氯鹽侵蝕下開裂混凝土耐久性可靠度研究

蘭瑞鑫， 李 揚， 葉夢琦

((湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

在當今社會的快速發展過程中，建筑結構材料的運用越來越受到重視，由于混凝土具有資源豐富、制作簡單的特點，使它成為運用最為廣泛的建筑結構材料[1]。由于混凝土運用的廣泛程度，混凝土的耐久性開始慢慢被人重視起來。

對于混凝土耐久性的探討中，混凝土結構失效最大的原因之一是氯離子侵蝕，因為其會加速鋼筋的銹蝕，對于現有氯離子的傳輸方式，大部分是基于現有的數學模型與試驗[2-4]。對于已有的試驗現象以及結論，大部分學者已經總結出了氯離子擴散系數與各個因素如溫度、時間之間的關系，并依次給出了它們的計算模型[5-7]。與此同時，目前普遍研究認為混凝土開裂會加劇氯離子的入侵，通過控制裂縫寬度來延緩氯離子入侵，延長結構的設計使用壽命。據此有學者開展了大量帶裂縫混凝土耐久性相關研究[8-10]。同時已經有研究者注意到混凝土裂縫控制對耐久性影響具有一定模糊性[11]，然而如何將這種模糊性影響用更加合理的方式體現在耐久性評估和應用中，尚需深入研究。因此在時間、溫度、相對濕度的基礎上對氯離子擴散的計算模型進行修正，并對其進行可靠度分析。

本文的相關結論與數據可以為沿海地區的建筑結構防護措施提供相關的思路,并對它們的使用壽命提供參考。

1 帶裂縫混凝土結構氯離子侵蝕試驗研究

1.1 計算模型的修正

對于完整混凝土內部氯離子傳輸方式的計算模型，涉及到很多的因素影響，較為復雜，因此為了方便計算并且結合了大量學者的實驗與結論，得出時間、溫度、濕度這三個因素對氯離子的傳輸方式有較大影響，因此參考以往學者的計算模型，對于這三個影響條件，在原有的計算模型的基礎上進行修正

(1)

式中，C0是氯離子最開始的濃度，Cs是氯離子接近鋼筋時的濃度，D0是擴散的系數，m是混凝土性能的關于時間的一個指數，erf(·)為高斯誤差函數，fTb與fh是各自與溫度、濕度相關的修正系數。

在以往的試驗過程中，大量研究人員都是基于雙重孔隙模型[12]來對此問題進行描述與探討。對于飽和狀態下的擴散規律可以采用Fick第二擴散定律來描述這個過程，因此，考慮以時間、溫度、濕度以及裂縫為影響條件，對算式模型進行修正，得到如下算式

(2)

式中，f(w)為裂紋效應函數，其他符號意思與公式(1)相同。

裂紋效應函數不能直接得出，因此為了更好的對這個擴散模型進行計算，需要開展飽和狀態和非飽和狀態下帶裂縫混凝土的耐久性試驗研究，以期獲得f(w)的修正表達式。

1.2 試驗條件

設計混凝土試件共18塊，試件尺寸為300 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。混凝土試塊的配合比如表1所示。

表1 配合比設計

該實驗進行對比實驗，實驗設置A、B兩組混凝土試件模擬處于不同條件下的氯離子侵蝕環境，其中A組模擬全浸泡區環境，B組模擬干濕循環區環境，兩組分別設置9組試件，每組的實際裂縫寬度詳見表2。試驗的詳細設計情況與具體編號見表2。

表2 設計方案

實驗按照預先計算好的配合比對混凝土進行拌制，然后將其注入模具中，模具的大小為300 mm×100 mm×100 mm，在對混凝土進行澆筑之前預制裂縫，預制裂縫時選用厚度分別為0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm和1 mm的4個不同尺寸的小鋼片。但混凝土本身在澆筑時受人為影響以及自身的流動性，鋼片會發生偏移，造成裂縫寬度的不精確性，因此采取保護措施。將鋼絲橫過試件上方，并在兩方使用木板壓住，隨后再將夾了鋼片的夾子固定于鋼絲上，保持樹立，插入深度為25 mm。并把不同厚度鋼片對應的模具分組標上序號，再將拌制好的混凝土依次灌注進不同標號的模具中，具體試驗操作步驟如圖1所示。

圖 1 澆筑試塊

待澆筑完成2 h后，依次拔出鋼片，放置24 h后把得到的預制裂縫構件放入標準養護室養護28 d。養護時間結束后取出構件并對其進行干燥處理，為期2 d。等到干燥處理結束之后，將試件放入濃度為5%的NaCl中，具體浸泡過程如圖2所示。

圖 2 浸泡試驗

待浸泡試驗完成后，將試件全部拿出并等待48 h，觀察等到試件全部自然干燥后對試件進行取粉工作，隨后利用RCT法[13-15]測量試件中的氯離子含量。分別制備三種不同濃度的NaCl溶液對待測溶液標定，溶液濃度分別為5×10-3Mol/L，5×10-4Mol/L，5×10-5Mol/L，標定完畢后依次檢測溶液中的氯離子含量。

