海域環境對橋梁墩柱腐蝕的影響及耐久性預測

文／孫丹丹 中鐵十五局集團有限公司 上海 200040

1、項目情況

1.1 工程概況

杭甬濱海樞紐互通立交項目占用海域面積613.03畝，是亞洲規模最大的海上互通立交橋，杭甬復線 寧波一期工程S3合同段主要工程內容為濱海互通立交、濱海高架橋。上部結構為等截面單箱單室斜腹板預應力混凝土連續箱梁結構，下部結構形式為現澆片墩+現澆承臺+鉆孔灌注樁。橋梁墩柱結構形式有直墩、花瓶墩、圓柱墩、圓柱花瓶墩等結構形式，主線和匝道墩柱總量810個，其中濱?；ネ▍^631個。

1.2 墩身所處的環境

項目位于淺海及灘涂區，海洋III類環境（海洋氯化環境），具體構件及分區見下表。由表1可見，主線和匝道區墩身主要處于浪濺區，主要破壞形式為干濕循環、碳化、鹽結晶和海浪沖擊。

表1 橋梁構件及所處區域

圖2 橋梁下部結構及所在海洋區域示意圖

1.3 氣候水文情況

本項目區屬于北亞季風氣候區，溫暖濕潤，雨量充沛，光照強，四季分明。項目區年平均日照時數2038小時，年日照率47%。年平均氣溫16.6℃，歷史最高氣溫38.5℃，最低氣溫-9.3℃，最熱月平均氣溫28.2℃（7月），最冷月平均氣溫3.8℃（1月）；年平均相對溫度79%，月平均最低相對濕度60%，月平均最高相對溫度90%；根據寧波市環境公報，項目區屬于重酸雨區，PH值4.58，酸雨率92.1%。同時，根據浙江海洋預報，杭州灣南岸海水鹽度大約31.15‰，海水中各離子濃度為：

2、混凝土氯鹽侵蝕劣化研究

有害離子通過擴散、滲透、毛細管吸附和電化學遷移等方式進入混凝土內部后，離子與水泥水化產物以及鋼筋之間的侵蝕開始逐漸發生，由氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕膨脹是影響海洋環境中鋼筋混凝土力學性能和耐久性降低的主要原因。通常，當金屬或合金通過化學、生物化學或電化學的方式與周圍環境相互作用時，會發生表面物質的損失，損失的表面物質會轉化為熱力學更穩定的氧化物，如氫氧化物或碳酸鹽，此過程稱為腐蝕。當混凝土內鋼筋的表面存在電勢差異時，混凝土內形成電化學電池，由鋼筋表面的陽極和陰極區域組成，硬化水泥漿中的孔隙水則為電解質。此時流經系統的電流會對金屬（即陽極）造成侵蝕破壞作用，而陰極則保持完整。一旦水泥開始發生水化反應，混凝土鋼筋表面就會形成一層鈍化保護層，鈍化層由?-Fe2O3組成，厚度大約10-3～10-1 μm。鈍化保護層的出現阻礙了氯離子在鋼筋和混凝土之間的移動，一定程度上降低了腐蝕速率。但大量研究表明，鈍化保護膜需要在較高pH值的環境中才能穩定存在（pH=12-14）。

嵌入到混凝土中的鋼筋在初始狀態時保持惰性狀態，當周圍混凝土開始“變質”，鋼筋會由“惰性”轉變為“活性”，誘發腐蝕的產生。氯離子從周圍環境中逐漸進入到混凝土內部，穿過保護層到達鋼筋表面，隨著氯鹽的不斷堆積，鋼筋表面的堿度也會不斷增加。引發鋼筋脫鈍起銹所需的氯離子含量即為氯離子含量的臨界值，若鋼筋表面的氯離子濃度超過該閾值，則鈍化膜局部將發生破壞作用。鋼筋表面為陽極，鈍化表面為陰極。電化學反應生成的鐵銹具有較高的孔隙率，且其體積是鋼筋的6-10倍，鋼筋表面的銹蝕和膨脹進而會導致開裂和剝落的產生。一旦鈍化膜破壞，在水和氧氣存在的條件下，腐蝕便開始發生。

