抗氯离子侵蚀耐久寿命实用预测方法

包启航

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京210014）

0 引言

由于道路化冰盐的使用，我国北方区域混凝土结构工程会因氯盐引起钢筋锈蚀，目前普遍认为,氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是结构耐久性失效的主要原因之一[1]。

关于混凝土耐久性寿命，国内外相关专家都有不同定义。Rostam认为，几乎所有的混凝土劣化过程都经过两个阶段：初始阶段和扩展阶段[2]。在初始阶段，没有显著的材料弱化或结构功能退化现象出现，但某些保护层被侵蚀介质破坏；而在扩展阶段，将出现主动性的损伤并加速发展,如钢筋腐蚀。也有学者认为：只要混凝土内部的氯离子达到一定浓度，同时其他条件具备（主要是维持钢筋锈蚀反应的水和氧气都能保证供应）就将导致钢筋锈蚀，此时即可认为结构寿命终结[3]。

我国相关规范（GB/T 50576-2010）规定：混凝土结构构件的耐久性极限状态可分为以下三种，（1）钢筋开始发生锈蚀的极限状态；（2）钢筋发生适量锈蚀的极限状态；（3）混凝土表面发生轻微损伤的极限状态。

本文主要以状态（1）即：钢筋开始发生锈蚀的极限状态为混凝土耐久性寿命指标。该标准可定义为氯离子侵入混凝土内部并在钢筋表面累计的浓度达到临界浓度。

1 氯离子扩散深度预测模型

通常认为氯离子在混凝土中的扩散遵循Fick定律，国内外众多学者在该定律基础上提出了相应的预测模型，现经过比选采用了基于Fick第二扩散定律的余红发模型[4]：

式中：c为混凝土保护层厚度；K为氯离子扩散性能的劣化效应系数；R为混凝土的氯离子结合能力；m为氯离子扩散系数时间依赖性常数；T为混凝土实际温度；D0为温度T0时混凝土28 d扩散系数。

2 氯离子扩散深度模型主要参数分析

2.1 氯离子初始浓度C0

混凝土中氯离子主要由两部分组成：一部分是由拌和水、水泥、细骨料、粗骨料、矿物掺合料，以及各种外加剂等混凝土组成材料带进混凝土内部的氯离子；一部分是通过混凝土保护层由外界环境渗透进入混凝土内部的氯离子。因此，为保证混凝土的耐久性，应根据结构类型、防护等级，以及服役环境条件等对混凝土拌和物中由各种原材料引入的氯离子总量，即氯离子初始浓度加以限制。

我国桥涵设计规范（JTG D62-2016）针对预应力混凝土和钢筋混凝土，分别规定了混凝土拌和物中氯离子含量的最高限值为0.06%和0.1%。现对预应力混凝土构件氯离子初始浓度取C0≤0.06%；对钢筋混凝土构件取C0≤0.1%。

2.2 氯离子扩散系数D

氯离子扩散系数是用来反映混凝土对外界环境中氯离子侵蚀抵抗能力的参数。氯离子在混凝土中的扩散系数不是一个常数，受到诸多因素的影响，如湿度、温度、胶凝材料用量、骨料级配、外加剂种类和掺量等因素的影响。

2.3 结构表面氯离子浓度C s

桥梁混凝土结构表面氯离子浓度的大小与桥梁运营环境有很大的关系。不同桥梁结构部位氯离子浓度也有所不同，直接接触盐溶液的构件，如主梁、防撞墙等，由于积水不能及时排除，长时间接触盐溶液，氯离子浓度较高。而不直接接触盐溶液构件，如墩柱等，氯离子浓度则相对较低。

经过相当长时间的使用后，构件表面基本达到氯离子饱和，在稳定的使用环境中，不会发生太大的变化，因此可以假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定。而由于对流区的存在，实际调查的氯离子表面浓度会相对较低，故混凝土结构表面氯离子浓度可通过对氯离子分布曲线反推而得。通过对不同浓度的氯化钠溶液中混凝土长时间浸泡循环得到的表面氯离子浓度，可以建立外部腐蚀介质与混凝土表面层氯离子浓度的关系[5]：

式中：f为腐蚀溶液中氯离子浓度，g/L。

通过对实桥调查数据的拟合，直接接触盐浓度构件氯离子浓度在0.602%~2.965%之间，拟取1%~3%；而不直接接触盐溶液构件氯离子浓度在0.524%~2.159%之间，拟取0.6%~2.2%。

2.4 氯离子临界浓度C cr

当钢筋钝化膜被破坏时，钢筋周围混凝土中游离氯离子的最高浓度，可称为混凝土中氯离子临界浓度。但事实上，氯离子临界浓度并不是一个定值，它受混凝土中碱含量、水泥品种、温度、湿度等多种因素影响，不同环境下氯离子临界浓度并不一致。Glass[6]总结了前人的研究成果，发现该数值分布范围较广，以氯离子含量占水泥用量的百分比表示，从0.17%到2.5%[6]。现结合辽宁地区实际情况及相关文献，参考英国标准，取Ccr=0.3%（水溶性氯离子占胶凝材料用量的百分比）[7]。

2.5 盐冻后混凝土劣化

冻融循环作用不仅会造成混凝土构件表面剥落，而且会导致混凝土内部劣化，使得氯离子的侵入加速，从而导致混凝土中的钢筋附近的氯离子浓度过早到达临界浓度，进而导致构件承载能力下降，结构安全性能降低。

