高性能混凝土结构在热带海洋环境下的服役寿命

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(南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016)

1 前 言

在20世纪90年代初，国际土木工程界提出了高性能混凝土的概念，但对高性能混凝土的定义还没有统一[1]。我国在《高性能混凝土应用技术规程》(CECS207-2006)中对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。

目前，很多大型工程都开始用高性能混凝土来代替普通混凝土。例如日本的明石大桥[2]，耐久性设计要求120年，桥墩混凝土采用免振自密实混凝土，桥面及梁采用泵送高性能混凝土。我国在2008年建成的苏通大桥主塔高达300.4m，为解决主塔混凝土的浇筑及耐久性问题，最终采用添加了高效减水剂及优质粉煤灰的高性能混凝土，大幅度提高了混凝土的强度及可泵性[3]。

随着混凝土科学的发展，研究的重点逐渐转移到高性能混凝土的耐久性问题[4]。对于一般海洋环境下普通混凝土的耐久性问题，王元战等在海洋盐雾环境下，开展不同荷载水平作用下混凝土氯离子扩散试验，以此来总结混凝土中氯离子扩散规律，为预测受荷混凝土的使用寿命提供参考。刘志勇[5]、赵尚传等[6]、薛鹏飞等[7]通过对沿海实际工程的检测，综合考虑一些因素的影响，分别运用蒙特卡洛法、钢筋表面氯离子浓度预测及Fick定律来对混凝土的使用寿命进行预测。目前，高性能混凝土在热带海洋环境下的应用情况除了一些在北海25年海上平台上的应用记录外，超过5～10年的跟踪实验记录非常少。所以预测高性能混凝土在这种恶劣环境下的使用寿命非常困难[8]。本文尝试将高性能混凝土用于热带海洋环境的长寿命设计问题，运用可靠度理论进行分析与探讨。

2 理论及寿命分析模型

2.1 海洋环境下混凝土结构的氯离子扩散理论

2.1.1混凝土氯离子扩散的Fick第二定律 根据1997年Hooton等[9]的研究，氯离子进入暴露在氯盐环境下的混凝土内部至少有6种机制。分别为吸附、扩散、结合、渗透、毛细作用以及弥散等。其中，最主要的方式是扩散、渗透和毛细作用。一般情况下为了简单起见，将混凝土中氯离子的各种迁移机制统称为“表观扩散”。将Fick第二定律作为描述氯离子在混凝土中表观扩散行为的基础是1970年由Collepardi等[10,11]提出的。基本假设有以下5条：(1)混凝土结构为一维半无限大结构；(2)混凝土为均质材料；(3)氯离子扩散是一维的，并且扩散系数不随龄期变化；(4)氯离子与混凝土不会吸附或者发生化学反应；(5)混凝土表面的氯离子浓度不会随时间的变化而变化。根据这些假设，得到Fick第二定律的扩散方程为：

(1)

以上所述的Fick第二定律并没有考虑混凝土服役的实际条件：混凝土的氯离子结合能力及氯离子扩散系数的时间依赖性、表面氯离子含量的时间依赖性以及混凝土在使用过程中的劣化效应。

1999年，Mangat等[12]发现，对于实际条件的混凝土结构，混凝土的氯离子扩散系数与暴露时间有关。同一年Thomas等[13]用式(2)表示了氯离子扩散系数的时间依赖性：

(2)

1998年Amey等[14]发现混凝土表面的氯离子含量随暴露时间而变化，并推导出了在线性关系Cs=kt和幂函数关系Cs=kt1/2(k为常数)条件下的离子扩散模型公式。2002年Kassir等[15]由实验得出混凝土暴露表面的氯离子含量与时间的指数关系：

Cs=Cs0(1-e-at)

由于混凝土的非均质性，使其在制造和使用的过程中一旦内部产生微裂纹等结构损伤，必定会加速混凝土中氯离子的扩散，因此，余红发等[16]在理论建模时，为了描述各种因素对氯离子扩散作用的影响，采用了一个综合劣化效用系数K，那么非均匀性混凝土的等效氯离子扩散系数De可表示如下：

Df=De=KDt

(3)

混凝土的氯离子结合能力R是1994年由Nilsson等[17]定义的：

(4)

Tuutti[18]、Arya等[19]和余红发[16]进一步研究表明，混凝土的氯离子吸附关系主要为线性吸附：

cb=Rcf

(5)

