氯離子侵蝕環(huán)境下橋梁混凝土構件耐久性評價與壽命預測研究

林宜光

（福建第一公路工程集團有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

沿海地區(qū)混凝土橋梁受海洋環(huán)境氯離子侵蝕影響，早期破壞現(xiàn)象非常普遍，在既有海洋潮汐環(huán)境中，部分混凝土橋梁投入使用10 年左右便開始出現(xiàn)鋼筋銹蝕等病害，耐久性下降，不能滿足使用壽命與安全運營要求。在海洋潮汐氯離子（Cl-）侵蝕環(huán)境下，部分混凝土橋梁構件由于抗氯離子侵蝕能力不足而過早產(chǎn)生鋼筋銹蝕等病害。氯離子會誘發(fā)鋼筋銹蝕，對混凝土中的水泥水化產(chǎn)物造成腐蝕，這是海洋潮汐環(huán)境中混凝土構件耐久性降低的主要原因[1]。

1 氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的機理

海洋環(huán)境中氯離子誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的機理主要有四個方面：一是破壞鈍化膜；二是形成腐蝕電池；三是陽極去極化作用；四是導電作用。

沿海海潮影響區(qū)混凝土橋梁耐久性現(xiàn)狀調(diào)查匯總?cè)绫? 所示，從中可以看出，在該區(qū)域內(nèi)混凝土橋梁耐久性不足主要表現(xiàn)為鋼筋銹蝕，同時局部存在水、鹽侵蝕導致的混凝土酥化、表層脫落等病害。

表1 沿海海潮影響區(qū)混凝土橋梁耐久性現(xiàn)狀

2 抗氯離子侵蝕耐久性評價與壽命預測模型

在海洋潮汐環(huán)境中，氯離子侵蝕混凝土結構的主要途徑是氯離子擴散。

根據(jù)Fick 第二定律，在t時刻，x深度處，混凝土中氯離子濃度表達式為：

式（1）中：Cs為暴露于混凝土構件表面處的氯離子濃度；Dc為氯離子擴散系數(shù)；erf(·)為誤差函數(shù)，erf(u)=。該式即為預測鋼筋混凝土構件抗氯離子侵蝕耐久性評價與壽命預測的基礎模型。

通過現(xiàn)場模擬試驗得到的混凝土中氯離子擴散系數(shù)能夠反映混凝土的自身材料性能和在外界環(huán)境作用下的抗氯離子侵蝕性能，包括混凝土的膠凝材料類型和用量、水灰比、表面微裂縫的影響、養(yǎng)護時間，以及環(huán)境溫度、應力、使用年限、硫酸鹽侵蝕等對混凝土性能的影響，與試驗室得到的單一影響因素不同。

用Fick 第二定律擬合氯離子含量的侵蝕曲線，擬合曲線與試驗點比較吻合。將Fick 第二定律看作是一條擬合曲線，曲線中的參數(shù)有比較明確的物理含義，但氯離子在混凝土中的擴散并不完全符合Fick 第二定律。

Fick 第二定律在初始條件為t=0、x＞0 時，C(x,t)=0；邊界條件為x=0、t＞0 時，C(x,t)=Cs時，表達式為：

式（2）中：Cs為暴露于混凝土構件表面處的氯離子濃度；erf(·)為誤差函數(shù)，erf(u)=。

3 氯離子侵蝕環(huán)境下橋梁混凝土構件耐久性檢測方法

3.1 鋼筋銹蝕電位檢測方法

鋼筋銹蝕電位檢測是在每一測區(qū)采用Cu/CuSO4為參考電極的半電池點位法進行檢測，可取網(wǎng)格測點，混凝土邊緣與測點的距離應大于50mm。如果兩相鄰測點的自然電位測試值相差超過150mV，宜在其間加密測點。測試值讀取時，應保證測點讀數(shù)變動不超過2mV，重復測試相差不超過10mV。

