基于氯離子擴(kuò)散理論的混凝土橋梁耐久性研究

李亞彬

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

1 概述

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)與橋梁工程建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展,混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在使用壽命年限內(nèi)發(fā)生的多種破壞及其機(jī)理引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注并開展了一系列研究[1-4]。研究結(jié)果表明混凝土結(jié)構(gòu)的破壞大多數(shù)并非全部由結(jié)構(gòu)及材料強(qiáng)度所引起,一味的提高混凝土材料強(qiáng)度并不能大幅提高結(jié)構(gòu)使用壽命,既不能提高工程的經(jīng)濟(jì)性,也不符合可持續(xù)發(fā)展理念?；炷两Y(jié)構(gòu)尤其是橋梁結(jié)構(gòu)的破壞大多數(shù)可以歸結(jié)為結(jié)構(gòu)耐久性問題,這些耐久性問題中由于鹽腐蝕導(dǎo)致的耐久性問題又占有相當(dāng)大的比重。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在正常服役期間主體結(jié)構(gòu)通常暴露于各種環(huán)境中,其中氯化物是一種最危險(xiǎn)的侵蝕環(huán)境介質(zhì),不僅存在于海水中,還存在于道路除冰鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的危害極為嚴(yán)重[5-9]?；炷猎诼入x子侵蝕作用下會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹,不僅影響混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能,鋼筋的銹脹會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土有效承載面積減小,在荷載作用下加速混凝土劣化進(jìn)程,致使裂縫提前出現(xiàn),最終導(dǎo)致混凝土剝落,造成結(jié)構(gòu)功能失效?，F(xiàn)有的研究,大多基于室內(nèi)加速結(jié)合擴(kuò)散理論對(duì)混凝土試件氯離子的擴(kuò)散機(jī)理及其對(duì)混凝土的破壞機(jī)理進(jìn)行研究,或者基于數(shù)值模擬研究了理想條件下氯離子在混凝土中的傳輸過程即混凝土劣化進(jìn)程,并未從結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析,也未從耐久性角度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕作用的結(jié)構(gòu)劣化與服役性能進(jìn)行研究[10-11]。因此,本文基于經(jīng)典的擴(kuò)散理論,從理論上對(duì)混凝土梁結(jié)構(gòu)氯離子作用下的劣化過程進(jìn)行了分析,并基于以往的研究和實(shí)際破壞情況,研究了氯離子作用下混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性演化過程,確定了混凝土橋梁的耐久性計(jì)算與分級(jí)制度。

2 氯離子在混凝土中的擴(kuò)散理論

2.1 氯離子來源及侵入機(jī)理

混凝土中氯離子來源大致可以分為內(nèi)部和外部?jī)深悺?nèi)因主要是混凝土自身原材料中所包含的氯離子。部分地區(qū)混凝土的粗、細(xì)骨料中有一定含量氯離子,且實(shí)際施工過程中為了保證混凝土和易性,往往會(huì)加入一些含氯物質(zhì)或含氯的減水劑,致使混凝土橋梁在服役之前結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)存在較多的氯化物介質(zhì)[12-13]。外因主要包括橋梁結(jié)構(gòu)使用環(huán)境中可能存在的含氯腐蝕介質(zhì)。我國(guó)海岸線遼闊,海水中含有大量的氯鹽,因此沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)含氯侵蝕介質(zhì)的主要來源為海水。此外,我國(guó)北方地區(qū)冬季使用的道路除冰鹽、內(nèi)陸地區(qū)的鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中的廢氣廢料等,也是橋梁結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕介質(zhì)的來源[14]。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的侵入機(jī)理隨使用環(huán)境的不同差別較大。混凝土受原材料、配合比、振搗、養(yǎng)護(hù)等因素影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙較多且水分含量較高時(shí),環(huán)境中的氯離子會(huì)隨著水分在橋梁結(jié)構(gòu)中的滲透逐漸向內(nèi)部遷移,該種侵入機(jī)理稱為滲透作用。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境濕度較小,在日照、風(fēng)沙等作用下結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)外濕度較大,內(nèi)部管道與微孔洞因?yàn)檩^大的濕度差發(fā)生吸附作用,氯離子隨著水溶液的遷移被吸附于混凝土內(nèi)部,稱為毛細(xì)管作用。而高氯離子濃度環(huán)境中混凝土橋梁結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外濃度差驅(qū)動(dòng)作用下氯離子向混凝土內(nèi)部遷移的過程,稱為擴(kuò)散作用。此外,還有抽吸作用、電化學(xué)遷移、催化劑作用等,在氯離子侵入混凝土的過程中也有一定貢獻(xiàn)[15]。

