基于表面氯离子分布的混凝土桥梁侵蚀分析

毕继红 朱秋硕 关健

（1.天津大学建筑工程学院 300072；2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学） 300072）

引言

盐雾环境下，附着在混凝土桥梁表面的氯离子会导致桥梁结构中的钢筋出现锈蚀破坏，甚至会导致桥梁结构出现耐久性失效［1］。盐雾环境混凝土结构表面的氯离子浓度受结构形状以及累积时间的影响而变化，导致盐雾环境中氯离子侵蚀过程与全浸泡环境中的侵蚀过程有很大不同。

目前，国内外很多学者针对盐雾环境下的氯离子侵蚀过程进行了研究。中南大学刘军［2］使用综合盐雾腐蚀箱模拟盐雾环境，分析氯离子在混凝土中的沉积特性。河北工业大学阎西康［3］通过盐雾试验，阐述了氯离子在混凝土内部的扩散规律。Ohta［4］通过混凝土桥梁长期的暴露试验，分析了海洋环境下的氯离子渗透过程。但以上研究都忽略了混凝土桥梁形状以及累积时间导致的表面氯离子浓度分布不均，有学者对此进行了研究。

Cosat［5］通过对盐雾区的混凝土结构进行实地检测，提出了表面氯离子浓度的时变模型。日本学者上原子晶久［6］通过数值模拟，分析了氯离子附着量与桥梁形状的关系。Chendra［7］通过风洞试验确定流场对混凝土表面氯离子附着量的影响。京都大学姜詠［8］通过试验检测和数值模拟相结合，提出了预测混凝土结构各位置的氯离子沉积量的方法。

目前针对盐雾环境下氯离子对混凝土的侵蚀作用的研究只针对氯离子的扩散过程或者表面氯离子浓度的变化，没有将两者结合起来进行分析。本文在总结前人研究基础上，对盐雾环境中桥梁各位置的氯离子侵蚀情况进行分析。首先，通过数值模拟得到混凝土桥梁表面各处的氯离子附着量；然后，基于数值模拟的结果，考虑时间累积效应，分析混凝土表面氯离子对混凝土的侵蚀作用；最后得出盐雾环境下混凝土桥梁各部分的钢筋锈蚀情况。可为今后国内相关研究的开展提供有价值的借鉴。

1 氯离子附着量计算

1.1 颗粒的简化与假设

盐雾环境中的氯离子颗粒是一种复杂的混合物质，本文将氯离子颗粒做以下简化：

（1）假设颗粒为均匀的球形颗粒；

（2）假设颗粒到达壁面即附着，不考虑颗粒的反弹；

（3）由于颗粒密度远大于流体密度，故忽略次要力，只考虑颗粒的重力、拖曳力以及Saffman升力。

1.2 模型建立

1.几何模型

图1为桥体模型，图1a为桥体断面尺寸，模拟桥梁为钢筋混凝土桥，桥体总宽度为13.2m，总高度为1.28m，本文进行二维模拟，不考虑桥长的影响。

为了便于分析桥梁表面不同位置的氯离子附着情况，将桥梁各平面进行编号。如图1b所示，桥梁上表面为1号～13号；桥梁迎风面为14号～16号；桥梁下表面由于两端与中间颗粒附着量差值较大故分为3部分，分别为17号、18号、19号；桥梁背风面为20号～22号。

图2为计算领域概况，桥体下方距离水面2m。特征长度B＝1.28m，计算域总尺寸为15m×40m，长与宽均大于10B，可以避免边界的影响。

图1 桥体模型Fig.1 Bridgemodel

图2 计算域示意Fig.2 Calculation domain

2.网格划分

图3为网格划分情况，使用ICEM对模型进行网格划分，划分为六面体结构化网格，对桥梁表面网格进行加密，首层网格高度设为0.1mm，加密区网格共设置15层。

图3 CFX网格划分Fig.3 Mesh in CFX

3.材料属性

表1为计算所用的材料属性。空气选用CFX内置材料参数，颗粒的材料属性根据参考文献［9，10］确定。

4.边界条件

计算模型的边界按图2中标注区分，边界a为入口边界，采用笛卡尔速度边界条件，Vx＝3m／s，Vy＝0；边界b、c为出口边界，采用压强出口，相对压强为0；边界d和桥梁表面为壁面边界，均采用无滑移边界条件；垂直纸面方向均设置为对称边界。