3.2 結構混凝土中氯離子含量檢測方法

通過鉆取混凝土粉樣或鉆芯磨取粉樣測試氯離子在混凝土中的分布曲線。取樣位置是依據(jù)鋼筋銹蝕狀況的檢查結果，選擇鋼筋銹蝕活動性較強部位或其他需要檢測的部位。采用鉆頭直徑為20mm 的沖擊鉆鉆孔分層取粉，鉆孔深度分層為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm 等，以超過鋼筋深度10mm 為準。一般在同一構件測試表面布置4 個測位，每個測位上分布的測區(qū)網(wǎng)格尺寸大小為20cm×20cm，測位的編排順序是按路線里程增長方向，從右到左進行編號。同一測區(qū)應布置3 個測孔，呈“品”字形分布，測孔應避開鋼筋。將3 個測孔同一層深度的粉末裝于同一塑料袋內(nèi)封口密封保存，作為該深度的取樣，并注明測孔編號、部位、測區(qū)及深度。每層的粉樣量不少于30g。

4 氯離子侵蝕環(huán)境下橋梁混凝土構件耐久性評價方法

4.1 混凝土中的氯離子擴散系數(shù)

混凝土中的氯離子擴散系數(shù)并不是理論上的擴散系數(shù)，而是利用Fick 第二定律的表達式通過擬合人為賦予的物理含義，它能夠反映混凝土的自身材料性能和在外界環(huán)境作用下的抗氯離子侵蝕性能，具有相對比較性[2]。

4.2 抗氯離子侵蝕耐久性評價與壽命預測

4.2.1 耐久性極限狀態(tài)

整個壽命計算分兩個階段：第一階段為氯離子從混凝土保護層表面侵入鋼筋表面并達到臨界濃度值的初始期；第二階段為鋼筋開始銹蝕到混凝土表面，脹裂縫寬度為0.3mm 的發(fā)展期。至此，認為結構耐久性已經(jīng)完全失效，開始進入加速破壞期。在氯離子侵蝕環(huán)境下，第二階段非常短，通常只有5～10 年。

4.2.2 氯離子擴散模型

對于沒有裂縫的混凝土結構而言，氯離子侵蝕的主要途徑是氯離子的擴散。因此用Fick 第二定律來擬合氯離子含量的侵蝕曲線。

Fick 第二定律在初始條件為t=0、x＞0 時，C(x,t)=0；邊界條件為x=0，t＞0 時，C(x,t)=Cs。在t時刻，x深度處，氯離子濃度表達式為：

式（3）中：Cs為暴露于構件混凝土表面處的氯離子濃度；Dc為氯離子擴散系數(shù)；erf(·)為誤差函數(shù)，erf(u)=。該式是用來擬合氯離子在混凝土中擴散的表達式，式中的Dc作為混凝土中氯離子擴散系數(shù)，是通過擬合方法得到的。

利用逐層磨粉的方法，測試各層粉樣中的氯離子含量，得到氯離子含量的侵蝕曲線，利用Fick 第二定律擬合氯離子分布曲線，可得到氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)和混凝土表面的氯離子濃度。在已知鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度的情況下，即可通過式（3）得出氯離子滲透到鋼筋表面且達到銹蝕臨界濃度的時間，即結構的脫鈍年限。

4.2.3 抗氯離子侵蝕耐久年限估算

橋梁構件在氯離子侵蝕環(huán)境中的剩余耐久年限估算方法為：

式（4）中：t為氯離子侵蝕導致鋼筋銹蝕的剩余耐久年限（a）；tI為鋼筋表面氯離子濃度達到臨界濃度，使鋼筋表面脫鈍的年限（a）；tII為普通鋼筋混凝土構件從鋼筋脫鈍到開裂0.3mm 寬度的年限，一般取3～5 年，根據(jù)環(huán)境惡劣程度取值；對于預應力混凝土構件而言，tII=0；t0為構件已使用年限（a）。

鋼筋表面氯離子濃度達到臨界濃度，使鋼筋脫鈍的年限（a）按如下劣化模型法進行估算：

式（5）中：c為混凝土保護層厚度（mm）；kD為氯離子侵蝕系數(shù)。

氯離子侵蝕系數(shù)應按如下方法進行計算：

式（6）中：kD為氯離子侵蝕系數(shù)；D為混凝土有效擴散系數(shù)（mm2/a）；Ccr為氯離子臨界濃度（%，占混凝土質(zhì)量）；Cs為表面氯離子濃度（%，占混凝土質(zhì)量）；γs為混凝土的地下水抽取系數(shù)（單位：年）。

