氯离子侵蚀环境下常见施工偏差对混凝土结构耐久性能的影响

何娅，吴海军

(重庆交通大学土木工程学院，重庆　400074)



氯离子侵蚀环境下常见施工偏差对混凝土结构耐久性能的影响

何娅，吴海军*

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)

为揭示常见施工偏差对混凝土结构耐久性能的影响规律，对国内外预测氯离子侵蚀条件下混凝土结构使用寿命的6种模型进行比较，分析氯离子侵蚀环境下影响耐久性的主要参数。选择典型环境下的混凝土桥梁构件，模拟保护层厚度、水胶比等参数的常见施工偏差，在各模型下分析比较保护层厚度对结构耐久性能的影响。结果表明，保护层厚度、水胶比等参数变化(偏差)对预期耐久寿命有显著影响，影响程度与偏差大小、设计参数取值及计算模型的选用有较大关系。保护层厚度不足(-5 mm)的施工偏差会导致预测氯离子侵蚀耐久寿命缩短约20%～40%；水胶比增大(+0.02)会导致预测寿命缩短约15%～25%。可见，施工质量控制偏差对结构抗氯离子侵蚀耐久性能的影响重大，加强关键参数质量控制极为重要。

混凝土结构；耐久性能；氯离子侵蚀；计算模型；施工偏差；保护层厚度；水胶比

混凝土结构因其造价低廉、适用广泛，成为最主要的土木工程结构形式之一。随着我国土木工程建设的快速发展，混凝土耐久性问题逐渐凸现。混凝土结构耐久性是指在规定的使用年限内、各种环境条件的综合作用下，混凝土结构不需要额外的加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力[1]。混凝土耐久性的研究，特别是相关寿命预测的课题成为当下国内外研究的热点。目前，世界上已有不少混凝土耐久性寿命预测模型，投入工程使用的多是以氯离子引起钢筋腐蚀为出发点[2]。从理论上讲，只要确定相关变量(保护层厚度x、衰减系数m、氯离子扩散系数Dcl、表面氯离子浓度Csa、临界氯离子浓度Ccr)，就可以对该结构进行寿命预测。而我国现有的大量钢筋混凝土结构，已出现未达设计寿命就过早破坏等现象，除氯离子侵蚀等恶劣环境加速了钢筋锈蚀以外，保护层厚度、水胶比等施工偏差也影响结构的使用寿命。

1　氯离子侵蚀环境下预测模型

目前在氯离子扩散问题上使用最为广泛的是Fick第二定律[3-4]

(1)

式中：C(x,t)为t时刻x深度处的氯离子浓度；CS为混凝土表面氯离子浓度；C0为氯离子初始浓度；D为氯离子扩散系数；erf(z)为误差函数。

式(1)的结果可作为混凝土结构耐久性寿命预测的依据。表1中各模型在此基础上进行了系数修正。表1中：Ccr为临界氯离子浓度；γcr为氯离子临界浓度分项系数，γcr=1.06；γs为表面氯离子浓度分项系数，γs=1.4；Cs为混凝土表面氯离子浓度；x为钢筋保护层厚度；Δx为钢筋保护层厚度安全余量；γd为氯离子扩散抗力分项系数；ke为环境与材料系数，ke=0.68；kc为施工中养护系数，kc=1；Dcl,0为t0时刻混凝土的氯离子扩散系数，t0=28 d，即0.076 7 a；t为结构设计使用年限；m为衰减系数；erfc(z)为误差余函数，erfc(z)=1-erf(z);γ0为结构重要性系数，γ0=1.0；γc为混凝土材料性能变异系数，取1.3；C0为混凝土内初始氯离子浓度；β为混凝土修正系数，对于普通混凝土，β=1；H为氯离子扩散性能的劣化效应系数，H=1.45；R为扩散时部分氯离子与混凝土的结合能力，R=3。

表1　结构耐久性预测模型

文中所述模型是参数控制型设计，根据混凝土结构所处的工作环境及破坏规律来验算结构在设计使用寿命期内抵抗环境作用的能力是否大于环境对结构的作用，并将氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀作为失效模式。模型预测寿命的基本计算方法为：选择设计期望的结构混凝土保护层厚度x,根据结构所处环境确定的m、Dcl、Csa、Ccr,可计算结构的工作寿命t。

