鋼筋混凝土結構鹽凍破壞分析及壽命預測

宋宇航,張偉麗,譚淵文

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

在我國北方地區，由于氣溫較低、持續降雪導致道路通行不暢，在水和溫度循環作用下會導致路面產生縱向裂縫，因此要用除冰鹽(常用NaCl、CaCl)融雪。但除冰鹽中含有的氯離子會降低鋼筋混凝土結構的耐久性。

目前一些學者對于鋼筋混凝土鹽凍破壞機理進行了研究，現有的微冰透鏡、靜水壓等理論可以解釋鋼筋混凝土凍融破壞的部分試驗現象和劣化機理，但是如何從不同影響因素的角度去研究鋼筋混凝土鹽凍破壞尚未形成一個完善的理論體系。Valenza等提出了一種全新的黏結剝落機理，從混凝土外表面侵蝕剝落特點入手，解釋了混凝土在鹽凍條件下產生的各種凍融現象。此外，還有很多學者發現了混凝土鹽凍破壞規律。如楊全兵研究發現混凝土內部毛細管吸水飽水度和吸水速度隨著NaCl濃度增加而顯著提高；Zhang等研究發現干燥收縮對混凝土抗鹽凍性能的影響大于毛細孔隙中溶液飽和度的影響；Su等研究發現無箍筋的再生骨料鋼筋混凝土結構試件的黏結強度低于有箍筋的試件；張宇研究發現混凝土對鋼筋的保護效果取決于混凝土保護層厚度、接觸氯鹽的時間和混凝土的質量。

氯離子擴散模型是鋼筋混凝土結構耐久性研究的重要基礎。如余紅發等在Fick第二擴散定律的基礎上，充分考慮了混凝土內部缺陷以及氯離子擴散系數的時間依賴性，完善了氯離子擴散模型；孫叢濤綜合考慮了溫度、齡期等外部因素的影響，得到了不同因素作用下基于氯離子侵蝕的混凝土耐久性的理論解析解，建立了多因素作用下的氯離子擴散模型。

前人提出的氯離子擴散模型大部分是針對常溫狀態，很少有考慮凍融這一因素，而凍融是鋼筋混凝土結構廣泛面臨的環境條件，因此在氯離子擴散模型中加入凍融帶來的影響是一個亟待解決的問題。為此，本文通過混凝土試件的鹽凍試驗研究了鋼筋混凝土結構在鹽凍環境下的損傷度，并將損傷度引入到氯離子擴散模型中，修正了氯離子擴散系數，在此基礎上得到鹽凍條件下鋼筋混凝土結構的壽命預測模型。

1 鹽凍環境下鋼筋混凝土結構的壽命預測

Clifton歸納了5種鋼筋混凝土結構壽命的預測方法：經驗法、比較法、加速試驗法、數學模型法和隨機方法。目前針對鹽凍環境下鋼筋混凝土結構使用壽命預測的研究大多是基于氯離子擴散理論或碳化理論建立數學模型來進行研究。本文采用數學模型法，并結合混凝土試件的鹽凍試驗將凍融循環引入到氯離子擴散模型之中，實現了鹽凍環境下鋼筋混凝土結構的壽命預測。

1.1 鋼筋混凝土結構的使用壽命標準

鋼筋混凝土結構的使用壽命可分為

t

、

t

、

t

三個階段，其計算公式為

t

=

t

+

t

+

t

(1)

式中:

t

為鋼筋混凝土試件的使用壽命(a)；

t

為誘導期，指裸露在外面一側的混凝土內部鋼筋表面氯離子濃度達到臨界氯離子濃度所需的時間(a)；

t

為發展期，指包圍在鋼筋外的鈍化膜被破壞到保護層處的混凝土開裂所需的時間(a)；

t

為失效期，指混凝土處的保護層開裂到混凝土試件失效所需的時間(a)。在有氯鹽環境下，以鋼筋混凝土表面氯離子濃度達到臨界值的誘導期

t

作為鋼筋混凝土試件的使用壽命，即

t

=

t

。

1.2 鋼筋混凝土結構的壽命預測模型

歐盟Dura Crete模型以Fick第二擴散定律為基礎，用來描述

t

時刻距混凝土表面深度為

x

處的氯離子濃度

C

(

x

,

t

)隨時間的變化，其表達式為

(2)

C

=

A

(

W

/

B

)

γ

(3)

式中：

C

(

x

,

t

)為

t

時刻距混凝土表面深度為

x

處的氯離子濃度(%)；

C

為混凝土表面氯離子濃度(%)；

x

為距混凝土表面的距離，即混凝土保護層的厚度(mm)；

A

為描述混凝土表面氯離子濃度與水膠比(

W

/

B

)關系的回歸參數；

γ

為混凝土表面氯離子濃度的分項系數，根據鋼筋混凝土結構減少鋼筋銹蝕破壞所需費用相對鋼筋混凝土結構修復費用的高、相等和低分別取值;

