海洋環境下混凝土樁基耐久性影響因素研究

彭云涌 王治群 胡 力 左 雁 梁俊杰

(中建五局土木工程有限公司 長沙 410004)

為利用豐富的海洋資源，人類修建了大量的海洋結構，鋼筋混凝土材料被廣泛運用于這類結構設施中，但在使用過程中發現海洋結構多數無法達到設計使用年限，耐久性問題突出。尤其是那些處于含有高濃度腐蝕物質環境中的結構，其壽命更短[1]。其原因是外部環境中的氯離子、硫酸根離子和大氣的共同作用，導致鋼筋混凝土內部鋼筋銹蝕和材料性能退化，繼而脹裂混凝土[2]。

混凝土耐久性的相關研究分為2個方面，①在設計階段開展預測結構設施的壽命，節約成本；②對現役結構的安全性做出評價，提出維護方案。故鋼筋混凝土的耐久性研究具有一定現實意義[3]。

海洋結構耐久性壽命問題的研究，無法避免對氯離子的討論，這也是研究該問題的難點和熱點。本文通過分析影響海洋環境中氯離子擴散的相關因素，結合MATLAB分析軟件修正擴散模型，擬為今后此類建筑物的設計建造，提供使用壽命的預測方法，節約成本。

1 理論計算模型

1.1 Fick第二定律

海洋結構的壽命預測理論是基于Tuutti[4]在1982年提出的鋼筋混凝土結構壽命兩階段模型。該模型將鋼筋混凝土結構的使用壽命分為2個階段：第一階段為氯離子侵蝕滲透階段(從鋼筋混凝土進入海水到鋼筋剛開始銹蝕)，這一階段鋼筋的表面氯離子濃度達到了其銹蝕的濃度標準；第二階段為鋼筋銹蝕到混凝土脹裂，本階段鋼筋銹蝕產物積累膨脹，致使混凝土開裂，結構強度降低到使用要求以下。

為了能夠準確地描述混凝土內部的氯離子濃度，相關學者做了大量實驗，提出了許多理論和模型。Collepari[5]等人基于Fick第二定律建立了如式(1)的氯離子侵入模型。

(1)

式中：ρc1-(x,t)為t時刻x深度處的氯離子質量濃度；ρc1-,s為外部氯離子質量濃度；erf為誤差函數；D0為基準時間下的擴散系數。

為了得到更精確的結構壽命預測結果，不斷有學者根據環境條件和材料性能修正相關影響參數，并用修正后的模型來預測混凝土的使用壽命或鋼筋初銹時間。1995年，瑞典、德國、挪威、英國等12個國家聯合成立了Dura Crete項目[6]，該項目根據需要將混凝土齡期、初始養護時間、環境條件和試驗方法等影響混凝土服役壽命的因素均予以考慮，修正了氯離子擴散侵入方程，并建立了壽命預測模型。海洋結構因其所處的海水深度和距海岸的距離不同，其耐久壽命也存在較大差異。石佳樂[7]根據海邊環境的不同做了相關侵蝕實驗，得到了不同環境條件下混凝土氯離子擴散的時變模型。

氯離子在混凝土中的滲透擴散過程受多因素的影響，研究該過程時，須綜合考慮多因素的耦合效應。祁兵[8]研究了干濕循環-荷載-鹽溶液耦合作用下的損傷過程，考慮了包含材料相關因素(氯離子結合能力、混凝土內部氯離子濃度等)和環境因素(荷載效應、環境離子濃度等)的影響，提出了混凝土在荷載和氯離子結合能力耦合效應下的氯離子擴散模型。

1.2 基于環境和材料參數耦合的氯離子擴散模型

在飽和混凝土中，氯離子滲透侵入的主要原因是擴散作用。由(1)式可知，影響氯離子侵蝕的因素包含深度、時間、氯離子的擴散系數，以及混凝土本身含有的氯離子濃度。在早期的觀點中，認為擴散系數D是一個常數，但它其實是一個不斷變化的值，為了實際工程分析的方便，本文選擇的擴散系數D，是基于基準擴散系數考慮了時間、溫度的的影響，相應的等效擴散系數D的計算方法見式(2)～式(4)。

D=D0f(T)f(m，Km)

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：T為計算溫度(取絕對溫度)；T0為基準擴散系數D0下的溫度(取絕對溫度)；t0為D0對應的基準時間；Km是材料對氯離子擴散系數的影響因子，依據混凝土型號和實驗環境取為0.3～1.33；q為激活常數；m為與多個因素有關的時間衰減系數。

