對于實際橋梁結構，這是個非正交二維氯離子滲透的問題，很難用解析方法進行精確求解。

本文取左下角局部區域進行有限元求解，取K=1，t=11.793 a，橋梁結構氯離子分布圖如圖3所示。

和一維氯離子擴散（前述定值計算法）相比，由于二維擴散的影響，左下角處鋼筋濃度已達到0.35663%，已經超過了氯離子臨界濃度0.3%。由此可知，一維擴散方程低估了氯離子的擴散速度，造成計算誤差；因此必須考慮二維擴散對氯離子濃度的影響，二維擴散對使用壽命的影響本文建議影響因子ψ表示，即：

圖2 箱梁二維氯離子擴散示意圖

圖3 橋梁氯離子分布圖

式中：Cfem為有限元法求解得出的二維擴散下的氯離子濃度；Clin為一維理論解求解或有限元法求解得出的氯離子濃度。

定義了二維擴散影響因子后，混凝土橋梁的使用壽命可按下式計算：

式中：ttw0為二維擴散下混凝土橋梁使用壽命；tlin為一維擴散下混凝土橋梁使用壽命。

4 結論

（1）提出季凍區混凝土橋梁壽命標準，即以氯離子侵入混凝土內部并在鋼筋表面累計的濃度達到臨界濃度為混凝土橋梁耐久性設計指標。

表2 考慮二維擴散后的混凝土橋梁結構耐久性年限一覽表

（2）提出采用有限元法對非規則角區二維氯離子擴散的求解方法并給出了計算過程。為考慮非規則截面的二維擴散對氯離子濃度的影響，定義二維擴散的影響因子。

（3）以25 m跨徑的通用預應力小箱梁為例，對其進行了剩余壽命預測。由預測結果可知，混凝土結構耐久年限隨著混凝土在多因素共同作用下而逐漸減小，提高混凝土保護層厚度，和采取合理的混凝土配合比，能有效提高橋梁結構耐久性年限，保證橋梁結構在設計基準期內的使用壽命。