DuraCrete 模型預測大連灣海底隧道混凝土氯離子濃度時系數Ke 取值的統計分析

李冰黎，劉丹忠，孫文豪，3

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430010；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

我國經濟正處于高速發展階段，大量的海洋混凝土結構如跨海大橋、海底隧道、海洋鉆井平臺等開始興建，這些結構長期處于惡劣的海洋環境下，其結構的耐久性能已成為工程界關注的重點[1-2]。按照GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計規范》的規定，大連灣海底隧道工程所處環境作用等級為：水下區屬于海洋氯化物III-C 級（中度），海洋浪濺區/潮汐區為凍融II-E 級（非常嚴重）和海洋氯化物III-E 級（非常嚴重）[2-4]。因此，氯離子侵入誘發鋼筋銹蝕是導致大連灣海底混凝土結構耐久性劣化的主要因素[5]，預測和控制混凝土中氯離子濃度則是評價大連灣海底隧道混凝土耐久性的基本要求。

混凝土中氯離子含量預測研究包括混凝土中氯離子的傳輸機理和計算模型、鋼筋腐蝕條件下氯離子閾值的選擇等多種研究內容，其中菲克第二定律是最早用于描述混凝土中氯離子傳輸的簡單模型[6]。該模型由Collepardi 等人在20 世紀70年代提出，以其簡單的形式和方便應用性，廣泛獲得業界的認同和采納。受限于水泥均勻性和各向同性等基本假設，以及考慮的影響因素過少等模型先天不足原因，使得菲克第二定律的預測精度存在一定問題[6]。為此，基于菲克第二定律對氯離子傳輸模型，國內外研究人員進行了富有成效的改進與完善。DuraCrete 模型作為較成熟的氯離子傳輸計算模型，首先由Mejlbro 提出，補充了菲克第二定律中對多因素和時間依賴性的缺失，被歐洲及我國等多國的耐久性規程采納。大連灣海底隧道混凝土耐久性分析以DuraCrete 模型為基礎，因此對DuraCrete 模型中相關參數的研究成為大連灣海底隧道耐久性研究的主要任務之一。

1 計算模型分析

1.1 DuraCrete 模型

DuraCrete 模型用于預測混凝土內部氯離子濃度時變規律和一維空間分布特征，一般解析表達式可簡寫為[6]：

式中：C（x，t）為t 時刻距離混凝土表面x mm 位置處的氯離子濃度，kg/m3；Cs為表面氯離子濃度，kg/m3；Ke為環境對氯離子擴散劣化效應系數；Kc為混凝土養護方法對氯離子擴散劣化效應系數；Km為測試方法對氯離子擴散系數的影響參數；t0為參考時間，一般取0.076 7 a（對應于28 d）；m 為衰減系數參數；D0為時刻t0時氯離子擴散系數。

1.2 環境對氯離子擴散劣化效應系數

氯離子擴散的劣化效應系數Ke是混凝土在實際使用過程中與在實驗室條件下的氯離子擴散系數數值之比，反映了實際使用環境中氯離子擴散系數的放大倍數。DuraCrete 模型中，影響混凝土氯離子擴散系數的環境系數Ke，即大連灣海底隧道建設工程項目模型中的劣化效應系數Ke。鑒于相關規范中該系數取值面向全國，與大連灣區域存在一定的差別，因此需要對大連地區海洋混凝土結構進行跟蹤調查及混凝土試件的暴露試驗，才能確定合理的Ke值。

2 試驗方案

試驗分為兩個部分，分別為實際海洋工程結構中混凝土氯離子擴散的長期劣化效應試驗和高性能混凝土在大連地區海洋暴露環境下氯離子擴散的劣化效應系數試驗[7]。

1）為了計算大連地區海洋混凝土結構的氯離子擴散系數的劣化系數Ke值，將混凝土內部不受外界影響的芯樣浸泡在實驗室的海水中，按照自然擴散法測定氯離子擴散系數，在考慮溫度修正（按照室內實驗的 20 ℃修正到現場環境的平均10 ℃）與長期服役時間修正（按照時間依賴性指數m=0.630 4），則可計算出實際結構內部混凝土的長期氯離子擴散系數，之后將其與海洋工程暴露環境中結構表面混凝土的實測氯離子擴散系數進行比較，得到海洋結構中不同環境區域混凝土的劣化效應系數[8-9]。

