氯鹽環境下再生混凝土橋墩使用壽命預測

朱 華 明

(江蘇東南工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210016)

國內外研究表明，荷載作用對再生混凝土中氯離子侵蝕速率有較大影響，這為研究荷載作用對再生混凝土結構壽命的影響提供了理論幫助。然而目前，幾乎沒有實際工程應用再生混凝土，很難找到工程實例來分析荷載作用對再生混凝土使用壽命的影響。本文以韓口河大橋為實例，分析韓口河大橋橋墩的受力情況，介紹實際工程中在考慮壓應力的影響情況下再生混凝土結構壽命預測方法，研究壓應力對再生混凝土橋墩使用壽命的影響。

1 工程概況

韓口河大橋2014年建成通車，全長1 157.2 m，分左右兩幅，為預制裝配式簡支箱型梁橋。由于臨黃海而建，橋梁處于典型的海工環境。圖1為韓口河大橋施工圖以及橋墩的橫、縱斷面簡圖。

橋梁結構設計安全等級：一級。公路等級：一級。橋梁結構設計使用年限：100年。主梁形式：鋼筋混凝土箱型簡支梁。車道數：2×3。橋面總寬：32.5 m，雙向六車道+人非系統斷面，橫斷面組成為：0.3 m(人行欄桿)+4.2 m(人非系統)+0.5 m(防撞護欄)+11 m(行車道)+0.5 m(中分帶)+11 m(行車道) +0.5 m(防撞護欄)+ 4.2 m(人非系統)+0.3 m(人行欄桿)。板式墩的截面尺寸：4 m×1.8 m。板式墩所用混凝土等級：C40。

2 橋墩軸向荷載計算

2.1 恒載的計算

鋼筋混凝土容重：26 kN/m3；

瀝青混凝土容重：24 kN/m3；

10 cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝柔性防水層：g1=0.1×16.25×24=39 kN/m；

8 cm厚C40防水混凝土橋面現澆層：g2=0.08×16.25×25=32.5 kN/m；

主梁及橫隔板近似荷載：g3=[16.25×2-2×1/2×1.8×1.75-5×1/2×(1.75+1.25)×1.55-4×0.585×1.2+1.3×16.25+1.5×1/2×(16.25+4)]×25=1 283 kN/m；

每延米板寬自重：g=g1+g2+g3=39+32.5+1 283=1 354.5 kN/m。

2.2 活載的計算

本橋公路等級一級，以各車道及人行道均滿布為最不利荷載布置，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，橋梁結構的整體計算采用車道荷載。

公路一級車道荷載中平均荷載qk=10.5 kN/m；

公路一級車道荷載中集中荷載pk=2×(40+130) =340 kN；

在計算剪力效應時集中荷載標準值應乘以1.2的系數，即pk1=340×1.2=408 kN；

該橋單側采用三車道，橫向車道折減系數取為0.78；

韓口河大橋計算跨徑約為40 m時，人群荷載標準值mk取為3.0 kN/m。

2.3 橋墩所受壓應力比的計算

按承載能力極限狀態，結構重力對結構承載能力不利時計算剪力效應組合：Sud=1.2D自重+1.4S汽+0.8×1.4S人=1.2×1 354.5×40+1.4×(408+10.5×40)×0.78+0.8×1.4×3.0×40=66 054.6 kN；

墩柱截面所受壓應力：σ=Sud/(bh)=66 054.6/(4×1.8)=9.2 MPa；

C40混凝土抗壓強度設計值：fcd=18.4 MPa；

墩柱截面所受壓應力比：λ=σ/fcd=9.2/18.4=0.5。

3 橋墩壽命預測

3.1 使用壽命定義

1982年，瑞典學者Tuutti[1]提出了鋼筋混凝土銹蝕破壞預測模型，如圖2所示。該模型將整個鋼筋混凝土銹蝕過程分為兩個階段，分別為鋼筋失鈍或銹蝕引發期(即誘導期)和銹蝕發展階段。第一階段為誘導期T1，該階段混凝土保護層對鋼筋起保護作用，混凝土內部高堿度使鋼筋處于鈍化狀態，鋼筋未發生銹蝕，誘導期結束鋼筋才開始銹蝕。大氣中的二氧化碳或環境中的氯離子或兩者共同作用都可以誘發鋼筋銹蝕。當鋼筋銹蝕是由環境中的氯離子引發時，混凝土誘導期的時長指的是從結構建成到環境中的氯離子擴散至鋼筋表面且周圍氯離子濃度富集到臨界濃度，破壞鋼筋表面鈍化膜所需的時間。第二階段為銹蝕發展階段，該階段是指從鋼筋發生銹蝕直到結構發生嚴重破壞已經不能正常使用的階段。第二階段又可劃分為三個時期：1)中期T2，即鋼筋發生銹蝕到混凝土保護層開裂所需要的時間；2)后期T3，即混凝土結構開始發生破壞至保護層發生剝落所需要的時間；3)晚期T4，即鋼筋混凝土結構發生嚴重破壞，結構已經不能正常使用所需要的時間。

