基于相似理论的海工预应力混凝土构件寿命预测

基于相似理论的海工预应力混凝土构件寿命预测

刘荣桂，徐洁，陈素碧，高远

(江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013)

摘要：根据经典相似理论及海工预应力混凝土结构耐久性的主要表征量，以氯离子扩散系数为纽带建立了室内加速模拟环境试验结构与现场环境结构之间的时间相似关系。参考连云港港区氯盐侵蚀环境，设计了相应的人工气候模拟侵蚀条件；浇筑了2根与现场构件材料组成相同、结构特征相似的试验梁。对现场构件及侵蚀后的试验梁钻取混凝土粉末试样，通过快速氯离子检测方法(即RCT法)测得氯离子含量。按照Fick第二扩散定律并通过Matlab拟合得到氯离子扩散系数，并根据其时间衰减关系得到该地区对应的海洋大气区时间相似系数，实现现场服役结构耐久性寿命预测。

关键词：预应力混凝土结构； 氯离子扩散系数； 人工室内快速试验； 混凝土结构耐久性； 时间相似系数

中图分类号：TU375

文献标志码：A

文章编号：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

基金项目：水利部公益性行业科研专项资助项目(201401027)

作者简介：郭红民(1964—)， 男， 湖北宜昌人, 教授级高级工程师， 主要从事水力学及河流动力学方向的研究。

海工预应力混凝土结构耐久性试验具有工作量大、工艺复杂、综合成本高、环境与时空相似关系复杂等特点[1]。目前的试验以人工室内快速试验为主，其研究结果对实际工程的耐久性分析和评价有一定指导意义，但很难直接应用于工程实践，主要原因如下：①研究对象(实际工程结构)与试验对象(人工室内快速试验试件)尺寸材料存在差异性；②研究对象所处的实际侵蚀环境与实验室内人工模拟环境条件存在差异性；③结构耐久性问题以服役年限来考虑，而人工快速试验的时间历程短，存在差异性等等。实际工程结构与试验试件两者历程相似、关系模糊，上述问题的症结在于：缺少相关相似理论的支撑，使得试验模型预测结果的可靠性大大降低。本文以氯离子扩散系数为主要参考指标建立了室内人工气候模拟加速试验结构与现场工程结构之间寿命的联系，并给出了两者之间的时间相似系数，为实际工程结构的寿命预测奠定了基础。

1海工相似理论参数选取

海水的高含盐量、生物活性和导电性致使海洋环境的复杂程度极高，相关研究难度较大[2]。海水中氯盐主要以氯离子形式存在，含量极其丰富。氯盐侵蚀是导致海工混凝土结构中钢筋锈蚀的主因[3]。因此，对海工混凝土结构耐久性能的研究，主要应侧重于混凝土中氯离子含量与侵蚀深度的检测。在以氯盐侵蚀为主导的耐久性问题中，反映混凝土结构耐久性的主要参数有氯离子扩散系数D和表面氯离子浓度等。

时间-环境相似模型是以相似三定理为理论基础[4-7]。根据相似理论，开展侵蚀环境相似、构件尺寸比例相似、材料相同的人工气候模拟侵蚀试验。

(1)

式中:D(t)为对应暴露时间t的表观扩散系数(m2/s)；Dref为对应暴露时间tref的参考表观扩散系数(m2/s)；n为时间衰减系数，对于普通水泥混凝土而言，有n=2.5w/c-0.6[5]，w/c为混凝土水灰比。

分别记人工气候模拟侵蚀试验构件tref时刻的表观氯离子扩散系数为Dref，现场海工构件T′时刻的表观氯离子扩散系数为D′。由式(1)表观氯离子扩散系数与混凝土暴露时间的关系，可以计算出人工气候模拟侵蚀试验表观氯离子扩散系数达到D′时所需要的时间T，即：

(2)

在计算出人工气候模拟侵蚀试验所需时间T之后，可以得出时间的相似系数λt：

(3)

(4)