2.2 氯離子擴(kuò)散模型

1970年,意大利學(xué)者Callepari于1970年成功使用Fick定律描述了混凝土中氯離子的擴(kuò)散規(guī)律,因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多基于Fick擴(kuò)散定律構(gòu)建氯離子在混凝土中的擴(kuò)散模型。常用的一維Fick擴(kuò)散模型如式(1)所示:

(1)

其中,C為實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)工作環(huán)境中氯離子的濃度;t為氯離子擴(kuò)散時(shí)間;α為反映氯離子擴(kuò)散程度的擴(kuò)散系數(shù);h為擴(kuò)散深度。

假定橋梁結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),則結(jié)構(gòu)在含有氯離子侵蝕介質(zhì)的環(huán)境中工作時(shí),實(shí)際鋼筋混凝土單元如圖1所示。

如圖1所示,氯離子在鋼筋混凝土單元中按照式(1)所示的過程擴(kuò)散時(shí),其邊界條件可定義為:

(2)

其中,Cc為氯離子初始濃度,即結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度;Cs為鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋表面的氯離子濃度。

根據(jù)圖1所示的鋼筋混凝土單元和式(2)所示的邊界條件,氯離子按照式(1)所示的過程在橋梁結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散時(shí),可得式(1)的通解為:

(3)

計(jì)算過程中,由于n始終為大于零的正整數(shù),對(duì)計(jì)算結(jié)果貢獻(xiàn)不大,因此,令n=0,簡(jiǎn)化后式(2)變?yōu)?

(4)

若Cc≠0,則有:

(5)

上述分析過程對(duì)Fick第二擴(kuò)散定律進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,同時(shí)對(duì)結(jié)合實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土單元氯離子擴(kuò)散過程中的邊界條件對(duì)模型進(jìn)行了分析和求解,可以用于對(duì)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散過程進(jìn)行理論計(jì)算。

2.3 氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁破壞過程

結(jié)合式(5)所構(gòu)建的氯離子擴(kuò)散模型與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果,大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究表明,氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁的破壞會(huì)經(jīng)歷鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護(hù)層受拉、保護(hù)層開裂三個(gè)階段。當(dāng)氯離子按照式(5)的過程在混凝土中擴(kuò)散至鋼筋表面時(shí),鋼筋逐漸開始銹蝕,而鋼筋與混凝土之間并不總是緊密黏結(jié),會(huì)存在一些微孔隙。鋼筋脫鈍開始銹蝕以后產(chǎn)生的鐵銹,填滿這些微孔隙之后才會(huì)對(duì)周圍的混凝土產(chǎn)生銹脹力進(jìn)入第二階段,銹脹力導(dǎo)致混凝土保護(hù)層受拉。隨著銹脹力的增加,保護(hù)層所受拉力增大直至達(dá)到受拉極限后產(chǎn)生裂縫,進(jìn)入第三階段。如圖2所示,為常見鋼筋混凝土橋梁氯離子侵蝕破壞。

氯離子侵蝕導(dǎo)致混凝土橋梁保護(hù)層開裂后,梁體內(nèi)部鋼筋與空氣接觸面增大,導(dǎo)致鋼筋銹蝕的速率加快,銹蝕體積膨脹速度增加,保護(hù)層所受的來自銹脹力的拉應(yīng)力快速增加,直至保護(hù)層完全剝落鋼筋外露,結(jié)構(gòu)徹底破壞。

3 氯鹽環(huán)境中混凝土橋梁耐久性研究

3.1 混凝土橋梁耐久性極限狀態(tài)確定

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,考慮混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)時(shí),應(yīng)該按正常使用條件下對(duì)應(yīng)的適用性極限狀態(tài)考慮,且所考慮的極限狀態(tài),不應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和可修復(fù)性要求產(chǎn)生不利影響。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)分為三種,分別是鋼筋開始發(fā)生銹蝕、鋼筋發(fā)生適量銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)表面發(fā)生輕微損傷三種極限狀態(tài)。為提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性指標(biāo),大多數(shù)研究以鋼筋開始發(fā)生銹蝕極限狀態(tài)作為鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)壽命的終點(diǎn),因此,確定橋梁結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài),對(duì)于評(píng)定混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在氯鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性,尤為重要。

