港口工程混凝土结构基于规范标准的使用年限估算

董雪焕，贡金鑫

（大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 引言

20世纪70年代以来，我国筑港业飞速发展，兴建了大量港口码头等水工建筑物，对推动经济建设起到了十分重要的作用[1]。而且随着经济建设的进一步发展，港口工程结构将在基础设施中占据越来越重要的地位。如何提高港口工程质量和结构物的使用年限，全面降低工程的全寿命成本成为水运工程技术的重要课题。工程经验表明，在了解混凝土结构钢筋腐蚀机理的前提下进行耐久性设计，是保证混凝土结构使用年限的前提。耐久性设计包括基本措施和附加措施，对此各国混凝土规范都对耐久性设计的基本措施进行了规定。然而，混凝土结构耐久性失效包括几个阶段，不同的基本措施对各阶段的影响不同，而各混凝土规范对基本措施的规定不同，所以无法对不同规范基本措施规定的严格程度进行比较。考虑到基本措施只是耐久性设计的基本手段，而最终目的是保证港口混凝土结构的使用年限，因此，本文使用我国JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》关于混凝土构件使用年限的计算公式，对港口工程混凝土构件的使用年限进行了估算，进而对我国规范规定与国外标准、规范规定的结构耐久性严格程度进行比较。

1 混凝土结构耐久性失效的3个阶段

工程调查表明，引起港口混凝土结构耐久性失效的首要原因是钢筋锈蚀。钢筋表面钝化膜失效是钢筋发生锈蚀的前提，而引起钝化膜失效的原因主要包括混凝土碳化和氯离子侵蚀。对海洋环境中的港口码头，相对于氯离子侵蚀的影响，混凝土碳化的作用微乎其微，所以港口结构的氯离子侵蚀是引起混凝土结构钢筋锈蚀的主要原因[2]。当钢筋表面的氯离子浓度达到其临界值时，钝化膜将遭到破坏，引起钢筋锈蚀。一般将氯离子引起的钢筋混凝土结构或构件破坏分为3个阶段[1]，如图1所示。

图1 混凝土构件不同阶段钢筋的锈蚀状况

图1中，第1阶段为诱导期，是指混凝土浇筑到钢筋开始锈蚀所经历的时间，表示为ti，氯离子开始进入混凝土，并进一步积累至在钢筋表面达到“临界值”，钢筋开始锈蚀，该阶段的关键技术参数有混凝土保护层厚度、氯离子浓度及扩散系数。第2阶段为发展期，从钢筋开始锈蚀（一般按钢筋钝化膜失效的时间计）到混凝土保护层纵向胀裂所经历的时间，表示为tc，该时间段的长短主要受混凝土保护层厚度、混凝土电阻率、混凝土强度及钢筋直径的影响。第3个阶段为失效期，指混凝土保护层纵向胀裂到钢筋截面损失到一定程度所经历的时间，表示为td，该过程与钢筋直径和混凝土开裂后钢筋的腐蚀速度关系较大。

相关研究表明，海洋环境下结构的服役寿命以诱导期为主，该阶段时间最长，而且影响因素多，过程最复杂[11]。所以从耐久性设计的角度考虑，欲延长结构的使用年限，控制第1阶段是最重要、最实际的，也是最有效的（后两个阶段很难控制）。通常确保或延长诱导期的方法包括提高混凝土的密实性、降低氯离子扩散系数等[4]。

我国JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》以氯离子引起钢筋锈蚀为基础，对上述3个阶段给出了定量计算依据，其中将te=ti+tc+td作为港口钢筋混凝土结构的设计使用年限，即使用年限；te=ti+tc作为预应力筋为钢筋的预应力混凝土结构的设计使用年限；te=ti作为预应力筋为高强钢丝、钢绞线的预应力混凝土结构的设计使用年限。ti、tc和td的计算如表1所示。

表1 氯离子侵蚀各阶段经历的时间

对于预应力混凝土结构，当采用高强钢丝或钢绞线作为预应力筋时，因为处于高应力状态的预应力筋较脆，对应力腐蚀和预应力腐蚀疲劳很敏感，易于发生脆断。因此，规定其结构的设计使用年限为te=ti（即氯离子刚扩散到预应力筋表面）。预应力筋为钢筋的预应力混凝土结构，应力腐蚀和预应力腐蚀疲劳敏感相对小些，此时规定te=ti+tc作为预应力筋为钢筋的结构的设计使用年限。由此可见，不管将哪个阶段作为混凝土结构的耐久性极限状态，氯离子扩散贯穿于混凝土结构使用的整个过程。