2.1.2混凝土氯离子扩散新方程 余红发等[16]基于混凝土服役的实际情况，借助文献[20-21]，经过严格的推导，得出了同时考虑混凝土氯离子的结合能力、扩散系数随时间的变化以及结构缺陷影响的氯离子扩散新方程[16]：

(6)

再结合前面所述的初始以及边界条件，可以得到氯离子扩散的理论模型如下：

(7)

2.1.3二维氯离子扩散理论齐次模型 上述的氯离子扩散理论模型是基于半无限大体的一维扩散问题，但是在实际的钢筋混凝土结构工程中如梁柱等是二维扩散问题。余红发等[22]以混凝土扩散新方程为基础，基于1/4无限大的混凝土结构来研究二维扩散问题。扩散方程如下：

(8)

将此时的边界条件齐次化，再根据Newman乘积解定理[23]，同时考虑混凝土氯离子的结合能力、扩散系数随时间的变化以及结构缺陷影响，可以得到二维1/4无限大体氯离子扩散理论齐次模型[22]如下：

cf=c0+(cs-c0)·

(9)

2.2 基于可靠度与氯离子扩散理论的钢筋混凝土结构服役寿命分析方法

对于常数边界条件的修正的氯离子扩散模型，用其进行钢筋混凝土结构服役寿命的可靠度分析时，抗力是钢筋锈蚀的临界氯离子含量(Ccr)，荷载效应是扩散作用导致钢筋表面(混凝土保护层厚度x0)的自由氯离子含量(cf)，因此建立功能函数Z=ccr-cf。

当混凝土内部钢筋表面(混凝土保护层厚度x0)的自由氯离子含量(cf)达到临界氯离子含量(即ccr≤cf)时，导致混凝土中钢筋锈蚀概率pf=Φ(-β)。然后可计算出可靠度指标。

3 高性能混凝土结构在热带海洋环境下的服役寿命分析

3.1 高性能混凝土结构与普通混凝土结构的服役时间比较

本文主要对普通混凝土F0及高性能混凝土S60、S30在相同初始条件下进行可靠度分析研究。三种混凝土的配合比如表1。通过实验室所得到的数据[24](如表2所示)，得到的结果如图1所示。其中，混凝土保护层厚度为65mm。且由于实验得到的数据是在20℃时所测，南海年平均温度在29℃左右，温度会影响氯离子扩散系数，所以需要通过计算得到南海环境下氯离子扩散系数。Stephen等[25]对扩散系数随温度变化建立了如下关系：

(10)

式中，D是温度T(K)时的氯离子扩散系数；D0是温度T0(K)时的氯离子扩散系数；q 是活化常数，与水灰比有关：当mw/mc=0.4时，q=6000K；当mw/mc=0.5时，q=5450K；当mw/mc=0.6时，q=3850K。

图1 混凝土结构使用普通混凝土与高性能混凝土可靠度分析比较 (a) 钢筋锈蚀概率比较； (b) 可靠度指标比较Fig.1 Reliability analysis of structures with ordinary concrete and high performance concrete(a) Corrosion probability of steel; (b) Reliability index

No．W/BMassofthemixtureinperunit/kg·m-3CementFASGFineaggregateCoarseaggregateWaterWater⁃reducingadmixtureAirentrainingagentF003450000657116816856004S30029270108108610113417239004S6003220003006571168160545004

表2 实验室实测数据

从图1可以看出，当钢筋锈蚀概率为5%时，普通混凝土F0的服役时间为1～2年，而高性能混凝土S60的服役时间为19年，S30的服役时间为29年。在钢筋锈蚀概率为10%时，F0与S60、S30的服役时间分别为3年、30年和39年。由此，在热带海洋环境条件下，使用高性能混凝土能大幅延长结构的服役时间，但是，保护层厚度仅为65mm时是不能确保50年寿命的。

3.2 热带海洋环境下高性能混凝土结构的保护层厚度分析

《水运工程混凝土施工规范》(JTS 202-2011)中规定，即使是使用高性能混凝土的浪溅区结构，其最小

保护层厚度为65mm。由图1的计算结果可得，当混凝土的保护层厚度为65mm时，钢筋锈蚀概率为5%时结构的服役寿命为20年左右，需要重新确定最小保护层厚度。

对高性能混凝土S60在相同环境相同初始条件下选用不同的保护层厚度，分别取65、70、75、80和85mm进行可靠度分析，结果如图2所示。

图2 高性能混凝土S60在热带海洋环境下不同保护层厚度的可靠度分析 (a) 不同厚度时的钢筋锈蚀概率； (b) 不同厚度时的可靠度指标Fig.2 Reliability analysis of different thickness covers of high performance concrete(S60) under tropical marine environment(a) Corrosion probability of steel in different thickness; (b) Reliability index in different thickness