在构件材料性能相同的情况下，可以认为λt为人工气候模拟侵蚀构件与现场构件的时间相似系数。通过确定该相似系数，可进行相似侵蚀环境下的服役构件全寿命预测。

2室内试验设计及结果分析

2.1试验设计

预应力混凝土试件尺寸为150 mm×200 mm×1 500 mm；试件单侧配置预应力钢筋，采用后张法进行张拉试验，预应力筋预留孔道为φ50镀锌管。混凝土设计强度等级为C40，水泥采用徐州市诚意水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，粗骨料采用玄武岩碎石，最大粒径为20 mm，细骨料为江砂(细度模数2.8)。试验采用2组混凝土试件，强度等级为C40，水灰比0.412，材料组成为水164 kg/m3, 水泥398 kg/m3，砂745 kg/m3，碎石1 189 kg/m3。基于经典相似理论，该试验所浇筑的预应力混凝土试件材料组成与连云港港口3~4号泊位结构基本相同，结构特征也基本相同。

2.2构件加速侵蚀模拟

室内人工气候模拟加速试验通过改变溶液浓度、试验温度、相对湿度、干湿循环比例等环境条件，达到加速侵蚀目的，主要表现在表观扩散系数的提高上，该值除与混凝土本身的材料性能有关外，还与侵蚀介质溶液氯离子浓度、绑定效应、龄期等有关。为加速预应力钢筋腐蚀，参考连云港港区环境情况(包括温湿度、盐雾沉降量和潮汐等)，采用人工气候模拟加速试验法，模拟海洋大气区，试验参数[8]为：温度(37±6)℃，盐雾沉降量1.0~2.0 m/[80(cm2·h)], 喷雾温湿时间比1∶1,周期24 h。

2.3氯离子含量检测结果及分析

在盐雾-干燥循环侵蚀环境下，分别在侵蚀30, 90, 180, 270和360 d后用RCT法测试预应力混凝土试件不同深度的氯离子含量，并拟合出其氯离子表观扩散系数。

2.3.1氯离子含量的检测本文采用快速氯离子检测方法(RCT法)对混凝土粉样内的氯离子含量进行检测，该方法具体操作过程[9-13]如下：采用直径15 mm的冲击钻在混凝土结构表面钻孔取粉，钻孔所取粉末分层收集，每隔5 mm取一粉样，直至50 mm深度处，将钻孔得到的混凝土粉末试样分别通过0.63 mm筛，装入铝土盒中，并置于(105±5)℃烘箱中烘2 h，取出后放入干燥器冷却至室温；将冷却后的粉样分成3份，每份取1.5 g与氯化物萃取液相混合萃取，并振荡5 min；最后将标定过的氯电极浸入溶液测出氯离子含量。测得氯离子含量侵蚀规律如图1所示。

图1　不同侵蚀时间和深度的氯离子含量 Fig.1 Chloride ion concentration of beams at different corrosion time and depths

2.3.2表观氯离子扩散系数计算假定混凝土中的孔隙分布均匀，氯离子在混凝土中的扩散方式属于一维扩散，浓度梯度沿着钢筋表面到暴露表面的方向变化，此时可用式(5)表示Fick第二定律[14]:

(5)

式中：C为氯离子浓度(氯离子占混凝土质量百分比)；t为暴露时间(s)；x为距混凝土表面位置(mm)。

当混凝土表面氯离子浓度恒定，同时假定混凝土时间相对于暴露表面为半无限介质，在任意时刻，相对暴露表面无限远处的氯离子浓度为初始浓度。根据初始条件和边界条件：C(0,t)=CS，C(∞,0)=C0，C(x,0)=C0；Fick第二定律可转换为：

(6)

式中：Cx,t为t时刻x深度处氯离子浓度，erf(z)为误差函数。

借助Matlab软件数据拟合工具箱，按式(6)对图1中的数据进行回归分析，得出预应力混凝土试验梁的表观氯离子扩散系数D(t), 最终结果见表1。

表1　试验梁表观氯离子扩散系数

从表1可见，表观氯离子扩散系数和侵蚀时间成反比，在室内侵蚀180 d内，氯离子扩散系数明显下降；随着侵蚀时间的增加，氯离子扩散系数下降缓慢。

3现场构件检测结果

连云港3~4号泊位位于连云港港区东部的二号突堤东侧，1974年建成，结构形式为高桩梁板式码头，总长322 m，宽26.37 m，其中码头宽13.00 m，平台宽13.37 m。泊位码头采用500 mm×500 mm的预应力钢筋混凝土实心方形柱，引桥近岸结构段采用450 mm×450 mm的预应力钢筋混凝土实心方形柱，引桥近码头结构段采用500 mm×500 mm的预应力钢筋混凝土实心方形柱；所用混凝土强度均为C40。