然而，因为施工质量管理环节的不完善，施工偏差(保护层厚度不足、水胶比偏大)难以避免，致使混凝土结构过早破坏，提前退役。

2　氯离子侵蚀下预测模型参数

模型的真正意义在于其可用性、可靠性。尽管参数的选择存在一定误差，但预测寿命仍具有重要工程意义。文献[13]表明，保护层厚度对寿命的影响成平方关系，因此保护层厚度是影响混凝土耐久性能的最主要因素之一。文献[14]进行的参数敏感性分析表明，混凝土预测寿命随保护层厚度和临界氯离子浓度的增大而增大，随氯离子扩散系数和表面氯离子浓度的增大而减小，其中保护层厚度和保护层变异系数的敏感性最强，是影响耐久性能的关键因素。

混凝土自身的耐久性一定程度上决定了混凝土结构的耐久性，要控制和提高混凝土结构的耐久性，就需要增大混凝土的密实性，提高抗渗性。混凝土的水胶比决定混凝土的强度，也决定混凝土的密实程度。一般来讲，水胶比越大，混凝土强度越低，密实程度也越差，腐蚀性介质越容易渗入，混凝土内钢筋的锈蚀速率也越高。

然而，在施工质量管理环节中往往关注的是钢筋数量、间距等，对于保护层厚度和水胶比的施工偏差却未能引起足够重视。保护层是防止钢筋锈蚀的重要屏障，混凝土密实程度影响腐蚀介质渗透速率，两者的施工偏差将直接影响结构的使用寿命。目前大部分现行国家规范都根据设计使用年限、环境条件和构件类型等规定了钢筋混凝土保护层的最小厚度，针对本文的氯盐环境及下文工程算例的工程条件，查阅相关规范，列出的保护层厚度见表2。

表2　相关规范在氯盐环境下的最小保护层厚度

文献[15]规定环境类别为三a(三b)的最大水胶比为0.45(0.4)。而在施工规范中对于混凝土保护层厚度的允许偏差如表3所示，这些偏差对结构的强度或承载力影响甚微，而对耐久性能则有显著影响。

表3　施工规范中混凝土构件的保护层厚度允许偏差

3　工程算例计算与结果分析

某一近海(距海岸200 m左右)混凝土结构梁桥，年平均温度13 ℃，年平均相对湿度85%。采用硅酸盐水泥，C50，水胶比0.38。取混凝土质量2 300 kg，凝胶材料按400 kg/m3计算。

以保护层设计厚度45 mm为中心，水胶比取0.38，变化保护层厚度(±3、±5、±8、±10 mm)模拟施工偏差，运用Matlab计算预测寿命，结果见表4、图1。

表4　各模型不同保护层厚度下的预测寿命　　　单位：a

以算例中水胶比0.38为中心，保护层厚度取45 mm，其余条件不变，变化水胶比大小(±0.02，±0.05，±0.08)，预测寿命结果见表5、图2。根据表4结果，以保护层厚度45 mm中心，比较各模型下，保护层厚度变化对结构寿命产生的偏差影响，结果见图3。

图1　各模型不同保护层厚度时的预测寿命

表5　各模型不同水胶比时的预测寿命　单位：a

图2　各模型不同水胶比时的预测寿命

图3　各模型不同保护层厚度偏差时的预测寿命差

4　结语

在基于大量数据的积累和科学试验方法的创立下，氯离子侵蚀环境下混凝土耐久性能的寿命预测具有实用价值。

1)结构使用寿命随保护层厚度的增大而增加。保护层厚度的敏感性强，其小幅变化引起使用寿命的变化不可忽略。经过计算分析，同一模型下保护层厚度有2～3 mm的偏差对混凝土结构寿命的影响长达10 a左右。保护层厚度为45 mm的钢筋混凝土板，如果施工偏差为-5 mm，各模型的预测寿命缩短约20%～40%。

2)水胶比越小，混凝土强度越大，结构使用寿命也越长。水胶比变化产生的寿命变化斜率较大，特别是水胶比较小时，减小水胶比，结构寿命的增大比例越大。水胶比0.38时，施工偏差为+0.02，各模型的预测寿命缩短约15%～25%。

3)在同一条件下，不同模型的预测寿命相差较大，原因为模型本身的误差和局限性、工程算例本身信息的不完善影响模型参数确定。

4)分析表明，常见的混凝土保护层厚度及水胶比的常见偏差对结构抗氯离子侵蚀耐久性能产生了极大影响。加强工程质量管理，做好细节控制，对于保障结构耐久性具有不可忽视的重要意义。

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

(责任编辑：郎伟锋)

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

何娅(1990—)，女，四川自贡人，硕士研究生，主要研究方向为桥梁结构耐久性，E-mail: 419384502@qq.com.

吴海军(1975—)，男，陕西武功人，教授，主要研究方向为桥梁结构耐久性，E-mail: 583921237@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.012

TU375

A

1672-0032(2016)03-0067-06