實際環境和實驗是有所不同的，根據張立明[9]的室內外實驗，基于室內外的相關參數對離子擴散方程進行修正，為此綜合考慮環境和材料因素的修正模型見式(5)。

ρc1-(x,t)=Kc·ρc1-,0+(ρc1-,s-Kc·ρc1-,0)·

(5)

式中：x為擴散深度；t為擴散時間；ρc1-,0為初始氯離子濃度；Kc為養護條件對氯離子擴散系數的影響因子，依據混凝土型號取為0.43～0.88；m為氯離子擴散的衰減系數。其余各參數含義同上。

2 模型驗證和模型的參數分析

2.1 因素影響性分析

影響海洋結構耐久性壽命的因素很多，這些因素可分為環境因素和結構自身材料因素2個方面。本文通過運用氯離子的擴散方程模擬氯離子的侵蝕過程，研究各因素對氯離子侵入過程影響的顯著性，分析模型的合理性和適用性。

2.1.1水灰比及保護層厚度

對海洋結構中混凝土來說，水灰比、保護層厚度均對耐久性壽命有影響，根據Fick第二定律計算在各個保護層厚度下，不同水灰比的曲線，其結果見圖1。

圖1 水灰比和保護層厚度影響曲線

由圖1可知，①混凝土水灰比(W/C)為0.3時，每增加5 mm的保護層厚度，其初銹時間均增加幾十年，保護層厚度到達70 mm之后，其初銹時間增量接近100年；而混凝土水灰比為0.6時，每增加相同的保護層厚度，初銹時間基本無變化，增加時間還不足1年。不同水灰比下氯離子濃度變化很大，其耐久性壽命變化也很大。不同水灰比對結構耐久性的影響十分明顯，尤其是和保護層相關聯時。水灰比越小，初銹時間就越長，原因是小水灰比的混凝土結構密實性強。②保護層厚度對構件耐久壽命有明顯影響：保護層厚度越大，初銹時間越長，尤其是水灰比較小時，該趨勢就越明顯。由此可以看出保護層厚度的增減效果和水灰比的大小有直接關系。當水灰比較小時，增大保護層厚度，耐久壽命提高得越明顯。而當水灰比很大時，即使增加保護層厚度，對結構耐久壽命的影響也不大，很可能依舊不滿足設計要求。所以，為提高海洋結構的耐久壽命，不能只增加保護層厚度。

2.1.2時間因素

鋼筋處氯離子濃度隨時間變化圖見圖2。由圖2可見，氯離子濃度變化速率隨時間增大而減小。混凝土中的氯離子擴散系數隨齡期增加而減小，因為混凝土的水化不是短期完成的，隨著水化的持續，產生的水化物將進一步填充混凝土中的孔隙，從而使擴散作用受阻，即擴散系數變小。衰減系數m與混凝土的材料和環境均相關。當t1未考慮時間參數時計算結果為26年，衰減系數m取0.2(普通混凝土)和0.7(摻粉煤灰混凝土)分別對應18.97年和97.44年。摻混合物的混凝土其耐久性提升非常明顯。由計算結果可以看出，摻粉煤灰的初銹時間是普通混凝土的8～10倍。在實際施工中，可以通過此方法提高海洋結構耐久性壽命。

圖2 鋼筋處氯離子濃度變化模擬曲線

2.1.3溫度影響

溫度對氯離子擴散的影響見圖3。

圖3 不同溫度和保護層厚度下的氯離子濃度

由圖3可知，溫度對氯離子擴散的影響效果顯著。高溫對氯離子的活化作用增強，提高了它的擴散能力，從而造成結構壽命減少。

2.1.4濕度影響

分別選相對濕度為80%和70%的擴散曲線與基于式(5)的擴散模型的結果曲線對比，鋼筋處氯離子濃度變化見圖4。

圖4 不同濕度和修正模型下的鋼筋處氯離子濃度

由圖4可知，相對濕度的增加致使氯離子的擴散速度有所增加，但影響不明顯。相比于其他因素，濕度雖然也有影響，但顯著性不夠。

綜上，在計算海洋結構耐久性初銹時間時，水灰比、保護層厚度、衰減系數、溫度均不可忽視。所以基于環境和材料的擴散模型須考慮這些因素。

在實際工程中混凝土的養護條件會對結構中初始氯離子的濃度造成影響。這些影響主要包含：混凝土的養護因各種各樣的復雜因素造成養護期不足；環境中的氯離子在養護期進入混凝土內部。基于上述原因，須對混凝土內部的初始氯離子濃度進行修正。