R

(

t

)表示混凝土對氯離子的抗力，它是氯離子擴散系數

D

(

t

)的倒數，其表達式為

(4)

(5)

式中：

D

(

t

)為常溫下

t

時刻混凝土氯離子的擴散系數(m/s)；

t

為鋼筋混凝土結構開始接觸氯鹽環境時的齡期(d,通常取28 d)；

D

為常溫下

t

時刻混凝土氯離子擴散系數(m/s)；

R

為混凝土在齡期

t

時刻抵抗氯離子擴散的能力(簡稱抗力)，是混凝土氯離子擴散系數

D

的倒數(s/m)；

m

為齡期系數，與膠凝材料和環境有關;

k

為環境系數，與不同環境、不同膠凝材料有關；

k

為養護系數，與養護時間長短有關。當鋼筋混凝土表面氯離子濃度達到臨界值時，標志鋼筋混凝土結構發生破壞，設鋼筋混凝土表面氯離子臨界濃度為

C

，綜合公式(1)～(4)可得到常溫環境下鋼筋混凝土結構的壽命預測模型如下：

(6)

公式(6)中

D

為常溫下

t

時刻混凝土氯離子的擴散系數，在凍融條件下氯離子進入混凝土的速度發生了變化，即該氯離子的擴散系數

D

發生變化。因此，將公式(6)中常溫下氯離子的擴散系數

D

修正為凍融循環作用下混凝土氯離子的擴散系數

D

，令：

D

=

KD

(7)

式中：

K

為修正系數。

故可得到鹽凍作用下鋼筋混凝土結構的壽命預測模型如下：

(8)

鋼筋混凝土結構的壽命與其混凝土保護層密切相關，混凝土保護層的損傷度是研究鋼筋混凝土結構在鹽凍條件下耐久性的重要指標。本文通過混凝土試件的鹽凍試驗，測試混凝土的相對動彈性模量與質量損失率，計算鹽凍條件下混凝土保護層的損傷度，并建立混凝土保護層的損傷度與凍融循環次數的關系式，借助混凝土鹽凍損傷度與氯離子擴散系數之間的關系，對修正系數

K

的取值給出了具體的計算公式。

2 試驗材料與方案

2.1 混凝土試件的制備

本試驗采用是華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥，石子為5～20 mm連續粒級，采用標準砂進行試驗，控制混合砂細度模數為2.5。制備的標準混凝土試件尺寸為：100 mm×100 mm×400mm，如圖1所示。采用混凝土配合比為水泥∶砂子∶石子∶水=1∶1.03∶1.55∶0.45，水灰比為0.454。共制作標準混凝土試件6塊，其中3塊用于清水環境凍融循環試驗，3塊用于除冰鹽環境凍融循環試驗。

圖1 標準混凝土試件Fig.1 Standard concrete specimen

2.2 混凝土試件的凍融循環試驗

混凝土試件的凍融循環試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法進行，凍融系統采用高低溫環境控制系統，為保持混凝土試件的飽水狀態，兩組試件每2個凍融循環周期進行一次飽和，清水凍融試驗組的浸泡液為自來水，鹽凍試驗組的浸泡液為濃度3.5%的NaCl溶液。試件的中心溫度控制在(-18±2)～(5±2)℃，凍融循環周期為4 h。在本試驗中，每經歷10個凍融循環周期后，測試試件的相對動彈性模量與質量損傷率，每組試件的凍融循環周期均為80周期。

2.3 混凝土質量損失率測試試驗

本文根據快凍法中的相關要求對混凝土試件的質量損失率進行計算，其計算公式為

(9)

式中：

ΔW

為

n

次凍融循環后第

i

個混凝土試件的質量損失率(%)；

W

0為凍融循環前第

i

個混凝土試件的質量(g)；

W

為

n

次凍融循環后第

i

個混凝土試件的質量(g)。

混凝土的質量損失率為混凝土試件鹽凍前后質量之差與原混凝土試件質量的比值，是反映鹽凍后混凝土構件破壞最直觀的參數，混凝土的質量損失率與混凝土鹽凍破壞的程度直接相關。因此，本次試驗采用混凝土的質量損失率作為混凝土抗鹽凍的考核指標，每10個凍融周期測試一次混凝土試件的質量損失率。

2.4 混凝土相對動彈性模量測試試驗

混凝土的相對動彈性模量是評價混凝土試件耐久性的一個重要參數，能夠有效地反映混凝土試件的破壞程度。本研究采用標準混凝土試件，根據相關標準對混凝土的動彈性模量進行測試。混凝土動彈性模量的測試采用動彈性模量測試儀，如圖2所示，通過測量混凝土試件的自振頻率，得到混凝土不同凍融周期的動彈性模量。此時， 混凝土的相對動彈性模量

