遼寧地區混凝土橋梁構件氯離子滲透特征研究

溫宇寧

(遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

氯離子滲透特征是從高含量區到低含量區滲透，氯離子滲透的原動力是含量差。在普通氯鹽環境，氯離子由高含量區域向低含量區域滲透，而在海洋環境浪濺區，氯離子則依靠干濕交替的表面吸收并通過混凝土內部孔隙向里滲透[1]。混凝土各截面的氯離子含量不是靜態的固定值，而是動態變化的，因為氯離子在混凝土內部滲透過程中，部分氯離子被硅酸鹽水泥硬化漿體吸收，當混凝土碳化后，堿度降低，部分被吸收的氯離子變成自由氯離子[2]，導致混凝土各截面氯離子含量動態變化。

目前判別混凝土氯離子腐蝕因素歸納有：表面氯離子含量、氯離子滲透深度、氯離子擴散系數。目前氯離子含量滲透規律，多數采用修正Fick第二定律。由于混凝土材料非勻質性，而且混凝土構件所處地理位置、氣候條件和強度等級不同，因此氯離子含量滲透離散性較大，在對遼寧公路在役橋梁實測氯離子含量統計分析的基礎上，結合Fick第二定律，總結出遼寧地區混凝土橋梁氯離子含量分布特征，為以后的橋梁新建和養護提供參考。

1 遼寧地區實測氯離子含量分布

(1)實測氯離子含量符合指數分布

對不同在役年限的橋梁進行氯離子含量試驗發現，氯離子含量隨混凝土深度變化有4種狀態：

①氯離子含量隨混凝土表層向內部逐漸減小。

②氯離子含量隨混凝土表層向內部逐漸增大。

③氯離子含量隨深度增加變化不大。

④氯離子含量隨深度增加先增大后減小。

一般鹽凍腐蝕條件下，混凝土表面沒有嚴重腐蝕，其氯離子分布基本符合指數分布。其擬合相關系數在0.75～0.95之間。

C(t,x)=C0e-mx

(1)

式中：C(t,x)為代表時間為t時，x深度處的氯離子含量(%)；C0為混凝土表面氯離子含量(%)；x為距表面深度(m)；m為參數，-mx<0，表示氯離子含量隨x深度增加而減小，m越大減少斜率越大，含量減少越快。當-mx>0時，表示氯離子含量隨x深度增加而增加。

距表面0.05m處氯離子含量：C0.05=Coe-m0.05

(2)當混凝土達到臨界含量0.058%時截面深度x1

(2)

(3)截面深度保護層厚度0.05mt時擴散系數

(3)

式中：t0為混凝土結構開始接觸氯鹽環境時的齡期(通常取28d)；k為凍融影響系數。

(4)保護層為0.05m鋼筋表面達到臨界含量0.058%所需時間

(4)

式中：D0為代表t0時的擴散系數(m2/s)；α為齡期系數，按下式計算：

式中：%FA為粉煤灰在膠凝材料中的百分比；%SG為礦渣在膠凝材料中的百分比。

不考慮時間因素：

(5)

2 除冰鹽地區橋梁構件氯離子含量分布擬合

2.1 防墥墻氯離子含量分布

遼寧部分地區防墥墻氯離子含量分布見表1。

2.2 橋面混凝土鋪裝氯離子含量分布

遼寧部分地區橋面氯離子含量分布見表2。

2.3 主梁氯離子含量分布

遼寧部分地區主梁氯離子含量分布見表3。

表1 遼寧部分地區防撞墻氯離子含量分布

表2 遼寧部分地區橋面氯離子含量分布

表3 遼寧部分地區主梁氯離子含量分布

3 特征值之間關系

(1)當表面氯離子含量C0>0.058%時，臨界含量截面深度x1經擬合符合式(6)，參數A、B見表4。

x1=AeBC0

(6)

表4 參數A、B

(2)當表面氯離子含量C0>0.058%時，x=0.05發生臨界含量時所需時間tcr經擬合符合式(7)。

tcr=EeFC0

(7)

參數E、F見表5。

(3)碳化深度x0、混凝土強度M、使用年限t、表面氯離子含量c0與參數G、H、I、J關系經擬合基本符合式(8)，參數G、H、I、J見表6。

表5 參數E、F

C0=0.114+0.00433t+0.003938(G、H、I、J)-0.00296x0-0.00609M

(8)

表6 參數G、H、I、J

(4)擴散系數時效性

擴散系數大小與混凝土水膠比、膠凝材料品質與摻量以及環境條件多種因素有關，并隨環境氯離子作用時間的增長而降低。Life-365提出，作用時間大于25年后氯離子不隨時間增長而降低。為便于對混凝土耐久性評估需要，經統計防撞墻保護層深度0.05m平均擴散系數D0.05與時間t關系符合指數分布如表7。

表7 防撞墻保護層深度0.05m平均擴散系數D0.05與時間t關系

當t>8年時：

D0.05=70.699e-0.1872t

(9)

4 考慮鹽凍組合Fick第二定律修正

4.1 考慮凍融氯離子擴散系數修正

(10)

式中：t為混凝土表面受環境氯離子作用時間(a)；C(x,t)為經過t時間氯離孒侵蝕到離表面深度為x處的氯離子含量；erf為誤差函數； x為距離表面深度(m)；k為考慮混凝土凍融損傷系數；D0為t0時的擴散系數(m2/s)； CS為混凝土初始氯離子含量。