2.2 模型驗證

將實際工程中的測量數據、修正模型(式5)和原始模型(即Fick第二定律的擴散模型，見公式1)的預測值進行比較。測量數據為1950年英國建造的混凝土在使用30年后的氯離子濃度測試數據，修正模型中參數取值見表1。

表1 修正模型中參數取值

不同模型預測值和實際值對比圖見圖5。

圖5 不同模型預測值和實測值對比

由圖5可見，除個別點外，修正模型比原始模型更加接近實際值，這樣采用修正模型計算的初銹時間更加符合實際，結構壽命預測也更準確。

修正模型考慮了時間衰減、溫度及材料等因素的影響，這些因素對結構耐久性壽命的影響從上一節可以看出，均十分顯著。因此選擇這些因素考慮是具有實際意義的。已有的修正模型，更多是基于實驗所推測出來的，室內、室外條件不同，因此基于環境和材料的擴散模型需考慮該因素的影響。所以氯離子侵入擴散模型還需考慮室內、外的區別，使模型更具有實際工程應用價值。

3 工程實例

3.1 模型應用

耐久性壽命預測分為2個階段。第一階段為氯離子從混凝土表面向內部鋼筋滲透，當氯離子的濃度達到鋼筋腐蝕的要求時，鋼筋表面的保護膜發生破壞，鋼筋開始銹蝕。該階段所花費的時間即為鋼筋的初銹時間，以t1表示，其計算方法見式(6)，式中各項含義均同上。

(6)

第二階段t2(鋼筋開始腐蝕到混凝土開裂至限制寬度的時間)

(7)

式中：ΔD為銹蝕鋼筋的截面直徑損失,mm；icorr為單位電流密度，μA/cm2。

3.2 實例計算

科特迪瓦阿比讓四大橋工程的材料和環境的情況見表2。科特迪瓦地區的平均低溫約為20 ℃，平均高溫約為30 ℃。

表2 工程中各系數的取值

根據上述工程的各項數據可得，該橋的初銹時間可按公式(6)計算，得初銹時間t1為69.21年。

樁基中鋼筋的直徑為25 mm，保護層厚度為100 mm，銹蝕前鋼筋和混凝土交界面有空隙存在，當銹蝕導致保護層脹裂時，鋼筋半徑損失為Δrs(mm)，而填滿鋼筋和混凝土的空隙損失半徑為Δr1(mm)。Δrs和Δr1均可通過相關計算得出，而ΔD可由式(8)、(9)得出。

(8)

(9)

式中：ηc為預測鋼筋截面損失率；r為鋼筋半徑，mm；αE為鋼筋銹蝕產物膨脹率；其余項同上。

經計算，鋼筋銹蝕時間t2為24.05年。因此該橋的服役壽命為93.26年。

該工程的鋼筋處氯離子擴散趨勢見圖6。

圖6 鋼筋處氯離子質量濃度

由圖6可知，氯離子的擴散速度開始很快，經過30年后擴散速度慢慢變小，故防腐措施需遏制開始階段的氯離子入侵，這樣才能最大限度地提高耐久性壽命。具體防腐措施可從以下方面入手。

1) 鋼護筒選擇從水下取至浪濺區上方。浪濺區作為腐蝕最嚴重的地方，可以進行特殊處理，如增加鋼護筒的厚度、增加該區段混凝土的水泥用量(降低水灰比，增加抵抗離子入侵的能力)。

2) 混凝土表面刷涂防蝕漆，如多水泥砂漿、樹脂砂漿。

4 結語

1) 影響海洋混凝土結構的因素眾多，其影響顯著性均不相同，其中混凝土的保護層厚度、水灰比的影響明顯；溫度影響也不可忽視。雖然保護層厚度影響效果顯著，但單獨增加保護層厚度并不能高效地提高服役壽命，其與水灰比一同作用效果更好。

2) 在混凝土中摻礦渣和粉煤灰可高效地提高混凝土耐久性，在防腐措施中是值得選取的一種方法。

3) 基于文中的試驗環境、材料、氯離子擴散模型，計算橋梁的耐久壽命。結果表明，本文方案更接近實際情況，符合工程實際，可運用到實際工程中。