E

可表示為

(10)

圖2 混凝土相對動彈性模量測試儀Fig.2 Testing instrument for relative dynamic elastic modulus of concrete

式中：

E

為

n

次凍融循環后混凝土試件的動彈性模量(MPa);

E

為混凝土試件的初始動彈性模量(MPa)。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土質量損失率

根據測試得到的混凝土試件的質量損失率，繪制了在鹽溶液與清水溶液中凍融循環后混凝土試件的質量損失率隨凍融循環周期的變化曲線，見圖3。

圖3 混凝土試件的質量損失率隨凍融循環周期的 變化曲線Fig.3 Variation curves of mass loss rate of concrete specimens with the increase of freeze- thaw cycles

由圖3可見，隨著凍融循環次數的增加，鹽凍環境下混凝土試件的質量損失首先出現負值，之后隨著凍融次數的增加，混凝土質量損失率逐漸變為零并不斷增大。這是由于凍融初期，混凝土繼續發生水化反應，水化產物與鹽溶液填充了混凝土試件的孔隙，從而增加了混凝土試件的重量；隨著凍融周期的增加，混凝土試件的孔隙結構不斷被膨脹的冰破壞，瓦解的碎屑在溶解飽水過程中流失，導致混凝土試件質量下降；隨著凍融循環周期的增加，鹽溶液中混凝土試件的質量損失率超過了清水溶液中混凝土試件的質量損失率。分析試驗現象，主要有以下兩方面原因：一是在鹽的作用下，混凝土內部因鹽飽和產生額外結晶壓力，加劇了混凝土內部結構的破壞；二是由于鹽的存在導致混凝土內部產生濃度差，形成了梯度壓力，在凍融循環過程中加速了混凝土的破壞。由于除冰鹽導致混凝土表面剝蝕加快，并使混凝土內部劣化速度加快，從而加快了混凝土的質量損失，因此經過多次凍融后鹽溶液中混凝土的質量損失率比清水溶液中混凝土的質量損失率要大。

3.2 混凝土相對動彈性模量與鹽凍損傷度

在鹽溶液與清水溶液中凍融循環后混凝土試件的相對動彈性模量隨凍融循環周期的變化曲線，見圖4。

圖4 混凝土試件的相對動彈性模量隨凍融循環 周期的變化曲線Fig.4 Variation curves of relative dynamic elastic modulus of of concrete specimens with the increase of freeze-thaw cycles

由圖4可見，混凝土試件的相對動彈性模量在前20次凍融循環時增大，之后混凝土試件的相對動彈性模量逐漸減小。這是因為在凍融初期，混凝土繼續發生水化反應，水化反應的產物填充一部分孔隙，混凝土內部結構變得更加密實，提高了混凝土抗凍性，此時混凝土試件的相對動彈性模量增加;但是隨著凍融次數的增加，鹽加速了混凝土破壞，混凝土開始出現裂縫，混凝土試件的相對動彈性模量開始下降，并且鹽溶液中混凝土試件的相對動彈性模量下降速度明顯高于清水溶液中的相對動彈性模量，當凍融循環次數從60周期增加到80周期時，清水溶液中混凝土試件的相對動彈性模量下降5%，鹽溶液中混凝土試件的相對動彈性模量下降5.3%。

參照損傷度的規定，混凝土的鹽凍損傷度

D

定義如下：

(11)

根據試驗測試得到的混凝土試件的相對動彈性模量，計算混凝土試件的鹽凍損傷度

D

，并繪制在圖5中，根據圖中數據進行擬合，可得到混凝土鹽凍損傷度

D

與凍融循環次數

n

之間的關系曲線。由圖5中曲線方程可知，NaCl溶液中混凝土試件的鹽凍損傷度

D

為

D

=0.631 9e0.037 8

(12)

由于凍融初期混凝土試件的鹽凍損傷度出現負值，并不能客觀反映混凝土試件內部微裂隙出現而帶來的損傷，因此在擬合曲線中排除了混凝土試件鹽凍損傷度為負值的數據。圖5中曲線顯示混凝土試件的鹽凍損傷度隨凍融循環次數的增加而增加，混凝土在清水溶液中鹽凍損傷度較鹽溶液中鹽凍損傷度要低，且在相同凍融周期時，其鹽凍破壞比清水溶液中更加嚴重，表明鹽凍損傷將不利于混凝土構件結構的耐久性。

圖5 混凝土試件的鹽凍損傷度與凍融循環次數的 擬合曲線Fig.5 Fitting curves between the salt frost damage degree of concrete specimens and freeze- thaw cycles