2）利用實驗室制備的系列高性能混凝土，在室內與大連灣海洋現場兩個暴露條件下分別獲得氯離子擴散規律。其中，海洋暴露區域分為：大氣區、浪濺區、潮汐區和水下區。試驗得到不同高性能混凝土在不同海洋暴露環境中的表觀氯離子擴散系數，并與相應的室內表觀氯離子擴散系數進行對比，確定高性能混凝土在大連海洋環境中的氯離子擴散系數的劣化效應系數。

3 試驗結果分析

3.1 實際海洋工程結構中混凝土氯離子擴散的長期劣化效應

3.1.1 實際海洋工程結構中混凝土氯離子擴散系數

將大連地區多種海洋工程混凝土結構的長期服役條件下氯離子擴散系數Dat，按照海洋大氣區、潮汐區和浪濺區進行分類匯總，建立大連地區海洋混凝土結構的長期服役條件下Dat的大致規律，見圖1。

圖1 海洋環境中混凝土氯離子擴散系數分布圖Fig.1 Distribution of chloride ion diffusion coefficient of concrete in marine environment

1）對于實際環境Dat發展趨勢，潮汐區混凝土Dat發展曲線先減小后增大，浪濺區潮汐區混凝土Dat發展曲線同樣先減小后增大，大氣區混凝土Dat先增大后減小。

2）在11～50 a 服役期內，潮汐區及浪濺區混凝土Dat相差較小，分別為0.01、0.06、0，擬合曲線基本一致，表明大連地區實際海洋環境下潮汐區與Dat擴散在11～50 a 服役期內基本相同。

3）潮汐區及浪濺區混凝土Dat前期雖然相差較小，但服役82 a 條件下，潮汐區混凝土Dat相較浪濺區大1.21，具有較為明顯的抬升。從整體看，潮汐區Dat總是不小于浪濺區混凝土Dat。

4）大氣區混凝土Dat變化趨勢與潮汐區或浪濺區截然不同，為先快速增大后迅速降低，初期（服役11 a）時，大氣區混凝土Dat較潮汐區（或浪濺區）混凝土Dat均小，約小0.28。其后服役期混凝土Dat均較潮汐區（或浪濺區）混凝土Dat大，最小偏差0.22。

3.1.2 芯樣室內試驗混凝土氯離子擴散系數

將混凝土結構內部不受外界影響的芯樣浸泡在實驗室的海水中，按照自然擴散法測定氯離子擴散系數，在考慮溫度時間修正后，按照海洋大氣區、潮汐區和浪濺區進行分類匯總，建立大連地區海洋混凝土結構的室內試驗混凝土氯離子擴散系數（Da）的大致規律，見圖2。

1）各區域混凝土Da發展曲線，隨著服役時間增加而降低。

圖2 海洋環境結構混凝土室內試驗氯離子擴散系數分布圖Fig.2 Distribution of chloride ion diffusion coefficient in laboratory test of concrete in marine environment

2）大氣區海洋結構混凝土Da較其他區域普遍較大，可能原因之一為潮汐區及浪濺區混凝土受海水侵擾，海水中礦物質將混凝土毛細孔甚至細小裂縫封堵，使得混凝土結構致密不易受氯離子侵蝕。

3.1.3 混凝土氯離子擴散的劣化效應系數

將計算得到的混凝土擴散系數的劣化效應系數Ke值，按照海洋大氣區、潮汐區和浪濺區進行分類匯總，建立大連地區海洋混凝土結構的劣化效應系數Ke值的大致規律，見圖3。

圖3 海洋環境中混凝土氯離子擴散的劣化效應系數分布圖Fig.3 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in marine concrete

1）由圖3 可見，這些海洋工程混凝土結構多屬于普通混凝土，強度等級不高，而且年代、原材料、配合比及施工工藝均不相同，雖然海洋結構中混凝土的氯離子擴散劣化效應是存在的，但各數據離散性較大，因此對于某固定組分混凝土結構，應該參照對應混凝土結構。

