基于Duracrete方法的管桩耐久寿命评估研究

艾立涛

【摘要】本文以氯离子环境下混凝土结构耐久寿命评估方法为基础，通过修正欧洲Duracrete模型中的几个关键参数，探讨得到管桩耐久寿命评估模型，同时通过对新建工程中管桩耐久寿命的评估，提出现有蒸压PHC管桩不应使用在强腐蚀环境。

【关键词】管桩；耐久寿命；Duracrete模型；氯离子浓度

1引言

近年来，氯盐环境下的混凝土结构耐久性问题日益受到重视，如何根据结构检测或监测结果对在役混凝土结构进行性能评估，并据此推测其剩余使用寿命，一直是土木工程学科非常关注的热点问题。

耐久寿命评估的研究多集中于混凝土结构的寿命预测，尚无专门对管桩的寿命评价。1993年ACI committee 364发布的《修复前混凝土结构的评估指南》，详细阐述了混凝土结构评估的细节步骤。Maage等利用Fick第二扩散定律得到了基于氯盐渗透的混凝土耐久寿命评估的半经验模型。Thomas， M.D.A.、Alonso，C、Moris， W等对混凝土结构中临界氯离子浓度值进行了深入研究，给出了不同条件下的参考值。Amey等研究了海工混凝土结构使用寿命预测方法，其模型考虑了环境随时间变化、温度变化、施工质量偏差、氯离子扩散系数的变化等因素。

目前欧洲Duracrete 方法已得到广泛认同，在我国多项工程中也得到了成功运用。本文基于Duracrete 模型的评估方法，对模型中的关键参数进行修正，得到适用于管桩的耐久寿命评估模型。

2 管桩寿命评估的关键参数

Duracrete模型中的相关参数是针对普通混凝土建立得到的，而管桩混凝土经过高温蒸压后与普通混凝土在微观结构和宏观性能上均有较大差别，因此必须结合管桩混凝土的特点，对混凝土的保护层厚度、表面氯离子浓度、临界氯离子浓度、氯离子扩散系数等参数进行必要的修正，建立得到适用于管桩的耐久寿命评估模型。

2.1 混凝土保护层厚度

作为一种厚壁环形构件，混凝土保护层厚度应包括内、外保护层厚度，根据预应力混凝土管桩图集（10G409）可计算得到管桩的内、外保护层厚度。

2.2 表面氯离子浓度

在混凝土耐久寿命评估中，通常假定表面氯离子浓度为固定值[1]。在Duracrete方法中，表面氯离子浓度与混凝土的水胶比、胶材组成以及养护环境有关，可通过拟合系数对水下区、潮汐和干湿交替区、大气区的混凝土进行取值（见表1），赵铁军教授[2]和孙伟院士[3]通过暴露实验结果与实验室浸泡结果对比发现，当暴露环境条件环境稳定，混凝土质量高，混凝土表面对氯离子的屏障作用强，实测表面氯离子浓度Cs与理论上的表面氯离子浓度Cs十分接近。因此可假定取管桩所处环境浓度即为混凝土表面氯离子浓度。

2.3 临界氯离子浓度值

Duracrete模型经过统计得出，混凝土结构临界氯离子浓度服从正态分布，按照不同的混凝土水胶比和暴露条件给出了不同的临界氯离子浓度值，管桩作为工业化生产的预制构件，质量较有保证，因此综合这两方面，在同一环境条件下，参考Duracrete模型中水胶比（0.3）对应临界氯离子浓度数值，取管桩临界氯离子浓度值为2.3（与胶凝材料质量的比值%），其计算结果也是相对保守的。

2.4 氯离子扩散系数

基于氯离子在混凝土中的传输机理，DuraCrete模型中同样也考虑了氯离子扩散系数的衰减，在公式中引入了时间衰减指数对其进行修正，而对于管桩混凝土来说，混凝土水胶比一般在0.3左右，经过离心工艺后水胶比更低，在高温蒸压后，混凝土内部水化充分，混凝土的成熟度较高，可认为管桩混凝土的氯离子扩散系数衰减非常缓慢，为了简便计算，可假定管桩的扩散系数衰减过程忽略不计，即将Duracrete模型中D（t）简化为恒值D，而该假定得到的寿命评估结果也是相对保守的。

3 管桩寿命评估模型

通过对Duracrete模型的相关参数的修正，建立管桩耐久寿命评估模型为：

（式1）

式中 ——混凝土临界氯离子浓度，取值2.3（与胶凝材料质量的比值%）；

——混凝土表面氯离子浓度；

xd，t——分别为保护层厚度和使用年限；

Δx——混凝土保护层厚度安全裕量，主要考虑施工误差，由于管桩为预制构件，生产工艺控制严格，质量有保证，施工误差较小，可取较低值Δx=5mm；

γcr，γcs——分项安全系数，γcr取1.2，γcs取1.03；

D——混凝土开始接触氯盐时的氯离子扩散系数，由试验值确定。

3.1 新建工程管桩寿命评估

对于新建工程中管桩的耐久寿命预测，可根据管桩使用的环境特点确定其混凝土表面氯离子浓度值，结合管桩内外保护层厚度，通过测定施工前管桩的氯离子扩散系数分别对管桩内外混凝土进行寿命评估。

将式1变形，经反函数推算，可得到达到临界氯离子浓度时间，即新建工程中管桩的使用寿命为：

根据管桩寿命评估模型，特定强腐蚀环境（氯离子含量为20g/L）下，按无裂缝进行计算时，混凝土抗氯离子性能要求很高，现有蒸压混凝土无法达到，而且混凝土施工后必然存在裂缝，且强腐蚀中氯离子含量没有上限规定，将现有蒸压管桩用于强腐蚀环境中存在很大的耐久性不足的风险，故在强腐蚀环境中不应采用蒸压管桩。

4 结论

通过本文的研究，可以得出如下结论：

（1）在南方沿海地区氯盐环境下，管桩混凝土耐久寿命定义为暴露氯化物一侧混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界值所需的时间。Duracrete 作为一种较为完善的混凝土结构耐久性设计方法，经修正后，可用于管桩混凝土耐久寿命评估。

（2）通过对新建工程中管桩的寿命预测，现有蒸压管桩可用于微腐蚀、弱腐蚀、中腐蚀环境，不应用于强腐蚀环境；在微腐蚀、弱腐蚀、中腐蚀环境水下区，管桩可不做防护处理；在干湿交替区，宜掺加阻锈剂，并建议管桩尽量避免在干濕交替区应用；虽然管桩内侧混凝土较外侧混凝土抗氯离子性能较差，但内侧保护层厚度较大，管桩耐久性由外侧混凝土控制。

参考文献：

[1]孟凡超，吴伟胜，刘明虎.港珠澳大桥梁耐久性设计创新[J]. 预应力技术，2010，（6）：11-27.

[2杜应吉. 地铁工程混凝土耐久性研究与寿命预测[D]. 南京： 河海大学， 2005.

[3] 赵铁军. 高性能混凝土的渗透性研究[D]. 北京： 清华大学， 1997.