表1 材料属性Tab.1 Parameters ofmaterial

1.3 结果分析

1.流场分析

图4是标准工况下的风速图，图5为标准工况下的流线图。结合两图可看出，桥梁断面前缘棱角处出现速度分离现象，在桥面和底面附近的边界层速度较小，数值均在2m／s以下；远离桥面和底面的外部流动区风速最大，达到了4.3m／s；背风面的速度较小，在1m／s以下，并出现了尾部涡流，远离涡流处尾流变窄，风速又开始增大；在桥底部靠近迎风侧和桥上部有路肩遮挡处出现了速度涡流。

图4 风速图Fig.4 Velocity of air

图5 流线图Fig.5 Streamline of air

2.氯离子附着量分析

图6为标准工况下桥梁平面氯离子附着量，横轴表示桥梁各平面位置的编号，纵轴为对应桥梁平面处的氯离子附着量，单位 mdd（mg／dm2／day）表示各平面单位时间单位面积上的氯离子附着量。最大值出现在14号平面处为24.80mdd，最小值出现在18号平面处为1.76×10-3mdd；由图6可以看出，桥梁不同位置处的颗粒附着量差别很大。

图6 桥梁平面颗粒附着量Fig.6 Particle adhesion amounts on bridge surfaces

根据平面位置的不同，将桥梁平面分为如图7所示的四部分，并针对各平面的氯离子附着量进行具体分析。

由图7a可知14号平面因处在桥体迎风侧，故氯离子附着量最大；15号、16号平面处于桥梁前缘的速度分离区，20号、22号平面位于背风面的尾部涡流区，此处的垂直速度分量均较低，故氯离子附着量较小。

由图7b可知3号、7号、11号三个平面的颗粒附着量明显低于其他平面，均在0.02mdd以下，因为这三个平面位于桥面处，流体受路肩的遮挡作用无法到达桥面处，故该处的氯离子附着量较低。

由图7c可知4号、8号、12号三个迎风面中，4号平面的颗粒附着量较低，因为4号平面处于桥梁前缘的速度分离区；2号、6号、10号3个背风面中，6号平面右侧没有遮挡，涡流充分发展，氯离子附着量较大。

由图7d可知18号平面氯离子附着量最低，此处为桥体下表面，颗粒受重力作用远离壁面；17号平面处于桥底部涡流区，而19号平面处于桥梁尾部，速度在此处明显加快，所以氯离子附着量较大。

图7 桥梁局部平面颗粒附着量Fig.7 Bridge adhesion amounts on local bridge surfaces

氯离子扩散通量W是确定混凝土内部氯离子浓度的重要参数。本文在计算混凝土中的氯离子渗透过程时考虑表面氯离子的时间累积作用［12］，计算公式为：

式中：C（x，t）为暴露时间为t时，距暴露面距离为x处的氯离子浓度；D为氯离子扩散系数；erf为误差函数；x为距暴露面的距离；t为暴露时间。

式（2）中的氯离子扩散系数D受多种因素的影响，本文在进行氯离子侵蚀计算时所用的扩散系数依据经验公式求得。采用日本LECCA软件提出的扩散系数计算公式，当混凝土中水泥成分为普通硅酸盐水泥时，氯离子扩散系数为：

由式（1）、式（2）、式（3）可以看出，氯离子侵蚀过程以及计算参数受混凝土材料属性的影响，本文计算采用的材料属性见表2。

2 氯离子侵蚀分析

2.1 侵蚀计算参数

基于上节对桥梁表面氯离子附着量的分析，可得到混凝土表面的氯离子附着量Q，从而推算出桥体表面的氯离子扩散通量W值，计算公式由日本学者山田義智［11］提出：

式中：W为混凝土表面的氯离子扩散通量（mg／cm2·年）；m为面积饱和率（＝（0.526w／c-7.61）／57.4），w／c为混凝土材料的水灰比；k为比例系数；V0为单位时间的氯离子脱离量（mg／cm2·年）；Q为氯离子附着量（mg／cm2·年）。

表2 混凝土材料属性Tab.2 Properties of concretematerials

2.2 结果分析

本文选取迎风面14号平面和背风面22号平面进行具体分析，确定混凝土内部氯离子浓度随距暴露面的距离以及暴露时间的关系。并计算桥体各位置处的钢筋发生锈蚀的时间。

1.氯离子渗透分析

图8为混凝土中氯离子浓度与距暴露面距离和暴露时间的关系，暴露时间为t＝0.5年、1年、1.5年，每隔Δx＝5mm计算一次氯离子浓度，距离限制设为xmax＝60mm，即钢筋表面处。