在通常情況下，誘導期遠遠長于銹蝕發展階段，這意味著鋼筋一旦發生銹蝕，誘導期結束，結構的使用壽命也即將結束。如果結構忽然沒有任何征兆地產生破壞，將會給人的生命財產造成重大損失，所以一般結構的使用壽命結束是指結構達到了不能承受的極限狀態，并不是指結構倒塌。對于鋼筋混凝土銹蝕過程來說，不能承受的極限狀態通常發生在混凝土保護層開裂(T2)這一階段，一旦鋼筋混凝土結構達到該極限狀態，就必須對結構進行及時修補，以提高結構的安全性，延長結構的使用壽命，并且修補得越及時，引起的損傷也就越小，因此一般情況下鋼筋混凝土的使用壽命是指第一階段誘導期的時長(T1)[2]。本文以誘導期(T1)作為韓口河大橋橋墩的使用壽命。

3.2 氯離子侵入混凝土模型確定

盡管氯離子侵入混凝土的過程十分復雜，在多數情況下，氯離子主要是通過擴散的方式侵入混凝土。因此，誘導期的時長很大程度上取決于氯離子在混凝土中的擴散速率和此過程的濃度閾值。目前，通常用Fick第二定律來描述氯離子擴散侵入混凝土的過程[3]。Fick第二定律很方便地將氯離子的擴散濃度、擴散系數與擴散時間聯系起來，可以用來估算混凝土結構鋼筋銹蝕過程中誘導期的時長，即結構的使用壽命。Fick第二定律計算公式如下：

(1)

其中，C為氯離子的濃度;t為氯離子的侵蝕時間即結構暴露于氯離子環境中的時間;D為混凝土的氯離子擴散系數;x為氯離子的侵蝕深度即混凝土保護層厚度。

該計算模型的解決取決于各個問題的邊界條件和初始條件。一般認為混凝土結構長時間的暴露于穩定的使用環境中，表面氯離子濃度基本達到飽和，可以視為定值；混凝土結構相對于暴露表面為半無限介質，在任意時刻，相對于暴露表面的無限遠處的氯離子濃度值為初始濃度；此外一般情況下混凝土內氯離子初始濃度默認為0。根據邊界條件及初始條件，Fick第二定律的解為：

(2)

其中,C(x,t)為t時刻x深度處的氯離子濃度;Cs為混凝土表面氯離子濃度;erf為誤差函數。

3.3 氯離子侵入混凝土模型中的關鍵參數確定

1)臨界氯離子濃度確定。

氯離子擴散至鋼筋表面且富集到一定濃度時就會引起鋼筋銹蝕，這個引起鋼筋銹蝕的氯離子濃度稱為臨界氯離子濃度。氯離子臨界濃度與混凝土材料、配合比，水泥類型、成分，外部環境溫度、濕度等因素有關。因此，臨界氯離子濃度理論上是一個隨機變量，其應在大量統計的基礎上進行取值。國內外學者對臨界氯離子濃度進行大量研究，研究結果發現不同環境下臨界氯離子濃度通常在0.1%～0.3%(占混凝土質量的比例)之間[4,5]。由于缺乏實測數據，考慮到韓口河大橋結構設計安全等級為一級，本文取對橋梁管理和養護有利的0.1%作為臨界氯離子濃度進行壽命預測。

2)表面氯離子濃度確定。

混凝土表面的氯離子濃度并不是一成不變的，會隨著時間的推移而逐步增長。大量研究表明，表面氯離子濃度大小受多種因素的影響，比如結構構件所處環境(包括氯離子濃度、溫度、濕度、所處位置方向等)、混凝土自身材料特性(如孔結構、密實性以及氯離子結合能力)等。國內外學者對表面氯離子濃度進行大量研究，發現對于水下區，混凝土結構表面氯離子濃度一般與海水中氯離子濃度接近。而對于浪濺區，混凝土表面氯離子濃度會隨著構件所處位置、朝向、相對最高潮位的高度變化而變化。我國近海大氣區混凝土表面氯離子濃度受到多種因素的影響，其值可在混凝土質量的0.04%～1%范圍內變化[6]。由于表面氯離子濃度在短時間內會有所變化，但在較長的時間段內可認為是恒定的，一般可以通過反推氯離子濃度隨著深度變化曲線的方式得到實際工程混凝土結構表面氯離子濃度。本文缺乏實測氯離子分布曲線，在預測韓口河大橋橋墩大氣區的使用壽命時采用偏安全的混凝土表面氯離子濃度1%來預測。

