基于相似理論的海工預應力混凝土構件壽命預測

劉榮桂，徐潔，陳素碧，高遠

(江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要：根據(jù)經(jīng)典相似理論及海工預應力混凝土結構耐久性的主要表征量，以氯離子擴散系數(shù)為紐帶建立了室內(nèi)加速模擬環(huán)境試驗結構與現(xiàn)場環(huán)境結構之間的時間相似關系。參考連云港港區(qū)氯鹽侵蝕環(huán)境，設計了相應的人工氣候模擬侵蝕條件；澆筑了2根與現(xiàn)場構件材料組成相同、結構特征相似的試驗梁。對現(xiàn)場構件及侵蝕后的試驗梁鉆取混凝土粉末試樣，通過快速氯離子檢測方法(即RCT法)測得氯離子含量。按照Fick第二擴散定律并通過Matlab擬合得到氯離子擴散系數(shù)，并根據(jù)其時間衰減關系得到該地區(qū)對應的海洋大氣區(qū)時間相似系數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場服役結構耐久性壽命預測。

關鍵詞：預應力混凝土結構； 氯離子擴散系數(shù)； 人工室內(nèi)快速試驗； 混凝土結構耐久性； 時間相似系數(shù)

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0018-06

Abstract：According to classical similarity theory and the main characterization of durability of the marine prestressed concrete structures, the time similarity relationships between trial structures of indoor accelerated simulation tests in an artificial environment and the in-situ structures in the actual environment have been established by taking chloride ion diffusion coefficients as a linkage. Considering the chlorine salt corrosion environmental conditions in the Lianyungang port, the design of the homologous system of corrosion for artificial climate modeling is made. Simultaneously, two experimental beams with the same composition of materials and similar structural features are poured. And then a sample of concrete powder which is taken from the beams placed in the artificial climate modeling laboratory and in the Lianyungang port area is used for examination and tests on the concentration of the chloride ion by use of a rapid chloride ion detection method (i.e a RCT method). On the basis of the Fick’s second law of diffusion, the diffusion coefficients of the chloride ion are fitted by a software Matlab. The corresponding time similarity coefficients λt under the marine atmosphere are calculated. This method can provide the basis for prediction of the service life of the marine prestressed concrete structures and make a key step for engineering applications in the future.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.004

收稿日期：2014-10-17

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項資助項目(201401027)

作者簡介：郭紅民(1964—)， 男， 湖北宜昌人, 教授級高級工程師， 主要從事水力學及河流動力學方向的研究。

海工預應力混凝土結構耐久性試驗具有工作量大、工藝復雜、綜合成本高、環(huán)境與時空相似關系復雜等特點[1]。目前的試驗以人工室內(nèi)快速試驗為主，其研究結果對實際工程的耐久性分析和評價有一定指導意義，但很難直接應用于工程實踐，主要原因如下：①研究對象(實際工程結構)與試驗對象(人工室內(nèi)快速試驗試件)尺寸材料存在差異性；②研究對象所處的實際侵蝕環(huán)境與實驗室內(nèi)人工模擬環(huán)境條件存在差異性；③結構耐久性問題以服役年限來考慮，而人工快速試驗的時間歷程短，存在差異性等等。實際工程結構與試驗試件兩者歷程相似、關系模糊，上述問題的癥結在于：缺少相關相似理論的支撐，使得試驗模型預測結果的可靠性大大降低。本文以氯離子擴散系數(shù)為主要參考指標建立了室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗結構與現(xiàn)場工程結構之間壽命的聯(lián)系，并給出了兩者之間的時間相似系數(shù)，為實際工程結構的壽命預測奠定了基礎。

1海工相似理論參數(shù)選取

海水的高含鹽量、生物活性和導電性致使海洋環(huán)境的復雜程度極高，相關研究難度較大[2]。海水中氯鹽主要以氯離子形式存在，含量極其豐富。氯鹽侵蝕是導致海工混凝土結構中鋼筋銹蝕的主因[3]。因此，對海工混凝土結構耐久性能的研究，主要應側重于混凝土中氯離子含量與侵蝕深度的檢測。在以氯鹽侵蝕為主導的耐久性問題中，反映混凝土結構耐久性的主要參數(shù)有氯離子擴散系數(shù)D和表面氯離子濃度等。

時間-環(huán)境相似模型是以相似三定理為理論基礎[4-7]。根據(jù)相似理論，開展侵蝕環(huán)境相似、構件尺寸比例相似、材料相同的人工氣候模擬侵蝕試驗。

(1)

式中:D(t)為對應暴露時間t的表觀擴散系數(shù)(m2/s)；Dref為對應暴露時間tref的參考表觀擴散系數(shù)(m2/s)；n為時間衰減系數(shù)，對于普通水泥混凝土而言，有n=2.5w/c-0.6[5]，w/c為混凝土水灰比。

分別記人工氣候模擬侵蝕試驗構件tref時刻的表觀氯離子擴散系數(shù)為Dref，現(xiàn)場海工構件T′時刻的表觀氯離子擴散系數(shù)為D′。由式(1)表觀氯離子擴散系數(shù)與混凝土暴露時間的關系，可以計算出人工氣候模擬侵蝕試驗表觀氯離子擴散系數(shù)達到D′時所需要的時間T，即：