由图8a和图8b对比来看，桥体不同位置处的氯离子侵蚀程度各不相同，同一深度处的氯离子浓度随表面氯离子附着量的增大而增大；混凝土中氯离子的渗透深度随暴露时间的延长而逐渐加深，对于14号平面，暴露时间为0.5年，侵蚀深度达25mm，而当暴露时间达1.5年时，侵蚀深度为35mm；同时氯离子浓度随距暴露面距离的增加而逐渐减小，并且随深度的增加，氯离子浓度衰减曲线也逐渐平缓。可见加大混凝土保护层的厚度可以有效减缓钢筋的锈蚀程度。

图8 氯离子浓度-深度图Fig.8 Chloride ion concentration-depth

2.钢筋锈蚀分析

图9为钢筋表面氯离子浓度随时间变化关系，计算位置距暴露面x＝60mm（即钢筋表面处），计算时间间隔Δt＝0.25年。

由图9中的临界浓度指当钢筋表面处的氯离子浓度达到此值时，钢筋开始锈蚀。本文采用日本土木学会认证标准里钢筋锈蚀氯离子临界浓度的推荐值，数值为1.2kg／m3。

由图9可以看出，桥体迎风面和背风面处钢筋的锈蚀发生时间差距较大，主要是桥体形状导致迎风面氯离子附着量远大于背风面，使得迎风面的钢筋先发生锈蚀。由图9可得出，桥体迎风面在暴露6.5年后就出现钢筋锈蚀现象，此时桥体背风面钢筋处的氯离子浓度仅为0.45kg／m3，背风面直到暴露第10年才出现钢筋锈蚀现象。

图9 氯离子浓度-时间图Fig.9 Chloride ion concentration-time

盐雾区的混凝土受氯离子侵蚀程度受暴露时间的影响较大，在暴露初期，氯离子还未渗透到钢筋表面，随着时间的延长，钢筋处的氯离子浓度逐渐增大至钢筋的锈蚀临界浓度；且钢筋处氯离子浓度的增长速率随表面氯离子附着量的增大而增大。

现将桥体各位置的钢筋侵蚀发生时间列入表3进行对比分析，其中（／）表示在设计使用年限50年内不会发生破坏。

表3 钢筋锈蚀发生时间（单位：年）Tab.3 Corrosion time of steel reinforcement（unit：a）

由表3可以看出，桥体各位置处的钢筋锈蚀发生时间有较大的差别，且当混凝土材质一致时，锈蚀发生时间随表面的氯离子附着量的增大而提前。钢筋锈蚀发生时间较早的是1号、8号、12号、14号、17号以及19号平面，在氯离子附着的第6.5年至第7.5年间开始出现钢筋锈蚀现象，其中桥体迎风面的14号平面最早出现钢筋锈蚀，对比图7可发现，混凝土表面氯离子附着量越大的位置，越早出现钢筋锈蚀现象。下表面18号平面以及背风侧21号平面在使用年限内较为安全。桥体上表面的桥面处3号、7号、11号平面在盐雾作用下基本不会产生钢筋锈蚀现象，但是在桥梁实际使用过程中由于除冰盐的使用，导致桥面也会出现钢筋锈蚀破坏。

3 结论

本文通过使用CFX软件对盐雾环境下桥梁表面氯离子颗粒附着情况进行模拟，并通过优化Fick第二定律计算桥体各位置的氯离子侵蚀程度。得到以下结论：

1.盐雾环境下，桥体形状对桥体表面的氯离子附着量分布有显著影响。受路肩遮挡的桥面位置氯离子附着量要明显低于其他位置。

2.桥体迎风侧的氯离子附着量远高于背风面。桥体迎风面的氯离子附着量为24.82mg／dm2／day，而背风面氯离子附着量仅为 1.52mg／dm2／day。

3.盐雾环境下，混凝土中的氯离子浓度随时间的增长而逐渐加大，增长速率越来越快；随深度的增加而逐渐减小，衰减曲线逐渐平缓。

4.桥体不同位置处的钢筋锈蚀发生时间差距较大，桥体迎风面在氯离子附着开始第6.5年出现钢筋锈蚀现象，桥体背风面在氯离子附着开始后第10年才出现钢筋锈蚀现象。

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