混凝土的氯离子扩散系数取决于混凝土的密实度（水灰比是一个重要因素），JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》给出了根据现场实测混凝土氯离子扩散系数推断采用值的方法，没有给出氯离子扩散系数与设计中水灰比的关系。本文参考日本土木学会和建筑学会的规定[8]，按下式计算氯离子有效扩散系数：

式中：D为氯离子有效扩散系数；W/C为混凝土水灰比。

2 按我国规范规定估算的结构使用年限

按照上述公式，结合规范JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》、JTJ 267—98《港口工程混凝土结构设计规范》和JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的基本措施要求计算我国南方地区不同海水区域钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件的使用年限，钢筋直径取最常用的25 mm。计算结果见表2～表4。

由表2～表4的计算结果可以看出：

1）按照我国港口混凝土规范关于混凝土耐久性的最大要求，根据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》公式计算的南方地区港口混凝土构件的使用年限大部分达不到设计使用年限50 a的要求。对于普通钢筋混凝土构件，采用普通混凝土时，使用年限接近30 a；采用高性能混凝土时，使用年限大多超过40 a。

表2 南方地区港口结构钢筋混凝土构件的使用年限

表3 南方地区港口结构预应力混凝土构件（高强钢筋）的使用年限

表4 南方地区港口结构预应力混凝土（高强钢丝、钢绞线）构件的使用年限

2）使用高强钢筋作预应力筋的预应力混凝土构件，不同海水区域的构件计算结果差别较大。采用普通混凝土时，大气区、水位变动区的构件，使用年限不到30 a；浪溅区的板、桩等细薄构件，使用年限达不到20 a；由于浪溅区一般构件的混凝土保护层厚度较厚（90 mm），所以该区域的构件使用年限超过30 a。采用高性能混凝土时，大气区、水位变动区的构件，使用年限为40～50 a；浪溅区的板、桩等细薄构件，使用年限达不到30 a；浪溅区的一般构件，使用年限为60 a左右。

3）使用高强钢丝和钢绞线预应力筋的预应力混凝土构件，不同海水区域的构件计算结果差别也较大。采用普通混凝土时，大气区、水位变动区和浪溅区的板、桩等细薄构件，使用年限约为10 a左右；浪溅区的一般构件，使用年限约为25 a。采用高性能混凝土时，大气区和水位变动区的构件，使用年限接近或超过20 a；浪溅区的板、桩等细薄构件，使用年限约为15 a；浪溅区的一般构件，使用年限超过40 a，这也是因为浪溅区一般构件的混凝土保护层厚度较厚（90 mm）的缘故。

总的来看，大部分情况下按港口混凝土规范的最低要求计算的混凝土结构使用年限不能达到50 a的要求，但使用高性能混凝土可有效增长混凝土结构的使用年限。

3 按国外规范规定估算结构的使用年限

参考国外港口混凝土结构关于混凝土材料和混凝土保护层厚度的规定，仍按我国《港口水工建筑物检测与评估技术规范》的公式计算结构的使用年限。尽管国外的混凝土材料、海洋环境混凝土表面氯离子的浓度、施工质量等与我国有所差别，但本文认为用于比较国外规范与我国规范对混凝土结构耐久性的总体效果时可忽略这种差别。因为混凝土的耐久性受多种因素影响，各规范对每种因素的规定不同，所以实际中无法根据某一单项规定对耐久性进行比较。本文给出了按国外规范对港工结构使用年限的计算。应注意的是计算时除了各规范已明确规定的部分参数外，其他不确定参数按照我国规范规定取值。

1）美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》

混凝土保护层厚度及水胶比按照美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》对混凝土结构耐久性设计的最低要求确定，计算的钢筋混凝土构件的使用年限结果见表5～表6。

2）英国标准BS 2002《海工建筑物》

英国标准BS 2002《海工建筑物》规定，若使用硅酸盐水泥，用英国规范BS 4027的方法确定铝酸三钙的最大含量为10%。为减小钢筋遭受氯化物侵蚀的危险，钢筋混凝土中铝酸三钙的含量不应小于4%。硅酸盐水泥中掺入至少20%的粉煤灰或35%的粒化高炉矿渣；硅酸盐水泥中添加胶结材料10%的硅粉，拌和料5%的高炉矿渣或粉煤灰也是很有利的。按照规范规定的粗骨料最大粒径为20 mm、设计使用年限为50 a和100 a时对于混凝土拌和物的最低要求计算结构的使用年限，结果如表7和表8所示。

表5 按美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求计算的钢筋混凝土构件的使用年限

表6 按美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》最低要求计算的后张预应力混凝土构件的使用年限