現(xiàn)場模擬試驗得到的混凝土中氯離子擴散系數(shù)能夠反映混凝土的自身材料性能和在外界環(huán)境作用下的抗氯離子侵蝕性能。由于混凝土中氯離子擴散隨著時間變化，混凝土內(nèi)部孔結構也會逐漸發(fā)生變化，在發(fā)生這種變化之后的氯離子擴散系數(shù)Dc就不是一個常數(shù)，而是隨時間變化的隨機變量。當混凝土橋梁已經(jīng)使用達到10 年時，混凝土內(nèi)部的水化過程基本結束，氯離子擴散基本趨于穩(wěn)定，可認為氯離子擴散系數(shù)Dc是一個定值。因此，當結構使用10 年及以上時，混凝土中氯離子擴散系數(shù)和混凝土表面氯離子濃度可通過不同深度氯離子濃度擴散分布曲線按如下方法擬合得出：

式（7）中：Cx,t為齡期t時在x深度處的氯離子濃度（%，占混凝土質(zhì)量）；C0為混凝土中初始氯離子濃度（%，占混凝土質(zhì)量）；Cs為表面氯離子濃度（%，占混凝土質(zhì)量）；erf(·)為誤差函數(shù)，erf(u)=；x為距離結構表面的深度（mm）；Dt為結構暴露于環(huán)境時間為t年時的實測氯離子擴散系數(shù)（mm2/a）；t為混凝土暴露于環(huán)境的時間（a）。

5 海洋氯離子侵蝕環(huán)境下橋梁混凝土構件耐久性提升與補強策略

5.1 橋梁結構鋼筋銹蝕修補

橋梁結構出現(xiàn)的嚴重耐久性病害為鋼筋銹蝕，在海洋氯離子侵蝕環(huán)境中，更易使混凝土結構中保護層較薄部位的鋼筋發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕引起體積膨脹，約為原來的2.5 倍，從而使混凝土開裂、剝落，破壞混凝土結構的受力性能，影響橋梁的使用壽命。對于銹蝕而出現(xiàn)的微小裂縫，可以采用粘貼2 層玻璃布的方法進行修補。對于鋼筋出現(xiàn)輕微銹蝕、表面混凝土發(fā)生銹漲開裂的情況，先將構件出現(xiàn)鋼筋銹蝕的混凝土表面鑿除并進行打磨清理，將滲透型鋼筋阻銹劑涂抹在混凝土表面，再采用專用修補砂漿進行表面修復。

5.2 不銹鋼鋼筋補強

在海洋潮汐環(huán)境中，氯離子會對鋼筋混凝土橋梁構件表面產(chǎn)生侵蝕破壞，當滲透至鋼筋表面且達到臨界氯離子濃度時，即會破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋的迅速銹蝕，在3～5 年內(nèi)發(fā)生嚴重銹蝕開裂，使橋梁結構出現(xiàn)嚴重病害。海洋環(huán)境中橋梁混凝土構件最主要的劣化問題為氯離子誘發(fā)的鋼筋銹蝕[3]。不銹鋼鋼筋具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的抗疲勞性能和抗震性能，且強度高、塑性高，可有效地改善建筑結構的耐久性，減少維修費用，延長其使用壽命，因此在國內(nèi)外海洋建筑工程中得到廣泛應用。

6 結語

綜上所述，要想提升氯離子侵蝕環(huán)境下橋梁混凝土構件的耐久性，延長其使用壽命，必須加強對混凝土構件耐久性評價與壽命預測的研究，從橋梁結構鋼筋銹蝕修補、不銹鋼鋼筋補強等方面入手，提高混凝土構件的耐腐蝕性能、抗疲勞性能和抗震性能，從而實現(xiàn)提升橋梁使用性能的目標，為我國交通運輸事業(yè)作出應有的貢獻。