離表面深度為x處的氯離子擴散系數：

(11)

式中：x為距離表面深度(mm)；t為時間(a)；CS為混凝土初始氯離子含量。

4.2 凍融影響系數k

設相對凍融較少在x=0.05m檢測時擴散系數Dt1、氯離子含量c0.05，表面含量為C01。則滿足方程：Dt1=x2/(4×t×[erf-1(1-c0.05/c01)]2)。

經凍融在表面氯離子含量C02作用下，在x=0.05m檢測時擴散系數Dt=k×Dt1、具有相同凍融較少氯離子含量c0.05。

則凍融影響系數k：

k=[erf-1(1-c0.05/c01)]2/[erf-1(1-c0.05/c02)]2

4.3 遼寧地區凍融影響系數k

由于同一個構件、在同一深度具有相同氯離子含量且表面氯離子含量不同，而且要求一個能代表是鹽腐，而另一個能代表鹽凍，目前這類檢測數據尚少。為此目前僅能根據滿足上述條件的不同橋梁構件進行擬合，因此k系數有待今后進一步完善。

表8 凍融影響系數k

5 結論

5.1 防撞墻

防撞墻是直接接觸除冰鹽的橋梁構件，撒布除冰鹽的數量和頻率直接影響防撞墻中氯離子含量。從試驗結果來看，鐵嶺、本溪、沈陽地區的防撞墻中氯離子含量較大，因為這些地區的防撞墻外觀質量較差，多數防撞墻處于混凝土表層松散、鋼筋外露銹蝕的狀況。回彈值較高的防撞墻，其氯離子含量較少，這與室內試驗的結果基本一致。對于同一橋梁的防撞墻，取樣位置不同，其氯離子含量也略有差異。防撞墻鹽凍破壞的高度大致是距離地面0～50cm范圍，該區域的防撞墻混凝土氯離子含量要比其他區域高得多。

若對防撞墻進行防護處理，或采用高性能混凝土，能很有效地預防氯離子的侵蝕滲透。沈四線的防撞墻基本都做了涂刷防腐涂料處理，因此，該地區的防撞墻內部氯離子含量要遠小于其他高速公路的防撞墻。

5.2 橋面鋪裝

橋面鋪裝是水平面直接接觸除冰鹽的橋梁構件，撒布除冰鹽的數量和頻率以及瀝青混凝土的表觀狀況和防水層好壞均影響橋面鋪裝中氯離子含量。

從數據結果來看，若瀝青層出現病害(如瀝青混凝土修補、瀝青混凝土縱縫等)，對應的頂層橋面混凝土氯離子含量會較大；若瀝青混凝土層未出現病害，對應的橋面混凝土氯離子含量會較小。從現場調研來看，行車道的瀝青混凝土破損最為普遍，該區域的橋面鋪裝混凝土的氯離子含量也較其它位置要大，因為行車道行駛的車輛較多，并且重車均在行車道行駛，鋪裝容易破損促進氯離子的滲透。

在北方地區，橋面鋪裝混凝土必定會受到氯離子的鹽蝕，只是鹽蝕程度各有不同。除冰鹽主要對鋼筋混凝土帶來兩方面的不利影響[3]：鋼筋銹蝕和混凝土剝蝕破壞。沈本線太子河橋和李家山橋，橋面鋪裝混凝土頂層已經鹽酥5cm左右，大大影響了結構安全和行車安全，沈本線的大峪二號橋的橋面鋪裝就因為鹽蝕過重，重車行駛時，將橋面板局部壓露。改進鋪裝結構如采用復合混凝土替代瀝青混凝土作為上面層，將會有效地防止氯離子對橋面鋪裝的侵蝕，同時也會提高橋面耐久性。

5.3 主梁

由于主梁混凝土一般標號較高，并且主梁不直接接觸鹽類，因此主梁混凝土中氯離子含量相對其它構件要少。

從試驗數據來看，遼寧北方地區主梁氯離子含量要大于遼寧南部。海灣大橋雖處于海洋環境，并且建橋時間也較長，但混凝土標號較高，因此僅僅表層混凝土氯離子含量較高，內部混凝土氯離子含量較低，因此，提高主梁混凝土標號是抵抗氯離子滲透最有效的手段。

對于空心板主梁，如果底板和腹板均有鹽凍病害，往往底板氯離子含量要高于腹板。以沈環線養竹中橋為例，該橋邊梁底板有數條縱縫，并且底板裂縫附近混凝土明顯鹽凍破壞，該邊梁底板鹽凍破壞處的混凝土氯離子含量要遠高于腹板鹽凍破壞處的混凝土氯離子含量，究其原因，由于底板出現了裂縫，空氣中的二氧化碳和板內的水分使板底混凝土更容易劣化，這樣，氯離子的侵入就更容易。對養竹中橋邊板主筋進行調查，對于同一根主筋，板底縱縫位置處鋼筋已經銹蝕，螺紋已經銹沒，而無裂縫位置處的鋼筋沒有銹跡。

位于伸縮縫梁端以及邊梁泄水孔附近截面氯離子含量高、混凝土鹽凍破壞嚴重，沈本線李家山橋邊梁泄水管附近預應力鋼絞線銹斷，影響橋梁承載能力。

對于伸縮縫梁端及泄水口孔附近邊梁宜采用涂層防腐。