1.3試驗結果

試驗完成后，對于A、B兩組實驗測得的實際數據進行曲線擬合，將氯離子含量數值進行線性擬合、多項式擬合以及指數擬合。計算結果見表3和表4。

表3 飽和狀態下

表4 非飽和狀態下

由表可知，當裂縫寬度逐漸增大后，裂化系數f(w)也隨之變大，根據該特點，將兩種環境狀態下的f(w)進行不同的曲線擬合，結果如圖3所示。

(a)飽和狀態下

(b)非飽和狀態下圖 3 擬合結果

從上圖可以看出，在這幾種擬合結果中，線性擬合的結果與實際的結果有較大偏差，與實際的試驗數據結果不相符。因此選取三次多項式擬合的結果，擬合模型表達式為

飽和狀態：

f(w)=14.265w3-13.128w2+6.3548w+1
R2=0.9937

(3)

非飽和狀態：

f(w)=23.656w3-23.634w2+13.305w+1
R2=0.9936

(4)

式中，R2為相關系數。

2 帶裂縫混凝土的耐久性模糊可靠度研究

2.1 極限狀態方程

一般來說，在沿海地區中，混凝土結構破壞的主要原因是氯鹽作用。當混凝土長期暴露在這種環境中，氯鹽，也就是氯離子會發生擴散。用Z表示結構的可靠度，可以得到極限狀態下的可靠度方程為

(5)

式中，d為保護層厚度，Ccr為臨界濃度。

非飽和狀態下混凝土與飽和混凝土的區別在于飽和狀態下是持續侵蝕，但兩者均是以擴散為主。因此，非飽和狀態下的侵蝕模型可以表示為

(6)

(7)

查閱文獻[16]得知，Δx服從正態分布，其方差為0.92 mm，均值為3.76 mm。

同理，非飽和狀態下的結構極限狀態方程可以表示為

(8)

2.2 模糊可靠度分析方法

混凝土中的結構從可靠到失效往往是一個漸變的過程，并不是突然一下子發生的，中間存在的模糊區人們往往也是未知的，對于這個區域的研究，通常采用模糊可靠度分析方法。

(9)

其中，μA(x)指元素x隸屬度的高低。

在工程函數中，隸屬函數的形式較多且復雜難以計算。Monte-Carlo法可以通過計算機進行大量隨機模擬實驗，提高了計算效率，并且計算結果較準確。因此引入Monte-Carlo法，隸屬函數形式為

(10)

式中，a表示抗力的初始值，b表示抗力的終值。

2.3 計算步驟

運用Monte-Carlo法對上述的參數進行一個統計，然后根據它們的特點運用Matlab生成n組數，當這些數逐漸增大到10000次時，發現最終的可靠度指標不再改變，逐漸穩定。所以最終n值取為10000，并代入式(3)，此時的失效概率Pf就是這n組數的平均值，即

(11)

可靠度指標則為

β=Φ-1(1-Pf)

(12)

3 混凝土耐久性模糊可靠度案例分析

3.1 算例

根據文獻[18]中的鐵山港特大橋，據了解，該大橋所處地帶位于沿海地段，位于臨海處它的底端結構出現了多處裂縫。結合上述對于混凝土的侵蝕模型進行分析討論，并查閱相關文獻[16,19]，得到基本變量的分布特征如表5所示。

表5 統計特征

3.2 計算結果分析

3.2.1敏感性分析通過上述修正的侵蝕模型，引入Monte-Carlo法對其進行模糊可靠度分析，最終運用Matlab生成w—β敏感性分析圖。具體參數如圖4所示。

曲線(飽和)

曲線(非飽和)圖 4 w—β敏感性分析圖

1)隨著w增加，圖a與圖b的可靠度指標β逐漸降低，當w為0-0.3 mm時下降幅度較大；當裂縫寬度為0.6 mm之后，圖像逐漸趨于平緩。

2)在飽和與非飽和狀態下，服役時間t=100 a的可靠度指標最低，t=20 a的可靠度指標相對來說較高，并且在t=20 a到t=40 a之間，可靠度指標的下降跨度最大。

3.2.2混凝土結構耐久壽命預測取結構的目標可靠度指標為1.3[20]，給出相應的結構的耐久性壽命評估。

1)圖5a、b為基于模糊可靠度得到的混凝土結構壽命預測，圖5c、d為基于經典可靠度得到的混凝土結構壽命預測，兩者的變化趨勢總體上整體保持一致，整體呈現下降趨勢，最終趨于平穩。

2)針對完整混凝土，也就是w=0 mm時，混凝土的可靠度指標最大；w=1 mm時，混凝土的可靠度指標最小。并且在20 a到40 a之間，可靠度指標的下降速率最快。

曲線(模擬海水區)

曲線(模擬潮差區)

(c)t1—β1曲線(模擬海水區)

(d)t2—β2曲線(模擬潮差區)圖 5 混凝土結構耐久壽命預測

4 結論

1)基于時間、溫度、濕度及裂縫寬度為主要影響因素，提出了帶裂縫混凝土在飽和狀態、非飽和狀態下時的氯離子擴散修正模型。

2)計算表明不管是飽和狀態還是非飽和狀態下的混凝土，當其裂縫的增加或者氯離子侵蝕時間的延長都會使混凝土的力學性能受到影響，降低結構的耐久性。

3)當取結構的耐久性目標可靠指標為1.3時，混凝土裂縫寬度w=[0mm, 0.25mm, 0.5mm, 0.75mm, 1mm]時，飽和狀態下，對應的結構預測壽命t=[82 a, 41 a, 36 a, 34 a, 32 a]；非飽和狀態下，對應的結構預測壽命t=[11.5 a, 7.7 a, 6.7 a, 6.3 a, 5.9 a]，本研究方法可以為工程結構的耐久性設計及評估提供參考依據。