何婭，吳海軍

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400074)

?

氯離子侵蝕環(huán)境下常見施工偏差對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響

何婭，吳海軍*

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074)

為揭示常見施工偏差對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響規(guī)律，對國內(nèi)外預(yù)測氯離子侵蝕條件下混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的6種模型進行比較，分析氯離子侵蝕環(huán)境下影響耐久性的主要參數(shù)。選擇典型環(huán)境下的混凝土橋梁構(gòu)件，模擬保護層厚度、水膠比等參數(shù)的常見施工偏差，在各模型下分析比較保護層厚度對結(jié)構(gòu)耐久性能的影響。結(jié)果表明，保護層厚度、水膠比等參數(shù)變化(偏差)對預(yù)期耐久壽命有顯著影響，影響程度與偏差大小、設(shè)計參數(shù)取值及計算模型的選用有較大關(guān)系。保護層厚度不足(-5 mm)的施工偏差會導(dǎo)致預(yù)測氯離子侵蝕耐久壽命縮短約20%～40%；水膠比增大(+0.02)會導(dǎo)致預(yù)測壽命縮短約15%～25%?？梢?，施工質(zhì)量控制偏差對結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕耐久性能的影響重大，加強關(guān)鍵參數(shù)質(zhì)量控制極為重要。

混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性能；氯離子侵蝕；計算模型；施工偏差；保護層厚度；水膠比

混凝土結(jié)構(gòu)因其造價低廉、適用廣泛，成為最主要的土木工程結(jié)構(gòu)形式之一。隨著我國土木工程建設(shè)的快速發(fā)展，混凝土耐久性問題逐漸凸現(xiàn)?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性是指在規(guī)定的使用年限內(nèi)、各種環(huán)境條件的綜合作用下，混凝土結(jié)構(gòu)不需要額外的加固處理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外觀的能力[1]?；炷聊途眯缘难芯?，特別是相關(guān)壽命預(yù)測的課題成為當(dāng)下國內(nèi)外研究的熱點。目前，世界上已有不少混凝土耐久性壽命預(yù)測模型，投入工程使用的多是以氯離子引起鋼筋腐蝕為出發(fā)點[2]。從理論上講，只要確定相關(guān)變量(保護層厚度x、衰減系數(shù)m、氯離子擴散系數(shù)Dcl、表面氯離子濃度Csa、臨界氯離子濃度Ccr)，就可以對該結(jié)構(gòu)進行壽命預(yù)測。而我國現(xiàn)有的大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，已出現(xiàn)未達設(shè)計壽命就過早破壞等現(xiàn)象，除氯離子侵蝕等惡劣環(huán)境加速了鋼筋銹蝕以外，保護層厚度、水膠比等施工偏差也影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1　氯離子侵蝕環(huán)境下預(yù)測模型

目前在氯離子擴散問題上使用最為廣泛的是Fick第二定律[3-4]

(1)

式中：C(x,t)為t時刻x深度處的氯離子濃度；CS為混凝土表面氯離子濃度；C0為氯離子初始濃度；D為氯離子擴散系數(shù)；erf(z)為誤差函數(shù)。

式(1)的結(jié)果可作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測的依據(jù)。表1中各模型在此基礎(chǔ)上進行了系數(shù)修正。表1中：Ccr為臨界氯離子濃度；γcr為氯離子臨界濃度分項系數(shù)，γcr=1.06；γs為表面氯離子濃度分項系數(shù)，γs=1.4；Cs為混凝土表面氯離子濃度；x為鋼筋保護層厚度；Δx為鋼筋保護層厚度安全余量；γd為氯離子擴散抗力分項系數(shù)；ke為環(huán)境與材料系數(shù)，ke=0.68；kc為施工中養(yǎng)護系數(shù)，kc=1；Dcl,0為t0時刻混凝土的氯離子擴散系數(shù)，t0=28 d，即0.076 7 a；t為結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限；m為衰減系數(shù)；erfc(z)為誤差余函數(shù)，erfc(z)=1-erf(z);γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1.0；γc為混凝土材料性能變異系數(shù)，取1.3；C0為混凝土內(nèi)初始氯離子濃度；β為混凝土修正系數(shù)，對于普通混凝土，β=1；H為氯離子擴散性能的劣化效應(yīng)系數(shù)，H=1.45；R為擴散時部分氯離子與混凝土的結(jié)合能力，R=3。

表1　結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)測模型

文中所述模型是參數(shù)控制型設(shè)計，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境及破壞規(guī)律來驗算結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用壽命期內(nèi)抵抗環(huán)境作用的能力是否大于環(huán)境對結(jié)構(gòu)的作用，并將氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕作為失效模式。模型預(yù)測壽命的基本計算方法為：選擇設(shè)計期望的結(jié)構(gòu)混凝土保護層厚度x,根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境確定的m、Dcl、Csa、Ccr,可計算結(jié)構(gòu)的工作壽命t。

