高性能混凝土結構在熱帶海洋環境下的服役壽命

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(南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016)

1 前 言

在20世紀90年代初，國際土木工程界提出了高性能混凝土的概念，但對高性能混凝土的定義還沒有統一[1]。我國在《高性能混凝土應用技術規程》(CECS207-2006)中對高性能混凝土定義為：采用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。

目前，很多大型工程都開始用高性能混凝土來代替普通混凝土。例如日本的明石大橋[2]，耐久性設計要求120年，橋墩混凝土采用免振自密實混凝土，橋面及梁采用泵送高性能混凝土。我國在2008年建成的蘇通大橋主塔高達300.4m，為解決主塔混凝土的澆筑及耐久性問題，最終采用添加了高效減水劑及優質粉煤灰的高性能混凝土，大幅度提高了混凝土的強度及可泵性[3]。

隨著混凝土科學的發展，研究的重點逐漸轉移到高性能混凝土的耐久性問題[4]。對于一般海洋環境下普通混凝土的耐久性問題，王元戰等在海洋鹽霧環境下，開展不同荷載水平作用下混凝土氯離子擴散試驗，以此來總結混凝土中氯離子擴散規律，為預測受荷混凝土的使用壽命提供參考。劉志勇[5]、趙尚傳等[6]、薛鵬飛等[7]通過對沿海實際工程的檢測，綜合考慮一些因素的影響，分別運用蒙特卡洛法、鋼筋表面氯離子濃度預測及Fick定律來對混凝土的使用壽命進行預測。目前，高性能混凝土在熱帶海洋環境下的應用情況除了一些在北海25年海上平臺上的應用記錄外，超過5～10年的跟蹤實驗記錄非常少。所以預測高性能混凝土在這種惡劣環境下的使用壽命非常困難[8]。本文嘗試將高性能混凝土用于熱帶海洋環境的長壽命設計問題，運用可靠度理論進行分析與探討。

2 理論及壽命分析模型

2.1 海洋環境下混凝土結構的氯離子擴散理論

2.1.1混凝土氯離子擴散的Fick第二定律 根據1997年Hooton等[9]的研究，氯離子進入暴露在氯鹽環境下的混凝土內部至少有6種機制。分別為吸附、擴散、結合、滲透、毛細作用以及彌散等。其中，最主要的方式是擴散、滲透和毛細作用。一般情況下為了簡單起見，將混凝土中氯離子的各種遷移機制統稱為“表觀擴散”。將Fick第二定律作為描述氯離子在混凝土中表觀擴散行為的基礎是1970年由Collepardi等[10,11]提出的?；炯僭O有以下5條：(1)混凝土結構為一維半無限大結構；(2)混凝土為均質材料；(3)氯離子擴散是一維的，并且擴散系數不隨齡期變化；(4)氯離子與混凝土不會吸附或者發生化學反應；(5)混凝土表面的氯離子濃度不會隨時間的變化而變化。根據這些假設，得到Fick第二定律的擴散方程為：

(1)

以上所述的Fick第二定律并沒有考慮混凝土服役的實際條件：混凝土的氯離子結合能力及氯離子擴散系數的時間依賴性、表面氯離子含量的時間依賴性以及混凝土在使用過程中的劣化效應。

1999年，Mangat等[12]發現，對于實際條件的混凝土結構，混凝土的氯離子擴散系數與暴露時間有關。同一年Thomas等[13]用式(2)表示了氯離子擴散系數的時間依賴性：

(2)

1998年Amey等[14]發現混凝土表面的氯離子含量隨暴露時間而變化，并推導出了在線性關系Cs=kt和冪函數關系Cs=kt1/2(k為常數)條件下的離子擴散模型公式。2002年Kassir等[15]由實驗得出混凝土暴露表面的氯離子含量與時間的指數關系：

Cs=Cs0(1-e-at)

由于混凝土的非均質性，使其在制造和使用的過程中一旦內部產生微裂紋等結構損傷，必定會加速混凝土中氯離子的擴散，因此，余紅發等[16]在理論建模時，為了描述各種因素對氯離子擴散作用的影響，采用了一個綜合劣化效用系數K，那么非均勻性混凝土的等效氯離子擴散系數De可表示如下：

Df=De=KDt

(3)

混凝土的氯離子結合能力R是1994年由Nilsson等[17]定義的：

(4)

Tuutti[18]、Arya等[19]和余紅發[16]進一步研究表明，混凝土的氯離子吸附關系主要為線性吸附：

cb=Rcf

(5)