从图中可以看出，钢筋锈蚀概率为5%时5种不同厚度保护层时混凝土结构的服役时间分别为2、33、55、80和114年。故此高性能混凝土在热带海洋环境下要满足50年的寿命要求时，结构的最小保护层厚度选择75mm比较合适。如果某些建筑物需要寿命达到100年时，最小保护层厚度为85mm。

3.3 附加防护措施对一维高性能混凝土结构服役寿命的影响

由图1可得，保护层厚度为65mm不能满足50年的寿命要求，故考虑在不改变混凝土保护层厚度的情况下，施加附加防护措施。附加防护措施有使用不锈钢筋、结构表面涂覆硅烷、使用阻锈剂等等。研究表明，304奥氏体不锈钢筋在表面氯离子含量达到混凝土质量的0.7%时才有可能发生锈蚀[26]。表面涂覆硅烷可以防止硫酸根离子、氯离子等有害物质渗入混凝土内部。实验证明，涂覆硅烷渗透深度达到0.5～2mm以后，自由氯离子扩散系数至少会降低30%，表面自由氯离子含量至少会降低50%[27]。掺加阻锈剂会使钢筋发生锈蚀的混凝土临界自由氯离子含量提高4～5倍，但由于阻锈剂一般是无机盐，会由于浓度差导致部分流失[28]。基于实测数据及以上实验和研究的结论，得到如图3所示的结果。

根据图3所示，高性能混凝土结构在使用不锈钢筋、表面涂覆硅烷以及使用阻锈剂时钢筋锈蚀概率为5%时的服役寿命分别为超过200年、200年左右和110年。由此我们可以得到，以上三种附加措施都能使高性能混凝土满足50年的寿命要求。比较这三种方法，当结构仅需要满足50年寿命要求时，三种方法效果几乎没有差别，考虑到成本及实际施工的简易，推荐使用阻锈剂。

3.4 施加附加措施对二维高性能混凝土结构服役寿命的影响

图4是结合实验室数据以及二维扩散理论模型对采用不锈钢筋、使用硅烷涂层、使用阻锈剂三种情况下的可靠度分析比较。

从图中可以看出，对高性能混凝土框架柱施加附加措施都能延长其服役寿命。且使用不锈钢筋的效果最好。若结构只需要保证50年的使用寿命要求，采用不锈钢筋与使用阻锈剂都有非常好的效果。从经济角度考虑优先选用阻锈剂。若结构有100年的使用寿命要求，在钢筋起锈概率不大于5%的情况下，只有使用不锈钢筋才能满足要求。

4 结 论

1.使用高性能混凝土能大幅延长热带海洋环境下混凝土结构的服役寿命；

图3 在分别采用不锈钢筋、使用硅烷涂层、使用阻锈剂三种情况下一维高性能混凝土结构的服役寿命比较(保护层厚度为65mm)(a) 不同附加条件时钢筋锈蚀概率比较； (b) 不同附加条件时可靠度指标比较Fig.3 Corrosion probability of steel and reliability index of high performance concrete slab using stainless steel bars, silane coating or corrosion inhibitor (The thickness of cover is 65mm) (a) corrosion probability of steel in different additional conditions; (b) reliability index in different additional conditions

图4 在分别采用不锈钢筋、使用硅烷涂层、使用阻锈剂三种情况下二维高性能混凝土结构的服役寿命比较(保护层厚度为30mm)(a) 不同附加条件时钢筋锈蚀概率比较； (b) 不同附加条件时可靠度指标比较Fig.4 Corrosion probability of steel and reliability index of high performance concrete columns using stainless steel bars, silane coating or corrosion inhibitor (The thickness of cover is 30mm) (a) corrosion probability of steel in different additional conditions; (b) reliability index in different additional conditions

2.对高性能混凝土结构施加附加措施，都能使结构达到50年的寿命要求，其中最有效的是使用不锈钢筋，最经济的是在结构表面涂覆硅烷。

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