3)保護層厚度確定。

混凝土的保護層一方面可以阻止外界腐蝕介質、氧氣和水分的侵入，另一方面由于水泥水化導致的混凝土內部高堿度可使鋼筋表面形成鈍化膜，從而對鋼筋起到保護作用。保護層的保護效果主要受混凝土的密實性和保護層的厚度這兩個因素的影響，適當加大混凝土保護層厚度被認為是提高混凝土結構耐久性、延長混凝土結構使用壽命的最有效措施。國內外的混凝土規范都對不同環境下混凝土結構的最小保護層厚度作了明確規定。韓口河大橋橋墩保護層厚度設計值為55 mm，使用該設計值進行壽命預測。

4)混凝土氯離子擴散系數確定。

壓力荷載對混凝土氯離子擴散系數有著顯著的影響。由于韓口河大橋橋墩一直處于壓力荷載下，無法測試到無應力下橋墩的氯離子擴散系數，同時考慮到韓口河大橋橋墩與澆筑的普通混凝土強度等級均達到C40，用本文所澆筑的普通混凝土在不同壓力荷載下的氯離子擴散系數來代替韓口河大橋橋墩實測氯離子擴散系數。壓應力比為0，0.5時，90 d普通混凝土氯離子擴散系數分別為4.374×10-12m2/s，3.730×10-12m2/s。選用90 d的氯離子擴散系數進行壽命預測的原因是混凝土氯離子擴散系數在90 d后趨于穩定，變化幅度不大。

假定韓口河大橋橋墩所用材料為再生混凝土，應用試驗[7]所測得的考慮荷載作用的再生混凝土氯離子擴散系數對其進行壽命預測。90 d齡期的再生混凝土在持續壓應力比分別為0，0.5時氯離子擴散系數分別為9.754×10-12m2/s，6.217×10-12m2/s。

3.4 韓口河大橋橋墩壽命預測

使用以上韓口河大橋橋墩氯離子侵入混凝土模型中的關鍵參數來計算在持續壓應力比分別為0，0.5情況下普通混凝土橋墩和再生混凝土橋墩的使用壽命，其預測結果如表1所示。

表1 韓口河橋梁橋墩耐久性壽命預測

對比表1中數據可知，普通混凝土的使用壽命均超過韓口河大橋的結構設計使用年限100年，而再生混凝土橋墩的使用壽命遠遠沒有達到100年，不能滿足韓口河大橋設計要求。這說明再生混凝土耐久性遠遠低于普通混凝土，尚不能夠直接應用于實際工程中，必須對其進行改性以提高耐久性。

此外，由表1還可以看出壓應力對普通混凝土和再生混凝土結構使用壽命均有較大影響，不同壓應力比下橋墩的使用壽命相差較大。但是預測結果表明當持續壓應力比為0.5時，橋墩使用壽命比無應力下橋墩的使用壽命長，這意味著混凝土在壓力的作用下耐久性并未發生劣化。這與實際情況顯然存在較大的出入，可能是由于實際情況下橋墩是在多向荷載、疲勞荷載等復雜荷載作用下工作的，并不是單向靜壓力下工作的。因此關于如何預測實際工程中混凝土結構的使用壽命需要進一步研究。

4 結論

本文以連云港韓口河大橋橋墩為實例，假定韓口河大橋橋墩所用材料為再生混凝土，將室內試驗所研究的壓應力對再生混凝土氯離子擴散系數的影響規律應用于橋墩的壽命預測中，對比分析了普通混凝土和再生混凝土在同等工程條件下的使用壽命，并研究了壓應力對橋墩使用壽命的影響，結論如下：

1)再生混凝土橋墩的使用壽命遠遠小于普通混凝土的使用壽命，不能滿足韓口河大橋設計要求。這說明再生混凝土耐久性遠遠低于普通混凝土，尚不能夠直接應用于實際工程中，必須對其進行改性以提高耐久性。

2)壓應力對普通混凝土和再生混凝土結構使用壽命有較大影響，不同壓應力比下橋墩的使用壽命相差較大。因此，開展荷載作用對混凝土氯離子擴散系數的研究及壽命預測分析具有十分重要的現實意義。此外，韓口河大橋橋墩的壽命預測結果表明壓應力比為0.5下的橋墩使用壽命比無應力下橋墩的使用壽命長，壓力作用下混凝土耐久性并未發生劣化，這與實際情況顯然存在較大的出入，可能是由于實際情況下橋墩是在多向荷載、疲勞荷載等復雜荷載作用下工作的，并不是單向靜壓力下工作的。因此關于如何預測實際工程中混凝土結構的使用壽命需要進一步研究。