然而，因為施工質(zhì)量管理環(huán)節(jié)的不完善，施工偏差(保護層厚度不足、水膠比偏大)難以避免，致使混凝土結(jié)構(gòu)過早破壞，提前退役。

2　氯離子侵蝕下預(yù)測模型參數(shù)

模型的真正意義在于其可用性、可靠性。盡管參數(shù)的選擇存在一定誤差，但預(yù)測壽命仍具有重要工程意義。文獻[13]表明，保護層厚度對壽命的影響成平方關(guān)系，因此保護層厚度是影響混凝土耐久性能的最主要因素之一。文獻[14]進行的參數(shù)敏感性分析表明，混凝土預(yù)測壽命隨保護層厚度和臨界氯離子濃度的增大而增大，隨氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度的增大而減小，其中保護層厚度和保護層變異系數(shù)的敏感性最強，是影響耐久性能的關(guān)鍵因素。

混凝土自身的耐久性一定程度上決定了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，要控制和提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，就需要增大混凝土的密實性，提高抗?jié)B性。混凝土的水膠比決定混凝土的強度，也決定混凝土的密實程度。一般來講，水膠比越大，混凝土強度越低，密實程度也越差，腐蝕性介質(zhì)越容易滲入，混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕速率也越高。

然而，在施工質(zhì)量管理環(huán)節(jié)中往往關(guān)注的是鋼筋數(shù)量、間距等，對于保護層厚度和水膠比的施工偏差卻未能引起足夠重視。保護層是防止鋼筋銹蝕的重要屏障，混凝土密實程度影響腐蝕介質(zhì)滲透速率，兩者的施工偏差將直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前大部分現(xiàn)行國家規(guī)范都根據(jù)設(shè)計使用年限、環(huán)境條件和構(gòu)件類型等規(guī)定了鋼筋混凝土保護層的最小厚度，針對本文的氯鹽環(huán)境及下文工程算例的工程條件，查閱相關(guān)規(guī)范，列出的保護層厚度見表2。

表2　相關(guān)規(guī)范在氯鹽環(huán)境下的最小保護層厚度

文獻[15]規(guī)定環(huán)境類別為三a(三b)的最大水膠比為0.45(0.4)。而在施工規(guī)范中對于混凝土保護層厚度的允許偏差如表3所示，這些偏差對結(jié)構(gòu)的強度或承載力影響甚微，而對耐久性能則有顯著影響。

表3　施工規(guī)范中混凝土構(gòu)件的保護層厚度允許偏差

3　工程算例計算與結(jié)果分析

某一近海(距海岸200 m左右)混凝土結(jié)構(gòu)梁橋，年平均溫度13 ℃，年平均相對濕度85%。采用硅酸鹽水泥，C50，水膠比0.38。取混凝土質(zhì)量2 300 kg，凝膠材料按400 kg/m3計算。

以保護層設(shè)計厚度45 mm為中心，水膠比取0.38，變化保護層厚度(±3、±5、±8、±10 mm)模擬施工偏差，運用Matlab計算預(yù)測壽命，結(jié)果見表4、圖1。

表4　各模型不同保護層厚度下的預(yù)測壽命　　　單位：a

以算例中水膠比0.38為中心，保護層厚度取45 mm，其余條件不變，變化水膠比大小(±0.02，±0.05，±0.08)，預(yù)測壽命結(jié)果見表5、圖2。根據(jù)表4結(jié)果，以保護層厚度45 mm中心，比較各模型下，保護層厚度變化對結(jié)構(gòu)壽命產(chǎn)生的偏差影響，結(jié)果見圖3。

圖1　各模型不同保護層厚度時的預(yù)測壽命

表5　各模型不同水膠比時的預(yù)測壽命　單位：a

圖2　各模型不同水膠比時的預(yù)測壽命

圖3　各模型不同保護層厚度偏差時的預(yù)測壽命差

4　結(jié)語

在基于大量數(shù)據(jù)的積累和科學(xué)試驗方法的創(chuàng)立下，氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性能的壽命預(yù)測具有實用價值。

1)結(jié)構(gòu)使用壽命隨保護層厚度的增大而增加。保護層厚度的敏感性強，其小幅變化引起使用壽命的變化不可忽略。經(jīng)過計算分析，同一模型下保護層厚度有2～3 mm的偏差對混凝土結(jié)構(gòu)壽命的影響長達10 a左右。保護層厚度為45 mm的鋼筋混凝土板，如果施工偏差為-5 mm，各模型的預(yù)測壽命縮短約20%～40%。

2)水膠比越小，混凝土強度越大，結(jié)構(gòu)使用壽命也越長。水膠比變化產(chǎn)生的壽命變化斜率較大，特別是水膠比較小時，減小水膠比，結(jié)構(gòu)壽命的增大比例越大。水膠比0.38時，施工偏差為+0.02，各模型的預(yù)測壽命縮短約15%～25%。

3)在同一條件下，不同模型的預(yù)測壽命相差較大，原因為模型本身的誤差和局限性、工程算例本身信息的不完善影響模型參數(shù)確定。

4)分析表明，常見的混凝土保護層厚度及水膠比的常見偏差對結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕耐久性能產(chǎn)生了極大影響。加強工程質(zhì)量管理，做好細節(jié)控制，對于保障結(jié)構(gòu)耐久性具有不可忽視的重要意義。

[1]張譽,蔣利學(xué),張偉平,等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2003:1-2.