表2 杭州灣南岸海水中主要離子濃度（g/L）

3、動水作用下混凝土內氯離子傳輸模型的建立

3.1 波浪引起的動態水壓計算

真實海洋環境中，波浪的波形比較復雜，由各種不同相位和振幅的正弦波疊加組成，可以通過利用傅里葉級數將其分解成多種不同的正弦波，因此正弦波是波浪的基礎波形。薄面上水顆粒作半徑為a的圓周運動，a即為波的振幅（等于波高的一半），波浪沿著y方向傳播。水顆粒以圓圈或橢圓形表示的運動只能由作用在這些顆粒上的力引起，在這種情況下，力由波浪產生的壓力梯度提供的。波浪運動時的速度勢方程可表示為：

其中：

根據圖1，項目橋梁墩柱不同部位遭受不同的波浪侵蝕形式。一方面，相比于受海浪波動影響微弱的完全浸沒區、以及遭受干濕循環的高潮區和飛濺區等區域，低潮區的研究相對較少，但該區域對混凝土的強度和耐久性產生重要影響；另一方面，低潮區混凝土結構完全浸沒在海水中，且其波浪波形相對規則，有利于動水下的研究，因此選用低潮區混凝土結構進行動水研究。在波浪引起的壓力作用的影響下，氯離子的傳輸被加速。通過將速度勢方程代入伯努利方程，可以得到波浪產生的壓力的解析表達式為：

圖1 杭甬高速公路復線濱海互通平面布置圖

其中ρ和z代表海水的密度和研究對象所處的深度，當z低于靜止水位時，z＜0。ω代表波的頻率，k代表波數。

式右邊第一項為靜水壓力，第二項取決于動態波浪，表示由波浪引起的壓力，表示為pwave，即：

其中，

3.2 動態水壓對混凝土內離子傳輸的影響

浸入低潮區的混凝土結構由于受到循環水壓力的影響，使得溶液中的氯離子通過平流的方式運輸到混凝土結構中。根據達西定律，流體的壓力梯度與流體速度成正比，可以表示為

其中κ和μ分別代表滲透率和動態粘度。

為與靜水侵蝕下的氯離子傳輸模型相對應，在研究水壓作用對氯離子傳輸的影響中，模型仍選用相同混凝土試樣，且試樣上表面暴露于氯離子侵蝕溶液中，同時溶液還帶來周期性的流體壓力作用于試塊表面。除了頂面，其他面與氯離子和流體隔絕。此外，在與靜水侵蝕對比時，僅考慮波浪引起的循環水壓力，忽略靜水水壓的作用。

4、數值計算方法及結果

模型采用的邊界條件和初始條件如下：

在混凝土試樣的上表面（y = 0），游離氯離子濃度：

循環流體壓力：

其中P=2ρga，P=0, a代表波的振幅，f代表循環流體壓力的頻率。

t = 0時：

控制方程由有限元軟件COMSOL Multiphysics求解，求解器中相對公差為10。根據收斂結果，模型中選用最大和最小單元尺寸為0.007和0.00043的三角形網格，可得到合理穩定的數值解。模型采用2D和3D模型相結合的方式，對骨料進行隨機分布，并建立2D有限元模型。

結語：

（1）本文建立了考慮氯離子可逆結合的離子傳輸方程及循環動態水壓作用下氯離子傳輸過程的典型特征；

（2）單一氯離子侵蝕影響墩柱混凝土壽命在4-9年范圍內，但該結果隨著墩柱鋼筋保護層厚度、腐蝕海域環境、溫度、水位潮差的變化情況等發生改變。

圖3 數值模型及波浪作用下純氯離子對混凝土耐久性的影響

（3）開發的數值模型可以預測遭受一定濃度的氯離子侵蝕時，混凝土結構內氯離子濃度的時空分布，以及在保護層位置達到氯離子腐蝕起始閾值并引起鋼筋銹蝕膨脹的起始時間。

（4）海洋波浪的存在，會加速墩柱的腐蝕速率，降低游離氯離子在保護層位置達到臨界閾值的時間，總體來講降低了腐蝕年限37%-55%左右。

海域環境中橋梁墩柱的腐蝕是影響橋梁服役壽命的重要因素，而海域腐蝕過程又是一系列復雜、多變的物理化學作用引起的。后期需要針對浪濺區干濕循環作用、碳化腐蝕破壞以及多種環境因素耦合作用下對墩柱混凝土的損失破壞機理作系統研究，同時對裂紋的產生與拓展作深入的探討，結合現場實際環境參數，以期精準墩柱的耐久性。