拉荷載作用下混凝土中氯離子傳輸及服役期評價

李金永 曹 銀

（1.中鐵十九局集團有限公司 北京 100176；2.中國建筑材料科學研究總院有限公司 北京 100024）

1 引言

鋼筋混凝土是鐵路建設的關鍵工程材料，被廣泛應用于鐵路軌道、隧道、橋梁等主要結構。通常要承受列車高速運行產生的荷載及外部服役環境的綜合作用，其耐久性直接關系到工程安全性和服役壽命。Mehta教授在總結混凝土的耐久性時指出，鋼筋銹蝕是引起混凝土結構劣化的首要破壞因素［1］，而來自服役環境中的氯離子又是造成鋼筋銹蝕的主要原因［2］。理論和試驗研究均表明，不考慮外部荷載及混凝土損傷條件下得出的氯離子傳輸結果與實際情況存在很大的差異［3］。

近年來，國內外學者開始關注多因素協同作用下水泥基材料的耐久性研究［4-6］。應力作用與氯離子侵蝕耦合作用對鋼筋混凝土劣化的相互促進是導致二者共存環境下劣化行為與機理較為復雜的主要原因。理論研究和實際試驗均表明，荷載與氯鹽侵蝕耦合因素作用下鋼筋混凝土耐久性的評價研究比僅考慮承載力或僅考慮氯鹽侵蝕的結構設計方法更有意義，更符合混凝土材料的實際服役條件。利用力學荷載與氯鹽侵蝕作用下混凝土的研究成果指導實際工程應用，可以更安全、更有效地提高混凝土的耐久性和實際服役年限，減小后期維護和維修費用，同時保障人民群眾的生命和財產安全，具有重大的經濟和社會效益。

因國家重點工程對關鍵結構混凝土的安全運行和耐久性有很高的要求，結合耐久性研究最新進展［7］，對蘭新高速鐵路LXS-15標段C40和 C45混凝土開展拉應力-氯鹽侵蝕耦合作用下的耐久性研究和服役壽命預測分析，研究了應力對混凝土中氯離子傳輸的影響及其對混凝土服役壽命的影響。蘭新高速鐵路是連接甘肅省蘭州市與新疆維吾爾自治區烏魯木齊市的高速鐵路，是世界上一次性建成通車里程最長的高速鐵路，是中國《中長期鐵路網規劃》的重點項目，也是亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分。蘭新高速鐵路新疆段要途經4大風區。其中，“百里風區”、“三十里風區”的風力最為強勁，部分區段最大速度可達60 m/s，相當于十七級風。

2 試驗方案

2.1 原材料及配合比

試驗用水泥為P.O42.5低堿水泥，水泥的相關性能見表1和表2。粉煤灰細度為10.8%，需水量比為92%；礦渣粉比表面積為426 m2/kg；砂為天然河砂，細度模數為2.7，表觀密度為2 650 kg/m3，含泥量＜1.5%；碎石為5～31.5 mm的連續級配；拌和水為地下飲用水；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率27.1%；引氣劑為JX-EAB型引氣劑，摻量為0.2%。

表1 水泥物理性能

表2 水泥的基本性能 %

2.2 試驗方法及裝置

選用樁基礎C40和C45混凝土作為研究對象，配合比見表3。

表3 試驗用混凝土配合比 kg/m3

將原材料按表3準確稱取后拌和3 min，然后制成啞鈴型混凝土試件（拉荷載試件）。

24 h后拆除成型模具，將混凝土小梁和啞鈴型試件放入相對濕度≥95%、溫度（20±2）℃的標準養護室內養護28 d，然后測試試件的軸心抗拉強度。軸心抗壓強度采用液壓伺服壓力機施加載荷，軸心抗拉強度采用RILEMTC 246-TDC設計的加載裝置進行加載，如圖1所示。

圖1 拉應力與氯鹽侵蝕作用下混凝土耐久性測試

由于所選取部件的實際承載狀況無法準確預測，在考慮安全余量的情況下，本項目選取30%的拉應力比進行加載，即取抗拉強度的30%作為外部應力。

按照RILEMTC 246-TDC提出的測試方法標準［8-9］對試件進行養護和預處理，開始拉應力與氯鹽侵蝕耦合作用下的耐久性試驗。作用至暴露齡期后，按要求分層取樣，測試總氯離子含量，以占混凝土質量的百分比表示。

3 混凝土在拉荷載與氯鹽作用下的服役行為

3.1 拉荷載與氯鹽作用下樁基礎C40混凝土服役行為

結合拉應力比分別為0和0.3時氯鹽侵蝕作用4周、8周和12周后樁基礎C40混凝土試件的氯離子濃度變化，采用文獻［10］中的方法，對氯離子濃度分布曲線進行擬合，得出表觀擴散系數和表面氯離子濃度，分別如圖2～圖3所示。

圖2 擬合得出的拉應力作用下樁基礎C40混凝土表面氯離子濃度

圖3 擬合得出的拉應力作用下樁基礎C40混凝土表觀氯離子擴散系數

3.2 拉荷載與氯鹽作用下樁基礎C45混凝土服役行為

結合拉應力比分別為0和0.3時氯鹽侵蝕作用4周、8周和12周后樁基礎C45混凝土試件的氯離子濃度變化，采用同樣的方法擬合得出拉應力作用下混凝土的表觀擴散系數和表面氯離子濃度，如圖4～圖5所示。