(2)

在計算出人工氣候模擬侵蝕試驗所需時間T之后，可以得出時間的相似系數(shù)λt：

(3)

(4)

在構件材料性能相同的情況下，可以認為λt為人工氣候模擬侵蝕構件與現(xiàn)場構件的時間相似系數(shù)。通過確定該相似系數(shù)，可進行相似侵蝕環(huán)境下的服役構件全壽命預測。

2室內(nèi)試驗設計及結果分析

2.1試驗設計

預應力混凝土試件尺寸為150 mm×200 mm×1 500 mm；試件單側配置預應力鋼筋，采用后張法進行張拉試驗，預應力筋預留孔道為φ50鍍鋅管?；炷猎O計強度等級為C40，水泥采用徐州市誠意水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用玄武巖碎石，最大粒徑為20 mm，細骨料為江砂(細度模數(shù)2.8)。試驗采用2組混凝土試件，強度等級為C40，水灰比0.412，材料組成為水164 kg/m3, 水泥398 kg/m3，砂745 kg/m3，碎石1 189 kg/m3?；诮?jīng)典相似理論，該試驗所澆筑的預應力混凝土試件材料組成與連云港港口3~4號泊位結構基本相同，結構特征也基本相同。

2.2構件加速侵蝕模擬

室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗通過改變?nèi)芤簼舛?、試驗溫度、相對濕度、干濕循環(huán)比例等環(huán)境條件，達到加速侵蝕目的，主要表現(xiàn)在表觀擴散系數(shù)的提高上，該值除與混凝土本身的材料性能有關外，還與侵蝕介質溶液氯離子濃度、綁定效應、齡期等有關。為加速預應力鋼筋腐蝕，參考連云港港區(qū)環(huán)境情況(包括溫濕度、鹽霧沉降量和潮汐等)，采用人工氣候模擬加速試驗法，模擬海洋大氣區(qū)，試驗參數(shù)[8]為：溫度(37±6)℃，鹽霧沉降量1.0~2.0 m/[80(cm2·h)], 噴霧溫濕時間比1∶1,周期24 h。

2.3氯離子含量檢測結果及分析

在鹽霧-干燥循環(huán)侵蝕環(huán)境下，分別在侵蝕30, 90, 180, 270和360 d后用RCT法測試預應力混凝土試件不同深度的氯離子含量，并擬合出其氯離子表觀擴散系數(shù)。

2.3.1氯離子含量的檢測本文采用快速氯離子檢測方法(RCT法)對混凝土粉樣內(nèi)的氯離子含量進行檢測，該方法具體操作過程[9-13]如下：采用直徑15 mm的沖擊鉆在混凝土結構表面鉆孔取粉，鉆孔所取粉末分層收集，每隔5 mm取一粉樣，直至50 mm深度處，將鉆孔得到的混凝土粉末試樣分別通過0.63 mm篩，裝入鋁土盒中，并置于(105±5)℃烘箱中烘2 h，取出后放入干燥器冷卻至室溫；將冷卻后的粉樣分成3份，每份取1.5 g與氯化物萃取液相混合萃取，并振蕩5 min；最后將標定過的氯電極浸入溶液測出氯離子含量。測得氯離子含量侵蝕規(guī)律如圖1所示。

圖1　不同侵蝕時間和深度的氯離子含量 Fig.1 Chloride ion concentration of beams at different corrosion time and depths

2.3.2表觀氯離子擴散系數(shù)計算假定混凝土中的孔隙分布均勻，氯離子在混凝土中的擴散方式屬于一維擴散，濃度梯度沿著鋼筋表面到暴露表面的方向變化，此時可用式(5)表示Fick第二定律[14]:

(5)

式中：C為氯離子濃度(氯離子占混凝土質量百分比)；t為暴露時間(s)；x為距混凝土表面位置(mm)。

當混凝土表面氯離子濃度恒定，同時假定混凝土時間相對于暴露表面為半無限介質，在任意時刻，相對暴露表面無限遠處的氯離子濃度為初始濃度。根據(jù)初始條件和邊界條件：C(0,t)=CS，C(∞,0)=C0，C(x,0)=C0；Fick第二定律可轉換為：

(6)

式中：Cx,t為t時刻x深度處氯離子濃度，erf(z)為誤差函數(shù)。

借助Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合工具箱，按式(6)對圖1中的數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出預應力混凝土試驗梁的表觀氯離子擴散系數(shù)D(t), 最終結果見表1。

表1　試驗梁表觀氯離子擴散系數(shù)

從表1可見，表觀氯離子擴散系數(shù)和侵蝕時間成反比，在室內(nèi)侵蝕180 d內(nèi)，氯離子擴散系數(shù)明顯下降；隨著侵蝕時間的增加，氯離子擴散系數(shù)下降緩慢。