通過公式(12)，可以直接得到混凝土鹽凍損傷度與凍融循環次數之間的關系，直觀地反映出凍融對混凝土劣化的影響。

4 基于試驗結果的修正模型

孫叢濤等研究了混凝土鹽凍損傷度與氯離子擴散系數之間的關系，得到鹽凍前后混凝土表面氯離子擴散系數的變化為

(13)

式中：

ω

為擬合常數；

D

為混凝土鹽凍損傷度，可由公式(12)計算得到。利用該關系式可以得到混凝土鹽凍損傷度與氯離子擴散系數之間的關系，經研究公式(13)中擬合常數

ω

，孫叢濤等得出

ω

=0.107 2，屈鋒得出

ω

=0.092 5。結合兩人的研究成果，本文取

ω

=0.10。

由公式(7)、(12)和(13)，可得:

K

=e0.063 19e0.037 8

(14)

陳西等對環境系數和養護系數取值進行了研究，首先采用Matlab對公式(8)中的環境系數

k

、養護系數

k

進行10 000次隨機取值，然后導進蒙特卡羅模擬，最后確定

k

、

k

均值為1。

因此,鹽凍作用下鋼筋混凝土結構的壽命預測模型修正為

(15)

5 模型驗證

包啟航對Fick第二定律進行了反推，并以余紅發模型為基礎，得到在鹽凍條件下鋼筋混凝土結構的壽命簡化預測模型如下：

(16)

式中：

M

為混凝土氯離子擴散性能的劣化系數；

R

為混凝土氯離子結合能力。

包啟航通過定值計算法驗證了該模型的正確性。將包啟航模型的驗證參數代入本文所建立的模型，計算參數見表1。經過計算得到鋼筋混凝土結構的壽命預測結果，見表2。

表1 模型計算參數表

由表2可知，當鋼筋混凝土結構經歷80次凍融后，其與未經凍融的鋼筋混凝土結構相比，耐久性壽命下降率為64.5%，因此鹽凍對鋼筋混凝土結構的危害十分巨大；鋼筋混凝土結構壽命下降率隨著凍融循環次數的增加逐漸加大，表明鋼筋混凝土結構隨著凍融循環次數的增加，其破壞速度和程度更加劇烈。已有研究表明，試驗室快速凍融1次相當于室外凍融12次，因此可以根據不同地區每年的凍融循環周期估算該地區經受鹽凍損害的鋼筋混凝土結構的使用壽命。

將表2的預測結果繪制成鋼筋混凝土結構壽命隨凍融循環周期的變化曲線，見圖6。

表2 鋼筋混凝土結構的壽命預測結果

圖6 鋼筋混凝土結構壽命隨凍融循環周期的變化 曲線Fig.6 Variation curves of reinforced concrete structure life with the increase of freeze-thaw cycles

由圖6可見，兩條預測曲線反映出相似的變化規律，隨著凍融循環次數的增加，鋼筋混凝土結構的壽命降低，并且壽命下降率隨凍融循環周期的增加逐漸增大；本文模型的預測值相比包啟航簡化模型的預測值稍微偏低，這是因為本文將混凝土鹽凍損傷度引入到氯離子擴散模型中，考慮了混凝土保護層損傷等因素的影響，使得鋼筋混凝土結構的預測壽命變短，這個預測結果更加符合北方地區的實際情況，有利于提高預測結果的準確性。此外，本研究將鋼筋混凝土結構遭受的凍融循環次數與使用壽命預測聯系在一起，使得鋼筋混凝土結構的壽命預測更加直觀。

6 結 論

(1) 混凝土試件在清水溶液和NaCl溶液中凍融后均出現不同程度的剝蝕破壞，且在NaCl溶液中破壞更加嚴重。隨著凍融循環次數的增加，混凝土的質量損失率和相對動彈性模量下降，并且兩者的下降幅度不斷增大。

(2) 基于Dura Crete模型建立的鋼筋混凝土結構壽命預測模型可以準確地預測鋼筋混凝土的使用壽命。通過鋼筋混凝土鹽凍試驗獲得了混凝土鹽凍損傷度與氯離子擴散系數之間的關系，從而對Dura Crete模型進行修正，實現了對鋼筋混凝土結構在鹽凍環境下的壽命預測。

(3) 模型驗證結果表明：本文模型的預測結果與工程實際情況基本吻合，與包啟航簡化模型的預測結果對比發現，兩者預測曲線大體一致，趨勢相同，但由于本文模型考慮了鹽凍環境對混凝土結構的影響，其預測壽命相比包啟航預測模型偏低，更加符合北方地區的實際情況，有利于提高預測結果的準確性。