根據(jù)可靠度理論,考慮鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的廣義抗力R和荷載效應(yīng)S兩方面的因素,即可根據(jù)可靠度基本理論用功能函數(shù)Z確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程為:

Z=R-S

(6)

功能函數(shù)Z反映了結(jié)構(gòu)可靠度的演化過程,當(dāng)Z>0時(shí)表明結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài),Z=0時(shí)表明結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài),Z<0時(shí)表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效。氯離子在混凝土擴(kuò)散過程中,橋梁梁體內(nèi)部的鋼筋會(huì)隨著氯離子的侵蝕逐漸劣化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力隨著氯離子擴(kuò)散的時(shí)間逐漸降低。因此,可以認(rèn)為氯鹽侵蝕作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)前,反映可靠度的功能函數(shù)Z與式(5)中表征氯離子擴(kuò)散時(shí)間t存在式(7)所述關(guān)系:

Z(t)=R(t)-S(t)≥0

(7)

以往的研究表明,R(t),S(t)均服從正態(tài)分布,因此有:

μZ=μR-μS

(8)

(9)

則鋼筋混凝土橋梁在氯鹽侵蝕作用下可靠度用失效概率表示為:

(10)

其中,ζ為與氯離子擴(kuò)散時(shí)間t相關(guān)的變量。

結(jié)合式(5)所示的氯離子擴(kuò)散模型,根據(jù)實(shí)際測(cè)得的氯離子擴(kuò)散濃度與擴(kuò)散時(shí)間,便可進(jìn)行橋梁可靠度計(jì)算,判斷橋梁結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下的劣化進(jìn)程及其耐久性演變過程,以采取適宜的管養(yǎng)措施。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定方法

目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定遵循《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定,在進(jìn)行評(píng)定時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散過程滿足Fick擴(kuò)散定律,結(jié)合氯離子實(shí)際的情況和結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)構(gòu)件的實(shí)際服役壽命,采用逆推法可以得到氯離子式(5)中擴(kuò)散系數(shù)α。得到α后可計(jì)算所需服役年限對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部氯離子分布情況,如濃度和侵蝕深度等,進(jìn)而得到可能的氯離子最大濃度Ccl。而后根據(jù)實(shí)際情況選定規(guī)范所規(guī)定的結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋表面對(duì)應(yīng)氯離子濃度的臨界值[Cl-]。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同,規(guī)定了對(duì)應(yīng)環(huán)境中鋼筋表面的氯離子濃度臨界值,如表1所示。

表1 規(guī)范規(guī)定的鋼筋表面氯離子濃度臨界值取值

選取結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋表面對(duì)應(yīng)氯離子濃度的臨界值[Cl-],即可根據(jù)鋼筋開始銹蝕度比[Cl-]/(r0Ccl)確定結(jié)構(gòu)耐久性等級(jí)。按照“安全耐久性”和“適用耐久性”兩個(gè)方面,采取分結(jié)構(gòu)、分層次、分項(xiàng)目評(píng)定三個(gè)不同層次,從輕微到嚴(yán)重分為一級(jí)～四級(jí)四個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于a～d，如表2所示。

表2 氯離子侵蝕耐久性等級(jí)評(píng)定

表2中r0為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)構(gòu)件的重要性系數(shù)。按照上述方式根據(jù)實(shí)測(cè)的氯離子擴(kuò)散數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)定,并采用式(10)所述方式計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度,對(duì)二者演變規(guī)律的對(duì)比,可以確定氯離子擴(kuò)散模型的準(zhǔn)確性及耐久性評(píng)定的準(zhǔn)確度,互相補(bǔ)充互相完善,進(jìn)而提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和可行性,準(zhǔn)確反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下的性能劣化進(jìn)程,為氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的性能研究提供有力的理論依據(jù)。