2.1.2混凝土氯離子擴散新方程 余紅發等[16]基于混凝土服役的實際情況，借助文獻[20-21]，經過嚴格的推導，得出了同時考慮混凝土氯離子的結合能力、擴散系數隨時間的變化以及結構缺陷影響的氯離子擴散新方程[16]：

(6)

再結合前面所述的初始以及邊界條件，可以得到氯離子擴散的理論模型如下：

(7)

2.1.3二維氯離子擴散理論齊次模型 上述的氯離子擴散理論模型是基于半無限大體的一維擴散問題，但是在實際的鋼筋混凝土結構工程中如梁柱等是二維擴散問題。余紅發等[22]以混凝土擴散新方程為基礎，基于1/4無限大的混凝土結構來研究二維擴散問題。擴散方程如下：

(8)

將此時的邊界條件齊次化，再根據Newman乘積解定理[23]，同時考慮混凝土氯離子的結合能力、擴散系數隨時間的變化以及結構缺陷影響，可以得到二維1/4無限大體氯離子擴散理論齊次模型[22]如下：

cf=c0+(cs-c0)·

(9)

2.2 基于可靠度與氯離子擴散理論的鋼筋混凝土結構服役壽命分析方法

對于常數邊界條件的修正的氯離子擴散模型，用其進行鋼筋混凝土結構服役壽命的可靠度分析時，抗力是鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量(Ccr)，荷載效應是擴散作用導致鋼筋表面(混凝土保護層厚度x0)的自由氯離子含量(cf)，因此建立功能函數Z=ccr-cf。

當混凝土內部鋼筋表面(混凝土保護層厚度x0)的自由氯離子含量(cf)達到臨界氯離子含量(即ccr≤cf)時，導致混凝土中鋼筋銹蝕概率pf=Φ(-β)。然后可計算出可靠度指標。

3 高性能混凝土結構在熱帶海洋環境下的服役壽命分析

3.1 高性能混凝土結構與普通混凝土結構的服役時間比較

本文主要對普通混凝土F0及高性能混凝土S60、S30在相同初始條件下進行可靠度分析研究。三種混凝土的配合比如表1。通過實驗室所得到的數據[24](如表2所示)，得到的結果如圖1所示。其中，混凝土保護層厚度為65mm。且由于實驗得到的數據是在20℃時所測，南海年平均溫度在29℃左右，溫度會影響氯離子擴散系數，所以需要通過計算得到南海環境下氯離子擴散系數。Stephen等[25]對擴散系數隨溫度變化建立了如下關系：

(10)

式中，D是溫度T(K)時的氯離子擴散系數；D0是溫度T0(K)時的氯離子擴散系數；q 是活化常數，與水灰比有關：當mw/mc=0.4時，q=6000K；當mw/mc=0.5時，q=5450K；當mw/mc=0.6時，q=3850K。

圖1 混凝土結構使用普通混凝土與高性能混凝土可靠度分析比較 (a) 鋼筋銹蝕概率比較； (b) 可靠度指標比較Fig.1 Reliability analysis of structures with ordinary concrete and high performance concrete(a) Corrosion probability of steel; (b) Reliability index

No．W/BMassofthemixtureinperunit/kg·m-3CementFASGFineaggregateCoarseaggregateWaterWater?reducingadmixtureAirentrainingagentF003450000657116816856004S30029270108108610113417239004S6003220003006571168160545004

表2 實驗室實測數據

從圖1可以看出，當鋼筋銹蝕概率為5%時，普通混凝土F0的服役時間為1～2年，而高性能混凝土S60的服役時間為19年，S30的服役時間為29年。在鋼筋銹蝕概率為10%時，F0與S60、S30的服役時間分別為3年、30年和39年。由此，在熱帶海洋環境條件下，使用高性能混凝土能大幅延長結構的服役時間，但是，保護層厚度僅為65mm時是不能確保50年壽命的。

3.2 熱帶海洋環境下高性能混凝土結構的保護層厚度分析

《水運工程混凝土施工規范》(JTS 202-2011)中規定，即使是使用高性能混凝土的浪濺區結構，其最小

保護層厚度為65mm。由圖1的計算結果可得，當混凝土的保護層厚度為65mm時，鋼筋銹蝕概率為5%時結構的服役壽命為20年左右，需要重新確定最小保護層厚度。

對高性能混凝土S60在相同環境相同初始條件下選用不同的保護層厚度，分別取65、70、75、80和85mm進行可靠度分析，結果如圖2所示。

圖2 高性能混凝土S60在熱帶海洋環境下不同保護層厚度的可靠度分析 (a) 不同厚度時的鋼筋銹蝕概率； (b) 不同厚度時的可靠度指標Fig.2 Reliability analysis of different thickness covers of high performance concrete(S60) under tropical marine environment(a) Corrosion probability of steel in different thickness; (b) Reliability index in different thickness