3.1连云港港区工程耐久性检测

钢筋锈蚀通常被认为是混凝土结构劣化的最主要原因，而海工混凝土结构中钢筋锈蚀主要是由于海水中的氯盐侵蚀作用。因此，在对海工混凝土结构耐久性损伤进行现场检测时，重点应放在氯离子在混凝土中的侵蚀深度与含量的检测上。对现场海工混凝土结构中氯离子侵入深度及含量大小的检测，通常采用对结构钻孔取粉的方式完成。2013年4月，在连云港港区对部分泊位的海工混凝土结构进行了耐久性检测。

图2　盐雾区A0~A9点的氯离子浓度 Fig.2 Chloride ion concentration of salt spray zone of points A0~A9

本文选取与室内侵蚀试验相同环境区域即盐雾区进行取粉试验，取粉检测方法与室内试验方法一致。10个取粉点A0~A9测得氯离子侵蚀如图2所示。

由图2可见，盐雾侵蚀对预应力混凝土结构的影响较为明显，在距混凝土表面50 mm深度处，A0~A9各点氯离子含量为0.13%~0.30%。根据美国混凝土学会(ACI)和《混凝土结构耐久性设计规范》规定，该地区预应力混凝土构件Cl-含量较高，极可能出现钢筋锈蚀且腐蚀情况较为严重。

3.2表观氯离子扩散系数计算

海洋盐雾环境下氯离子的侵入方式较为复杂，一般认为是多种侵入方式的组合。除此之外，氯离子的侵入还受到混凝土材料与氯离子之间的化学、物理作用等影响。尽管如此，仍可认为扩散是其最主要的传输方式，适用Fick第二定律[15-16]。在得出A0~A9点的不同深度处的氯离子浓度后，借助Matlab软件数据拟合工具箱，按式(6)对数据进行回归分析，得出该预应力混凝土结构的表观氯离子扩散系数D′(t),最终结果见表2。

表2　4号泊位盐雾区混凝土表观氯离子扩散系数

4室内与现场构件时间相似系数计算

以扩散系数和表面氯离子浓度为纽带建立连云港4号泊位现场混凝土结构与室内人工气候模拟加速试验结构之间的时间相似关系。将连云港现场混凝土结构作为服役海工预应力混凝土结构，2根试验梁作为人工气候模拟侵蚀试验结构建立两者之间的时间相似关系。

选取表2中拟合程度较高的A2，A3，A4，A6共4组数据，结合式(3)~(5)建立两者之间的时间相似关系过程如下：

(1)已知连云港现场预应力混凝土结构的表观氯离子扩散系数大小，通过式(2)可计算出实验室快速侵蚀试验结构达到与现场预应力混凝土结构相同大小扩散系数时的时间t2及材料相似的现场服役结构与实验室快速侵蚀试验结构的时间相似系数λt，计算结果见表3。

表3　时间相似系数 λ t计算结果

(2)通过2根试验梁30, 90, 180, 270和360 d扩散系数D1求出5个时间相似系数之后，对所得数值取平均值得出相似系数λ=6.09。

5结语

(1)建立了室内加速模拟环境与现场实际环境之间的时间相似关系，并给出了时间相似系数的表达式。

(2)结合连云港工程实际，将连云港港口4号泊位码头的预应力混凝土结构作为现场已建结构，人工气候模拟加速试验方案快速侵蚀梁作为室内加速模拟试验结构，并计算出两者之间基于氯离子扩散系数的时间相似系数为6.09。

(3)时间相似系数确定之后，可以进一步在实验室内开展人工气候模拟加速试验直至人工气候模拟侵蚀试验结构耐久性失效，并通过时间相似系数推算现场服役结构的耐久性。

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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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