荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構使用壽命預測

劉瑞軍

（中鐵十六局集團置業投資有限公司，北京 100018）

0 引言

實際工程中，受地下水硫酸鹽及潮濕環境影響的地下鋼筋混凝土結構，耐久性問題更為嚴峻，因此受氯鹽腐蝕的地下混凝土結構耐久性分析和壽命預測成為了工程師關注的熱點。目前常見的各類氯鹽環境下混凝土結構壽命模型都以Tuutti提出的兩階段模型[1]為基礎，認為氯離子擴散模型是氯離子腐蝕環境下混凝土結構耐久性評估和壽命預測的理論基礎。在此基礎上國內外學者對耐久性使用壽命預測模型開展了大量工作：Browne[2]基于Fick擴散定律，建立了考慮氯離子濃度與擴散時間、擴散深度的數學模型預測構件壽命；Bazant[3]基于鋼筋銹蝕機理和彈性力學理論建立了海洋環境下構件使用壽命預測的數學模型；Hansen[4]也建立了海洋環境下構件使用壽命預測模型；肖從真、劉西拉[5]采用數論模擬方法結合方差縮減技術進行壽命預測；王勝年、黎鵬平[6]等通過對海工混凝土耐久性的大量研究，建立了荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構耐久性壽命預測模型。上述預測模型可為氯鹽腐蝕環境中混凝土結構耐久性使用壽命預測提供有效工具。

表1 不同典型地區的臨界氯離子濃度取值[7]

表2 混凝土表面氯離子濃度取值[8]

本文在查閱大量文獻資料基礎上，采用荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構耐久性壽命預測模型，結合實測唐山市曹妃甸區地下水腐蝕性結果，對該地區地下混凝土結構耐久性使用壽命開展模型預測、對比分析。

1 荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構耐久性壽命預測模型

在氯鹽侵蝕環境中，鋼筋混凝土結構構件的耐久性設計方程為：

求解該方程則混凝土結構耐久性壽命ti如式（2）所示。

式中：x為混凝土結構中鋼筋的保護層厚度，mm；Dcl(t)為混凝土氯離子擴散系數設計值，10～12m2/s，按式（3）計算；ccr為臨界區氯離子濃度，按表1所示；cs為混凝土表面氯離子濃度，如表2所示；c0為混凝土初始氯離子濃度，根據實測數據 取值。

恒定荷載作用下：

式中：ke，cl為混凝土環境系數，按《水運工程結構耐久性設計標準》取值，如表3所示；kη，cl為混凝土荷載影響系數，按式（4）計算；kc，cl為試驗方法轉換系數，采用RCM方法時，取0.5；Dcl，0為混凝土氯離子擴散系數試驗值，10～12m2/s；t0為試驗混凝土氯離子滲透性試驗臨期，a；t為混凝土氯離子擴散系數衰減至恒定值的時間，a，通常取30；n為擴散系數的衰減值，按表4所示；η為應力水平。

表3 混凝土環境系數[7]

式中，A、B為與膠凝材料有關的常數，參考文獻[6]普通混凝土A=2.24、B=2.977；粉煤灰混凝土A=6.08、B=1.638；礦渣混凝土A=1.32、B=1.638；粉煤灰礦渣混凝土A=1.02、B=1.638。

表4 擴散系數衰減值n的建議取值[6]

2 唐山市曹妃甸區混凝土結構耐久性使用壽命預測

唐山市曹妃甸區作為河北省國家級沿海戰略的核心，京津冀協同發展的戰略核心區，規劃至2020年，大力開展相應基礎設施建設。本文選取唐山市曹妃甸區地下混凝土結構工程為耐久性設計對象，采用上述預測模型分別開展普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結構在恒定荷載和交變荷載作用下的耐久性使用壽命預測。唐山市曹妃甸區屬于北方地區混凝土環境系數取0.8，當地實測地下水氯離子濃度為2.0%，根據規范混凝土表面氯離子濃度取5.5%，臨界氯離子濃度取0.6%。

經試驗測定56d（t0=0.153年）時上述混凝土的氯離子擴散系數可分別按式（5）[6]計算：

式中，普通混凝土α=1.06，β=2.16；粉煤灰混凝土α=0.89，β=1.04；礦渣混凝土α=0.72，β=1.43；粉煤灰礦渣混凝土α=0.73，β=1.23。

2.1 恒定荷載作用

普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結構（混凝土保護層厚度取60mm），在恒定荷載下（應力水平分別為0.1、0.3、0.5、0.7）耐久性使用壽命預測結果如圖1所示。計算結果表明：

（1）唐山市曹妃甸區普通地下混凝土結構在氯鹽侵蝕環境下、不同應力水平作用時的使用壽命分別為53年、19年、7年和3年，低于或略大于一般混凝土結構的設計使用年限（50年），不滿足結構耐久性要求。因此需采用必要的防腐蝕措施；

（2）混凝土結構的耐久性使用壽命隨著應力水平的增加而減少。以普通混凝土為例，在應力水平0.1、0.3、0.5、0.7的荷載作用下普通混凝土使用壽命由53年逐漸下降至3年，下降幅度非常明顯。粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土亦存在上述規律；

（3）在相同應力水平下各類混凝土的使用壽命，普通混凝土＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土?？梢娐塞}侵蝕環境下的混凝土結構摻入粉煤灰、礦渣等摻合料可有效提高耐久性，延長使用壽命。

因此，對于氯鹽侵蝕環境下的地下混凝土結構，必須采取相應的防腐蝕措施，而采用粉煤灰、礦渣等摻合料是行之有效的方法。

圖1 恒定荷載作用下混凝土結構預測使用壽命

2.2 交變荷載作用

普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結構在交變荷載作用下耐久性使用壽命預測結果如圖2所示。計算結果表明：在交變荷載作用下混凝土結構的耐久性使用壽命隨著應力水平變化規律與恒定荷載作用時一致，且各類混凝土的使用壽命同樣是普通混凝土＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土。因此可采用摻入粉煤灰、礦渣等摻合料的方法來提高耐久性，延長使用壽命。此外，對比不同荷載作用下各類混凝土的使用壽命預測結果，可知荷載作用形式對結構使用壽命存在一定影響，但數值變化不明顯，其中普通混凝土在交變荷載作用下耐久性改善，而粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土則有所下降。

圖2 交變荷載作用下混凝土結構預測使用壽命

3 結語

混凝土結構耐久性研究具有重大意義。本文通過荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結構耐久性壽命預測模型，對唐山市曹妃甸區地下混凝土結構開展使用壽命預測。分析結果表明在相同環境下，混凝土結構的耐久性使用壽命隨著應力水平的增加而減少，且普通混凝土使用壽命＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土。因此，采用粉煤灰、礦渣等摻合料是改善氯鹽腐蝕環境下混凝土結構耐久性的有效方法。