從圖中可以看出，鋼筋銹蝕概率為5%時5種不同厚度保護層時混凝土結構的服役時間分別為2、33、55、80和114年。故此高性能混凝土在熱帶海洋環境下要滿足50年的壽命要求時，結構的最小保護層厚度選擇75mm比較合適。如果某些建筑物需要壽命達到100年時，最小保護層厚度為85mm。

3.3 附加防護措施對一維高性能混凝土結構服役壽命的影響

由圖1可得，保護層厚度為65mm不能滿足50年的壽命要求，故考慮在不改變混凝土保護層厚度的情況下，施加附加防護措施。附加防護措施有使用不銹鋼筋、結構表面涂覆硅烷、使用阻銹劑等等。研究表明，304奧氏體不銹鋼筋在表面氯離子含量達到混凝土質量的0.7%時才有可能發生銹蝕[26]。表面涂覆硅烷可以防止硫酸根離子、氯離子等有害物質滲入混凝土內部。實驗證明，涂覆硅烷滲透深度達到0.5～2mm以后，自由氯離子擴散系數至少會降低30%，表面自由氯離子含量至少會降低50%[27]。摻加阻銹劑會使鋼筋發生銹蝕的混凝土臨界自由氯離子含量提高4～5倍，但由于阻銹劑一般是無機鹽，會由于濃度差導致部分流失[28]。基于實測數據及以上實驗和研究的結論，得到如圖3所示的結果。

根據圖3所示，高性能混凝土結構在使用不銹鋼筋、表面涂覆硅烷以及使用阻銹劑時鋼筋銹蝕概率為5%時的服役壽命分別為超過200年、200年左右和110年。由此我們可以得到，以上三種附加措施都能使高性能混凝土滿足50年的壽命要求。比較這三種方法，當結構僅需要滿足50年壽命要求時，三種方法效果幾乎沒有差別，考慮到成本及實際施工的簡易，推薦使用阻銹劑。

3.4 施加附加措施對二維高性能混凝土結構服役壽命的影響

圖4是結合實驗室數據以及二維擴散理論模型對采用不銹鋼筋、使用硅烷涂層、使用阻銹劑三種情況下的可靠度分析比較。

從圖中可以看出，對高性能混凝土框架柱施加附加措施都能延長其服役壽命。且使用不銹鋼筋的效果最好。若結構只需要保證50年的使用壽命要求，采用不銹鋼筋與使用阻銹劑都有非常好的效果。從經濟角度考慮優先選用阻銹劑。若結構有100年的使用壽命要求，在鋼筋起銹概率不大于5%的情況下，只有使用不銹鋼筋才能滿足要求。

4 結 論

1.使用高性能混凝土能大幅延長熱帶海洋環境下混凝土結構的服役壽命；

圖3 在分別采用不銹鋼筋、使用硅烷涂層、使用阻銹劑三種情況下一維高性能混凝土結構的服役壽命比較(保護層厚度為65mm)(a) 不同附加條件時鋼筋銹蝕概率比較； (b) 不同附加條件時可靠度指標比較Fig.3 Corrosion probability of steel and reliability index of high performance concrete slab using stainless steel bars, silane coating or corrosion inhibitor (The thickness of cover is 65mm) (a) corrosion probability of steel in different additional conditions; (b) reliability index in different additional conditions

圖4 在分別采用不銹鋼筋、使用硅烷涂層、使用阻銹劑三種情況下二維高性能混凝土結構的服役壽命比較(保護層厚度為30mm)(a) 不同附加條件時鋼筋銹蝕概率比較； (b) 不同附加條件時可靠度指標比較Fig.4 Corrosion probability of steel and reliability index of high performance concrete columns using stainless steel bars, silane coating or corrosion inhibitor (The thickness of cover is 30mm) (a) corrosion probability of steel in different additional conditions; (b) reliability index in different additional conditions

2.對高性能混凝土結構施加附加措施，都能使結構達到50年的壽命要求，其中最有效的是使用不銹鋼筋，最經濟的是在結構表面涂覆硅烷。

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