圖4 擬合得出的拉應力作用下樁基礎C45混凝土表面氯離子濃度

圖5 擬合得出的拉應力作用下樁基礎C45混凝土表觀氯離子擴散系數

3.3 拉應力對混凝土中氯離子擴散的影響

在持續外部拉荷載作用下，混凝土試件不同深度處的總氯離子含量隨時間逐漸升高；氯離子逐漸由表層擴散至混凝土內部。在相同的暴露齡期條件下，混凝土中氯離子濃度隨著深度的增加而逐漸減小至趨近于初始氯離子濃度。當拉應力比為0.3時，同一深度處的氯離子濃度比無拉應力時略大，外部拉荷載加速了氯離子向混凝土中的傳輸。從圖2～圖5可以看出，拉應力比為0.3條件下得出的氯離子擴散系數比無荷載時稍大，表明30%外部拉荷載加速了外部氯鹽向混凝土內部的擴散。這主要是由于在拉荷載條件下，長期持載可能造成混凝土內部微裂紋的萌生與擴展，為氯離子擴散提供了額外的路徑，從而加速了氯鹽向混凝土內部的傳輸。

對于無荷載和30%拉荷載條件下的試驗結果可以看出，對同一試件而言，氯離子滲透深度都隨著時間的延長而逐漸增大，但不同齡期內的表觀氯離子擴散系數卻隨著時間的增加而逐漸減小，近似呈冪函數衰減。因此，在進行混凝土結構壽命預測時還需要考慮氯離子擴散系數的時變性。另外，擬合得出的表面氯離子濃度均近似呈冪函數增長，但最終趨近于穩定。由于試驗試件在進行荷載和氯鹽侵蝕之前處于相對飽水狀態，所以從中并沒有明顯觀測出混凝土表層的對流區。若試驗中發現對流區的存在，就需要獲得更多層的氯離子濃度數據并運用Fick第二定律解析解模型進行擬合；相應地，在進行混凝土的服役壽命預測時，則需要用Cs，Δx來替代表面氯離子濃度（其中Δx為對流區的深度）。

4 混凝土在拉荷載與氯鹽作用下的壽命評估

采用文獻［11］建立的荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構壽命預測RSC模型，式（1）～式（3）為對兩種不同配比的混凝土進行服役壽命可靠度計算公式。式中各參數的物理意義及取值方法詳見文獻［11］。

采用不同應力條件下混凝土的表觀氯離子擴散系數作為輸入變量（見表4），以氯離子侵蝕最為嚴重的浪濺區環境條件參數進行荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土服役壽命可靠度計算。齡期指數、環境參數等輸入變量的分布取值參考文獻［12］確定，按照全概率的可靠度方法計算混凝土可靠度指標隨時間的演變情況，采用德國RCP GmbH公司與慕尼黑工業大學共同開發的軟件STRUREL進行可靠度指標計算。

表4 試驗得出的表觀氯離子擴散系數及其可靠度計算輸入值

經過計算，得出了被測C40和C45混凝土在拉荷載和氯鹽侵蝕耦合作用下的可靠度指標演變和失效概率演變情況如圖6～圖9所示。

圖6 拉應力作用下樁基礎C40混凝土的可靠度指標

圖7 拉應力作用下樁基礎C40混凝土的失效概率

圖8 拉應力作用下樁基礎C45混凝土的可靠度指標

圖9 拉應力作用下樁基礎C45混凝土失效概率

可以看出，兩類混凝土試件在拉應力與氯鹽協同作用下服役100年后可靠度指標均大于設計值1.3，表明兩類混凝土的使用壽命均遠超100年。30%拉荷載作用使得混凝土在氯鹽環境下的服役壽命縮短。因此，在進行鐵路工程材料耐久性設計時，要重點考慮受拉構件及構件受拉區的耐久性。

5 結論

（1）利用中國建筑材料科學研究總院研發的設備對樁基礎C40混凝土和樁基礎C45混凝土開展拉應力與氯鹽侵蝕協同作用下的耐久性評價，保證了實驗室內的試驗環境接近實際服役環境，評價結果更具有實際指導意義。

（2）在基于全概率氯離子侵蝕模型的基礎上，考慮荷載作用，參考耐久性設計文獻經計算得出結論：兩類被測混凝土使用壽命均超過設計使用壽命。

（3）與不受力混凝土相比，施加30%拉應力后，混凝土在不同齡期內的氯離子擴散系數均稍微增大；外加拉應力一定程度上加速了混凝土內的氯離子擴散，導致混凝土的服役壽命縮短。在進行鐵路工程材料耐久性設計時，應重點關注受拉構件和構件受拉區的材料設計，并加強混凝土配合比優化和施工質量控制，如控制混凝土水膠比和最小水泥用量來改善混凝土的密實性、增加保護層厚度等。必要時還需要采取防腐蝕附加措施，如混凝土表面涂層和防腐蝕面層、環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑等。