表7 按英国标准BS 2002《海工建筑物》设计使用年限为50 a时的最低要求计算的钢筋混凝土构件使用年限

表8 按英国标准BS 2002《海工建筑物》设计使用年限为100 a时的最低要求计算的钢筋混凝土构件使用年限

3）德国EAU 2004《港口与航道》

在德国EAU 2004《港口与航道》规范中，规定水灰比不应大于0.50，混凝土中可掺入粉煤灰、火山灰以及硅灰等胶凝材料。钢筋保护层厚度应高于德国标准DIN 1045中的规定值，一般至少取5 cm，宜取6 cm。根据上述规定，按混凝土结构耐久性设计最低要求计算构件的使用年限，见表9。

4）挪威《港口设计手册》

挪威的工程经验显示，最小水泥用量至少为350～370 kg/m3，水灰比不应超过0.40～0.45。对于不同的区域，根据挪威《港口设计手册》建议的结构混凝土保护层厚度最小值计算的不同区域结构的使用年限，结果如表10。

从上述计算结果可以看出，各国规范的规定相差很多，混凝土构件使用年限的计算结果差别也很大。

1）按照美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》规定的最低要求计算的钢筋混凝土构件和后张预应力混凝土构件的使用年限基本上均超过50 a。

表9 按德国EAU 2004《港口与航道》最低要求计算的钢筋混凝土构件的使用年限

表10 按挪威《港口设计手册》最低要求计算的钢筋混凝土构件的使用年限

2）按英国标准BS 2002《海工建筑物》规定使用年限50 a时的规定，对于海洋大气环境的钢筋混凝土构件，水胶比为0.45时，计算的使用年限接近50 a；其他情况计算的使用年限均远小于50 a，尤其是水胶比为0.50时的溅水区结构。规定使用年限100 a时的规定，对于高潮位、浪溅区的钢筋混凝土构件，水胶比为0.35、混凝土保护层厚度为80 mm时，计算的使用年限接近或超过70 a，其他情况的计算使用年限均达不到70 a。

3）按照德国EAU 2004《港口与航道》规定的最低要求，浪溅区钢筋混凝土构件的计算使用年限达不到30 a，大气区和水位变动区的均能近似达到50 a。按照挪威港口手册规定的最低要求，计算的大气区和浪溅区的使用年限近似可达50 a，水位变动区的情况接近100 a。

尽管不能确认按我国《港口水工建筑物检测与评估技术规范》的公式计算混凝土构件的使用年限是否准确，但大体可说明不同规范规定的严格程度。从计算结果看，美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》和挪威港口手册的要求相对比较高，英国标准BS 2002《海工建筑物》规定的比较细，但要求似乎并不高。

4 结语

与我国港口混凝土规范的规定相比，美国统一设施准则UFGS-033129∶2006《海洋混凝土》规定的最大水灰（胶）比要小，英国标准BS 2002《海工建筑物》对海水环境分区划分比较细致，并给出了不同环境不同设计使用年限混凝土材料的各种建议，挪威建议的最大水灰（胶）比也比我国规范规定的小。由上述根据不同规范对港工结构使用年限的估算结果显示，国外规范的要求相对较严格，计算的结构使用年限远大于按我国规范的计算结果，其中按美国规范计算的结构使用年限最长，甚至可近似高达按我国规范计算值的2倍。

当然，这只是计算结果，其准确性很大程度上取决于计算方法及公式的合理性，并且还应结合大量的工程调查结果进行综合判断。另外，由于计算港口工程结构使用年限的因素众多，每个因素又受到多方面因素的影响与制约，而且国内外各港工规范对此的规定也不尽相同，所以实际中无法根据某一单项规定对结构耐久性进行比较，本文只是根据结构使用年限的计算结果进行了综合分析比较。

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[4]洪乃丰.氯盐环境中混凝土耐久性与全寿命经济分析[J].混凝土，2005（8）：29-32.

[5]JTJ 302—2006，港口水工建筑物检测与评估技术规范[S].

[6]JTJ 267—98，港口工程混凝土结构设计规范[S].

[7]JTJ 275—2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

[8]冯乃谦，邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].北京：机械工业出版社，2008.

[9]UFGS-033129 ∶2006，Marine Concrete[S].

[10]BS 6349-1 ∶2002，Maritime Structures-Part 1：Code of Practice for General Criteria[S].

[11]Selmr A S，Aes A S.Service Life Model for Concrete Structures Exposed to Marine Environment-initiation Period[R]//Lightcon DP2-7 Report：SINTEF Structure and Concrete，1995.

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