3現(xiàn)場構件檢測結果

連云港3~4號泊位位于連云港港區(qū)東部的二號突堤東側，1974年建成，結構形式為高樁梁板式碼頭，總長322 m，寬26.37 m，其中碼頭寬13.00 m，平臺寬13.37 m。泊位碼頭采用500 mm×500 mm的預應力鋼筋混凝土實心方形柱，引橋近岸結構段采用450 mm×450 mm的預應力鋼筋混凝土實心方形柱，引橋近碼頭結構段采用500 mm×500 mm的預應力鋼筋混凝土實心方形柱；所用混凝土強度均為C40。

3.1連云港港區(qū)工程耐久性檢測

鋼筋銹蝕通常被認為是混凝土結構劣化的最主要原因，而海工混凝土結構中鋼筋銹蝕主要是由于海水中的氯鹽侵蝕作用。因此，在對海工混凝土結構耐久性損傷進行現(xiàn)場檢測時，重點應放在氯離子在混凝土中的侵蝕深度與含量的檢測上。對現(xiàn)場海工混凝土結構中氯離子侵入深度及含量大小的檢測，通常采用對結構鉆孔取粉的方式完成。2013年4月，在連云港港區(qū)對部分泊位的海工混凝土結構進行了耐久性檢測。

圖2　鹽霧區(qū)A0~A9點的氯離子濃度 Fig.2 Chloride ion concentration of salt spray zone of points A0~A9

本文選取與室內(nèi)侵蝕試驗相同環(huán)境區(qū)域即鹽霧區(qū)進行取粉試驗，取粉檢測方法與室內(nèi)試驗方法一致。10個取粉點A0~A9測得氯離子侵蝕如圖2所示。

由圖2可見，鹽霧侵蝕對預應力混凝土結構的影響較為明顯，在距混凝土表面50 mm深度處，A0~A9各點氯離子含量為0.13%~0.30%。根據(jù)美國混凝土學會(ACI)和《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》規(guī)定，該地區(qū)預應力混凝土構件Cl-含量較高，極可能出現(xiàn)鋼筋銹蝕且腐蝕情況較為嚴重。

3.2表觀氯離子擴散系數(shù)計算

海洋鹽霧環(huán)境下氯離子的侵入方式較為復雜，一般認為是多種侵入方式的組合。除此之外，氯離子的侵入還受到混凝土材料與氯離子之間的化學、物理作用等影響。盡管如此，仍可認為擴散是其最主要的傳輸方式，適用Fick第二定律[15-16]。在得出A0~A9點的不同深度處的氯離子濃度后，借助Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合工具箱，按式(6)對數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出該預應力混凝土結構的表觀氯離子擴散系數(shù)D′(t),最終結果見表2。

表2　4號泊位鹽霧區(qū)混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)

4室內(nèi)與現(xiàn)場構件時間相似系數(shù)計算

以擴散系數(shù)和表面氯離子濃度為紐帶建立連云港4號泊位現(xiàn)場混凝土結構與室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗結構之間的時間相似關系。將連云港現(xiàn)場混凝土結構作為服役海工預應力混凝土結構，2根試驗梁作為人工氣候模擬侵蝕試驗結構建立兩者之間的時間相似關系。

選取表2中擬合程度較高的A2，A3，A4，A6共4組數(shù)據(jù)，結合式(3)~(5)建立兩者之間的時間相似關系過程如下：

(1)已知連云港現(xiàn)場預應力混凝土結構的表觀氯離子擴散系數(shù)大小，通過式(2)可計算出實驗室快速侵蝕試驗結構達到與現(xiàn)場預應力混凝土結構相同大小擴散系數(shù)時的時間t2及材料相似的現(xiàn)場服役結構與實驗室快速侵蝕試驗結構的時間相似系數(shù)λt，計算結果見表3。

表3　時間相似系數(shù) λ t計算結果

(2)通過2根試驗梁30, 90, 180, 270和360 d擴散系數(shù)D1求出5個時間相似系數(shù)之后，對所得數(shù)值取平均值得出相似系數(shù)λ=6.09。

5結語

(1)建立了室內(nèi)加速模擬環(huán)境與現(xiàn)場實際環(huán)境之間的時間相似關系，并給出了時間相似系數(shù)的表達式。

(2)結合連云港工程實際，將連云港港口4號泊位碼頭的預應力混凝土結構作為現(xiàn)場已建結構，人工氣候模擬加速試驗方案快速侵蝕梁作為室內(nèi)加速模擬試驗結構，并計算出兩者之間基于氯離子擴散系數(shù)的時間相似系數(shù)為6.09。

(3)時間相似系數(shù)確定之后，可以進一步在實驗室內(nèi)開展人工氣候模擬加速試驗直至人工氣候模擬侵蝕試驗結構耐久性失效，并通過時間相似系數(shù)推算現(xiàn)場服役結構的耐久性。

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Prediction analysis of service life of marine prestressed concrete structure based on similarity theory

LIU Rong-gui, XU Jie, CHEN Su-bi, GAO Yuan

(FacultyofCivilEngineeringandMechanics,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Key words： prestressed concrete structures; chloride ion diffusion coefficients; artificial indoor rapid test; concrete structure durability; time similarity coefficients

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