2）海洋大氣區：在11～50 a 服役期內，Ke=0.70～6.08，平均值2.71，標準差2.27；海洋潮汐區：在 11～82 a 服役期內，Ke=0.34～6.85，平均值2.44，標準差2.17；海洋浪濺區：在11～82 a 服役期內，Ke=0.45 ～4.73，平均值 1.73，標準差1.17。

3） 對于明確使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），經過實測其抗壓強度在 40 ～45 MPa，經單獨統計，該高性能混凝土結構在大連地區服役11 a 后氯離子擴散系數的劣化效應系數Ke值，明顯小于普通混凝土。按照拉伊達異常數據剔除準則，得到以下統計規律：

海洋潮汐區：Ke=1.15～1.46，平均值1.32，標準差0.16，變異系數12.1%。

海洋浪濺區：Ke=1.17～1.70，平均值1.52，標準差0.26，變異系數17.3%。

海洋大氣區：Ke=0.70～1.02，平均值0.85，標準差0.16，變異系數18.6%。

對于使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），其氯離子擴散系數的劣化效應系數值規律與DuraCrete 規定具有一定的可比性，而且其變異系數不超過20%，適合大連灣海底隧道耐久性模型使用。

4）對于高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建）劣化效應系數值進行細部分析，統計表見表1。由表1 可以較為明顯地看到：浸泡40 d，潮汐區＞浪濺區＞大氣區；浸泡111 d，浪濺區＞潮汐區＞大氣區；浸泡231 d，潮汐區＞大氣區＞浪濺區。

表1 滑道碼頭（2005 年建）Ke 值統計表Table 1 Glide pier(built in 2005)Ke values statistical table

浸泡時間越長，Ke值普遍降低，且231 d 浸泡時間下，Ke值分布規律與DuraCrete 規定具有較高的一致性，可能是較為準確的劣化效應系數值，但從安全性角度考慮，不推薦使用。

3.2 高性能混凝土在大連地區海洋暴露環境下氯離子擴散的劣化效應系數

高性能混凝土在大連海洋環境中的氯離子擴散的劣化效應系數見圖4，經過數理統計，對于高性能混凝土，在大連灣海洋暴露環境下的Ke平均值分別為：潮汐區1.38、浪濺區1.46、水下區1.55。標準差分別為：潮汐區0.85、浪濺區0.84、水下區0.80。從統計的平均值來看，高性能混凝土的Ke值明顯小于現場試驗在役普通混凝土結構Ke值。

圖4 高性能混凝土氯離子擴散的劣化效應系數分布圖Fig.4 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in high performance concrete

比較使用高性能混凝土的某碼頭（2005 年建）服役11 a 后的Ke值（潮汐區1.32、浪濺區1.52，變異系數不超過20%），新制備的高性能混凝土的Ke值是可靠的，與現場長期服役數據是相當的。按照不利原則，大連灣海底隧道結構壽命設計分析推薦采用的Ke值取值為：水下區1.55、潮汐區1.38、浪濺區1.52、大氣區0.85。

4 結語

為研究確定大連灣海底隧道混凝土結構耐久性DuraCrete 模型中氯離子擴散劣化效應系數，分析了大連灣區域既有海工混凝土氯離子擴散劣化效應，結合擬采用的高性能混凝土室內外對比試驗，分析不同區域氯離子擴散劣化效應系數，主要結論及建議如下：

1）大氣區海洋結構混凝土Da較其他區域普遍較大，可能是因為潮汐區及浪濺區混凝土受海水侵擾，海水中礦物質將混凝土毛細孔甚至細小裂縫封堵，使得混凝土結構致密不易受氯離子侵蝕，結論有待進一步的研究探索。

2）高性能混凝土結構氯離子擴散系數的劣化效應系數Ke值小于普通混凝土。

3）大連灣海底隧道沉管隧道結構耐久性設計分析推薦采用的Ke取值為：水下區1.55、潮汐區1.38、浪濺區1.52 和大氣區0.85。