環境與荷載耦合作用下混凝土結構耐久性劣化規律

羅 霆

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510623)

0 引言

通明海特大橋是東海島至雷州高速公路的控制性工程，主橋為146m+338m+146m雙塔三跨雙索面組合梁斜拉橋，設計使用壽命100年。通明海特大橋屬于特大跨海橋梁，該橋位于廣東南部沿海熱帶海洋季風區，其所處的高溫、高濕、高腐、強風環境嚴重影響結構耐久性，為該橋的設計提出了考驗。

圖1 項目線位

1 國內外研究現狀

國內外專家、學者對混凝土橋梁結構在單一因素作用下的耐久性問題進行了大量研究，形成了許多學術界公認的結論和經驗公式。然而現實中的橋梁結構是同時受內外荷載、溫度、腐蝕等多因素作用的,國內外科研人員越來越重視荷載與環境耦合作用下的混凝土耐久性研究，形成了一系列成果，但總體還存在以下不足：

(1)外荷載的施加方法與外加應力水平的選擇代表性不足，沒有考慮實際工程結構的受力情況，僅從理論研究的角度設計荷載試驗，部分實驗研究對象是卸載以后的混凝土試件，未能充分考慮荷載與環境侵蝕的耦合效應。

(2)研究僅限于室內試驗，缺乏對實際工程長期耐久性的了解。多數研究成果僅得出外加應力水平對混凝土抗氯離子滲透性能的定性表述，無法建立快速試驗與實際工程長期耐久性之間的定量關系。

2 橋區腐蝕介質情況

通明海特大橋橋區海域的腐蝕介質、pH值等試驗數據見表1。橋區的海水及地下水中的氯離子含量約為2 300mg/L～19 000mg/L，硫酸根離子約為320mg/L～3 050mg/L，鎂離子約為171～1 250mg/L，pH值為6.99～9.38，其中海水中的氯離子、鎂離子、硫酸根離子等均高于地下水，pH值約為9.12～9.38，呈弱堿性。

表1 橋區海域水質分析 (單位：mg/L)

通明海特大橋主要混凝土構件的環境分區見表2。

表2 主要混凝土構件環境分區

3 材料與試驗方法

3.1 原材料與混凝土配合比

采用P.II42.5水泥，I級粉煤灰，S95級磨細礦渣粉；細骨料為河砂，細度模數為2.8，表觀密度為2.63g/cm3；粗骨料為5～20mm連續級配碎石，表觀密度為2.71 g/cm3；減水劑為JB-ZSC高性減水劑。

采用現場墩柱高性能混凝土配合比，配合比見表3。

表3 墩柱高性能混凝土配合比 (單位kg/m3)

3.2 試驗方法

3.2.1 混凝土粉樣制取及氯離子含量測試

本試驗過程中，混凝土取粉直徑不小于60mm(大于骨料最大粒徑的3倍)，取粉深度根據暴露時間設置，理論上取粉深度應到達氯離子最深侵入深度。采用中交四航工程研究院有限公司開發的硬化混凝土自動取粉機制取，該設備磨取的粉樣，可實現公稱直徑0.16mm篩的通過率99%以上。

用硝酸銀溶液(濃度0.02mol/L)作為滴定溶液，采用自動電位滴定儀測定氯離子含量。

(1)

式中：Ct為氯離子質量占比；V為滴定終點時的硝酸銀溶液用量(單位：ml)；g為試驗用混凝土樣品的質量(單位：g)。

3.2.2 壓荷載加載試驗

施加壓荷載的裝置組成如圖2所示。將混凝土試塊(10cm×10cm×30cm)放入裝置內，施加荷載時由千斤頂擠壓滑動螺栓，壓力通過碟形彈簧傳導至試塊上，當壓荷載達到指定大小時，擰緊反力螺母，鎖定彈簧形變，從而實現持續、恒定的施壓。

圖2 混凝土加壓裝置

4 典型構件荷載應力水平分析

通過對通明海特大橋進行數值計算，計算面板、塔柱、墩身等典型結構荷載應力水平，作為室內試驗時混凝土樣品荷載應力水平選取的依據。試驗結果見表4。

表4 主橋各構件應力水平(單位：MPa)

根據表4可知，主橋主塔、面板及墩柱混凝土均承受壓荷載，其中主塔承受的壓荷載相對較大，面板次之，墩柱最小，但最大壓荷載應力水平均小于0.40。本次加載試驗的應力標準選擇考慮涵蓋最大荷載應力水平(約0.36)，同時選取零應力狀態下的試件作為參照，故而選取0、0.2、0.4和0.6倍的抗壓強度這4種應力水平作為目標應力。

5 荷載對混凝土中氯離子擴散性能的影響

5.1 荷載對混凝土中氯離子分布的影響

加載后的混凝土構件在海水模擬試驗箱的浪濺區開展90d試驗后，取出并測試不同壓荷載應力水平下混凝土中氯離子的分布情況，如圖3及表5所示。

圖3 不同壓荷載應力水平下混凝土中氯離子濃度

表5 不同壓荷載應力水平下混凝土中氯離子濃度

從圖3及表5可知：當應力水平在0.4以下時，壓應力與混凝土中氯離子濃度總體呈負相關，混凝土抗氯離子侵蝕性能力隨壓應力增大而增強；但當壓應力水平大于0.4時，壓應力與混凝土中氯離子濃度總體呈正相關，混凝土抗氯離子侵蝕性能力隨壓應力的增大而減弱。