3.3 混凝土橋梁氯鹽腐蝕耐久性提升措施

1)優(yōu)選原材料。

混凝土原材料中的氯離子會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)中含有較多的含氯侵蝕介質(zhì),在內(nèi)外因素作用下會(huì)加速氯離子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量,降低甚至消除原材料中氯離子的含量[16-17]。例如,在條件允許的情況下杜絕使用含有氯鹽的海砂,盡可能使用河砂拌和混凝土,若在沿海地區(qū)無法保證河砂來源,需嚴(yán)格控制海砂中氯鹽含量,并使用鋼筋阻銹劑。在淡水缺乏地區(qū)施工時(shí),要嚴(yán)格控制施工用水中的含鹽量并采取相應(yīng)的預(yù)防措施,確保施工用水質(zhì)量,降低因水質(zhì)導(dǎo)致的氯鹽侵蝕。此外,某些含氯外加劑具有較好的早強(qiáng)、防凍作用,且成本較低,寒旱地區(qū)及部分特殊工程施工時(shí)通常會(huì)使用此類外加劑,因此出現(xiàn)了外加劑導(dǎo)致的氯離子混入問題,施工中需控制此類外加劑的使用,盡量采用同等功能的試劑進(jìn)行替換,確保施工質(zhì)量。

2)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)與施工。

較大的混凝土保護(hù)層厚度可以有效延長(zhǎng)氯離子擴(kuò)散時(shí)間,延后鋼筋與氯離子的接觸時(shí)間,減緩鋼筋銹蝕速率,因此在實(shí)際工程中適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度時(shí)橋梁工程中常用的氯離子防護(hù)措施。在保證混凝土和易性前提下,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),提高混凝土防腐性能,并根據(jù)實(shí)際情況適宜摻入鋼筋阻銹劑?；炷翝仓r(shí)加強(qiáng)振搗與養(yǎng)護(hù),盡量減少混凝土內(nèi)部孔隙,以減少氯鹽侵入通道。嚴(yán)格控制施工縫質(zhì)量,精細(xì)化處理施工縫,禁止使用氣動(dòng)鑿毛機(jī)處理施工縫,避免出現(xiàn)鑿毛部位的松動(dòng)與開裂,減少混凝土中氯鹽的侵入渠道。如有可能,使用高性能混凝土,并設(shè)置混凝土表面防腐涂層,阻斷氯離子侵入路徑。

3)其他措施。

除了優(yōu)選混凝土原材料,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的設(shè)計(jì)與施工過程之外,現(xiàn)場(chǎng)也采用一些其他的措施有效防止混凝土中氯離子侵蝕病害。例如,北方寒旱地區(qū)冬季路面盡量少用甚至不用含氯除冰鹽,減少結(jié)構(gòu)表面與氯鹽的接觸。國(guó)內(nèi)外有部分混凝土工程通過引入新型抗生物殺菌劑的方式,減緩細(xì)菌、真菌、附生物等對(duì)混凝土的腐蝕進(jìn)程,進(jìn)而減弱氯離子與其他腐蝕介質(zhì)在混凝土內(nèi)部的協(xié)同腐蝕作用。此外,電化學(xué)保護(hù)也是一種行之有效的防護(hù)措施,包括降低混凝土內(nèi)部電勢(shì)至免疫區(qū)的陰極保護(hù)方法、提高電勢(shì)至鈍化區(qū)的陽極保護(hù)方法以及提高氯離子傳輸介質(zhì)pH值至鈍化區(qū)的高堿度保護(hù)方法等,在實(shí)際工程中也有使用。

4 結(jié)語

本文分析了鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子的內(nèi)部與外部來源,以及滲透作用、吸附作用、毛細(xì)管作用等侵入機(jī)理。結(jié)合實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土單元介紹了Fick第二擴(kuò)散理論,構(gòu)建了橋梁結(jié)構(gòu)中氯離子擴(kuò)散模型。介紹了氯鹽腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁的鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護(hù)層受拉、保護(hù)層開裂三個(gè)階段的破壞過程?；诳煽慷壤碚?描述了氯離子侵蝕作用下混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的確定,并從理論上分析了基于氯離子擴(kuò)散模型的氯離子侵蝕作用下橋梁極限狀態(tài)與耐久性評(píng)定的可行性。最后列舉了實(shí)際工程中常用的優(yōu)選原材料、優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)與施工過程等氯離子侵蝕作用下橋梁耐久性提升措施,對(duì)于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的氯鹽侵蝕下耐久性研究具有一定的參考和借鑒意義。