[2]洪乃豐.腐蝕與混凝土耐久性預(yù)測的發(fā)展和難點討論[J].混凝土,2006(10):10-12.

HONG Naifeng.Development and difficulty of forecast for corrosion and durability of concrete[J].Concrete，2006(10):10-12.

[3]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2014:201-240.

[4]劉芳,宋志剛,潘仁泉,等.用Fick第二定律描述混凝土中氯離子濃度分布的適用性[J].混凝土與水泥制品,2005(4)：7-10.

[5]刑鋒.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011:122-126.

[6]MEJBRO L.The complete solution of Fick′s second law of diffusion with time-dependent diffusion coefficient and surface concentration[J].Durability of Concrete in Saline Environment Cementa AB Dandery Swedn, 1996:127-158.

[7]付燕弟,范宏,王鵬剛.氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2011,32(4):18-22.

FU Yandi, FAN Hong, WANG Penggang.Life prediction of the concrete structure under chloride environment[J].Journal of Qingdao Technological University,2011,32(4):18-22.

[8]余紅發(fā),孫偉,鄢良慧.混凝土使用壽命預(yù)測方法的研究Ⅰ—理論模型[J].硅酸鹽學(xué)報,2002,30(6):686-690.

YU Hongfa, SUN Wei, YAN Lianghui.Study on prediction of concrete service life Ⅰ——theoretical model[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2002,30(6):686-690.

[9]趙筠.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作壽命設(shè)計—針對氯鹽污染環(huán)境[J].混凝土,2004(1):3-15.

ZHAO Jun.Service life design of reinforced concrete structures exposed to chloride environment[J].Concrete,2004(1):3-15.

[10]王偉.氯離子環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2006.

WANG Wei.Research on durability design of concrete structures exposed to chloride environment[D].Hefei:Hefei University of Technology,2006.

[11]THOMAS M D A, BAMFORTH P B.Modeling chloride diffusion in concrete——effect of fly ash and slag[J].Cement Research, 1999,29(4):487-495.

[12]PIGEON M, GARNIER F, PLEAU R, et.al.Infuence of drying on the chloride ion permeability of HPC[J].Concrete International, 1993,15(2):65-69.

[13]美國混凝土學(xué)會.結(jié)構(gòu)混凝土的評估、壽命預(yù)測、修復(fù)[M].閻培渝,錢覺時,王立久,等，譯.重慶：重慶大學(xué)出版社,2006:120-125.

[14]金偉良,袁迎曙,衛(wèi)軍,等.氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論與設(shè)計方法[M].北京：科學(xué)出版社,2011:460-461.

[15]中國建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB50010—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[16]清華大學(xué).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范:GB/T 50476—2008[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[17]長沙理工大學(xué),清華大學(xué).公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范:JTG/T B07-01—2006[S].北京：人民交通出版社,2006.

[18]鐵道科學(xué)研究院.鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定:鐵建設(shè)[2005]157號[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[19]吳海軍,陳艾榮.橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法研究[J].中國公路學(xué)報,2004，17(3):57-61.

WU Haijun, CHEN Airong.Study of durability design method for bridge structures[J].China Journal of Highway and Transport,2004，17(3):57-61.

[20]吳海軍.橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法研究[D].上海:同濟大學(xué),2006.

WU Haijun.Durability design approaches for bridge structures[D].Shanghai: Tongji University,2006.

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

The Influence of Common Construction Errors on Concrete Structure Durability under Chloride Ion Erosion Environment

HEYa,WUHaijun

(CollegeofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

In order to reveal the influence of common construction errors on concrete structure durability, six forecast models of concrete structure service life under chloride ion erosion environment are compared and major influential factors of durability are analyzed.The common construction errors under typical environment such as concrete bridge structure, protective coating thickness and water-binder ratio are chosen. The results indicate that anticipated service life of concrete structure is significantly influenced by protective coating thickness and water-binder ratio. The influence degree of durability depends on the magnitude of deviation, design parameters and choice of the forecast model. A-5 mm deviation in protective coating thickness would lead to chloride erosion and a 20%～40% drop in forecasted service life. A+2% deviation in water-binder ratio would lead to a 15%～25% drop in forecasted service life. Consequently, quality control of the common construction errors is significant to structure resisting chloride ion penetration. Strengthening quality control on key parameters of concrete service life deserves serious attention.

concrete structures; durability; chloride ion erosion; computing model; construction error; protective coating thickness; water-binder ratio

2016-05-04

何婭(1990—)，女，四川自貢人，碩士研究生，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，E-mail: 419384502@qq.com.

吳海軍(1975—)，男，陜西武功人，教授，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，E-mail: 583921237@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.012

TU375

A

1672-0032(2016)03-0067-06