5.2 荷載對混凝土氯離子擴散系數的影響

根據不同應力水平下混凝土試件各深度的氯離子含量，通過Fick第二定律的解析解，擬合出混凝土試件在不同應力水平下的混凝土氯離子擴散系數和表面氯離子濃度，擬合結果如圖4及圖5所示。

圖4 不同壓荷載應力水平下的混凝土氯離子擴散系數

圖5 不同壓荷載應力水平下的混凝土表面氯離子濃度

根據圖4所示，試件在無荷載時的氯離子擴散系數為0.80×10-12m2/s，當施加壓荷載水平為0.2、0.4時，混凝土氯離子擴散系數變為0.55×10-12m2/s及0.45×10-12m2/s，可見：在壓荷載應力水平不大于0.4時，混凝土氯離子擴散系數隨壓荷載的增加而降低；當壓荷載應力水平升高至0.6時，氯離子擴散系數增加為0.75×10-12m2/s，可知當應力水平從0.4提高到0.6時，混凝土氯離子擴散系數隨壓荷載的增加而升高。說明壓應力水平低于0.4時，壓荷載有利于混凝土抵抗氯離子侵蝕，而壓應力水平高于0.4時，壓荷載會加速氯離子侵蝕混凝土。

根據圖5所示,試件在無荷載時表面氯離子濃度為0.83%，當施加壓荷載應力水平為0.2、0.4、0.6時，混凝土氯離子擴散系數變為0.65%、0.64%及0.76%，壓荷載應力水平-混凝土表面氯離子濃度相關趨勢與壓荷載應力水平-氯離子擴散系數類似。

5.3 荷載對混凝土氯離子擴散系數影響因子

為了指導通明海特大橋混凝土結構的耐久性設計，準確評估混凝土結構壽命，根據上述實驗數據，擬合出了混凝土氯離子擴散系數比與壓應力水平之間的關系公式：

Dη/D0=4.2815×η2-2.7154 ×η+1.0149

(2)

式中：η為混凝土壓荷載應力水平；Dη為壓荷載應力水平為η時的氯離子擴散系數；D0為0應力狀態下的氯離子擴散系數。

5.4 荷載對混凝土氯離子擴散性能影響的機理

通過破型不同荷載作用后混凝土中的砂漿，采用MIP測試砂漿經過荷載之后的孔結構的變化，見表6。混凝土中砂漿的孔隙率、平均孔徑及大孔數量(>200nm)隨壓荷載應力水平的增加先降低后增加，其趨勢與壓荷載應力水平-氯離子擴散系數關系吻合，即：壓荷載應力水平小于0.4時砂漿的孔隙率、平均孔徑及大孔數量均隨應力水平增大而減小，當壓荷載進一步增加時孔隙率、平均孔徑及大孔數量隨之增大。經分析，可能是由于當壓荷載應力水平不大于0.4時，混凝土處于彈性變形階段，壓應力會壓縮混凝土中的孔隙，造成孔隙率和平均孔徑的降低，從而抑制氯離子滲透；但當壓荷載應力水平繼續增大時，由于混凝土微觀層面的不均勻性，導致局部出現應力集中，從而產生剪切應力，造成混凝土內部不均勻處破壞、微裂縫發展，混凝土孔隙率、平均孔徑增大，氯離子加速滲透。

表6 不同應力下混凝土中砂漿的孔隙

對比前文不同荷載作用的混凝土中氯離子分布情況，不同荷載作用下混凝土中砂漿孔隙結構的變化與氯離子擴散情況較為吻合，即孔隙率和平均孔徑增加，混凝土中氯離子含量增大，氯離子擴散系數提高，因此，壓荷載對混凝土微觀孔結構的改變是影響結構耐久性的重要原因之一。

6 結論與展望

壓荷載應力水平小于0.4時，砂漿的孔隙率、平均孔徑均隨應力水平增大而減小，當壓荷載進一步增加時砂漿孔隙率、平均孔徑及大孔數量隨之增大。與之相應，混凝土氯離子擴散系數當壓應力水平低于0.4時，隨應力增加而減小；當壓應力水平高于0.4時，混凝土氯離子擴散系數隨應力增加而增大。壓荷載應力水平與混凝土氯離子擴散系數比之間的關系可擬合為一元二次多項式：Dη/D0=4.2815×η2-2.7154×η+1.0149。

受限于客觀試驗條件，本試驗僅選取了0、0.2、0.4和0.6倍的抗壓強度這4種應力水平作為目標應力水平。后續如條件允許，可進一步細化試驗應力等級(甚至考慮將結構拉應力納入研究范圍)，從而擬合出更加精確的“氯離子擴散系數-應力水平”關系公式，指導混凝土結構耐久性設計進一步精細化。