文献[8]通过混凝土冻融后再进行干湿循环来反推混凝土冻融后的氯离子扩散系数，得出在15~75次循环后，氯离子扩散系数增大1.17~4.28。文献[9]通过混凝土冻融后，进行RCM测试混凝土中的氯离子扩散系数，得出100次冻融循环后，C35混凝土氯离子扩散系数增大2倍，C40混凝土增大1.5倍；200次冻融循环后，C35混凝土氯离子扩散系数增大4倍，C40混凝土增大3.5倍。综上所述，拟取混凝土劣化系数：K=1~4，视实际桥梁盐冻损失程度而定。

2.6 应力水平

一般研究氯离子在混凝土中的扩散，都是处于静态非受力状态下的。实际混凝土结构都承受着持续的荷载作用，或者说混凝土结构都是存在微裂缝的。因此，研究荷载作用下，混凝土结构中的氯离子扩散，更科学和符合实际。

对此，拟采用文献[10]的拟合结果考虑荷载对氯离子扩散的影响：

（1）压应力状态下混凝土中氯离子扩散系数经验公式：

式中：D（σc）为表示压应力水平 σc情况下，混凝土中氯离子扩散系数；D0为表示无应力状况下，混凝土中氯离子扩散系数；α1、α2、α3、α4为拟合经验系数，分别为 5.96 664×10-13、-1.93 882×10-13、4.34 103×10-13、-3.89 545×10-15。

（2）拉应力状态下混凝土中氯离子扩散系数经验公式：

式中：D（σt）为表示拉应力水平σt情况下，混凝土中氯离子扩散系数；D0为表示无应力状况下，混凝土中氯离子扩散系数；β1、β2、β3、β4拟合经验系数，分别为 2.210 183×10-12、1.13 417×10-12、-8.56 355×10-12、2.682 752×10-12。

3 有限元模型及计算结果分析

3.1 算例简介

现以25 m预制小箱梁主梁为例，对其进行剩余寿命预测。主梁横截面图如图1所示，最小保护层厚度为腹板处，为40 mm；通过桥梁博士对其进行验算，正常使用极限状态下最大主拉应力为0.29 MPa。

3.2 定值计算法（一维氯离子扩散）

图1 小箱梁主梁横截面图（cm）

结合相关试验及论文，暂取桥梁结构表面氯离子浓度Cs=2.5%，初始氯离子浓度为C0=0.02%，假设采用普通混凝土，取混凝土28 d氯离子扩散系数为 D0，28=5.45×10-12m2/s，则考虑拉应力后（压应力不超过50%时，混凝土氯离子扩散系数是降低的，因此暂不考虑压应力的有利影响），28 d氯离子扩散系数为D0，28=5.996×10-12m2/s，混凝土氯离子衰减系数m=0.35，混凝土劣化系数K=1~2，混凝土的氯离子结合能力R=0.85，Ccr=0.3%，c=40mm。计算结果见表1所列。

表1 混凝土桥梁结构耐久性年限一览表

3.3 有限元模型及计算（二维氯离子扩散）

传统二维氯离子扩散方程都是基于正交坐标系求解的，对于箱梁这样不规则的结构，如采取解析方法求解不仅理论模型推导复杂，且公式繁琐，未必适用于工程实际。

对于箱梁，可能腹板和底板都有氯离子侵蚀（如图2所示），所以对于实际桥梁结构，这是个非正交二维氯离子渗透的问题，很难用解析方法进行精确求解。

本文取左下角局部区域进行有限元求解，取K=1，t=11.793 a，桥梁结构氯离子分布图如图3所示。

和一维氯离子扩散（前述定值计算法）相比，由于二维扩散的影响，左下角处钢筋浓度已达到0.35663%，已经超过了氯离子临界浓度0.3%。由此可知，一维扩散方程低估了氯离子的扩散速度，造成计算误差；因此必须考虑二维扩散对氯离子浓度的影响，二维扩散对使用寿命的影响本文建议影响因子ψ表示，即：

图2 箱梁二维氯离子扩散示意图

图3 桥梁氯离子分布图

式中：Cfem为有限元法求解得出的二维扩散下的氯离子浓度；Clin为一维理论解求解或有限元法求解得出的氯离子浓度。

定义了二维扩散影响因子后，混凝土桥梁的使用寿命可按下式计算：

式中：ttw0为二维扩散下混凝土桥梁使用寿命；tlin为一维扩散下混凝土桥梁使用寿命。

4 结论

（1）提出季冻区混凝土桥梁寿命标准，即以氯离子侵入混凝土内部并在钢筋表面累计的浓度达到临界浓度为混凝土桥梁耐久性设计指标。

表2 考虑二维扩散后的混凝土桥梁结构耐久性年限一览表

（2）提出采用有限元法对非规则角区二维氯离子扩散的求解方法并给出了计算过程。为考虑非规则截面的二维扩散对氯离子浓度的影响，定义二维扩散的影响因子。

（3）以25 m跨径的通用预应力小箱梁为例，对其进行了剩余寿命预测。由预测结果可知，混凝土结构耐久年限随着混凝土在多因素共同作用下而逐渐减小，提高混凝土保护层厚度，和采取合理的混凝土配合比，能有效提高桥梁结构耐久性年限，保证桥梁结构在设计基准期内的使用寿命。