盐冻融环境下钢筋混凝土结构锈蚀寿命预测

2019-05-30彭艳周

水利水电科技进展 2019年3期

彭艳周,高军,徐港,李想

(1.三峡大学湖北省防灾减灾重点实验室,湖北宜昌 443002; 2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002)

氯离子侵蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要原因,当氯离子传输到钢筋表面并累积到一定浓度时会引起钢筋锈蚀,从而缩短结构的服役寿命。近年来,国内外学者围绕氯盐环境下钢筋混凝土结构锈蚀寿命预测进行了较为深入的研究,重点探究了不同干湿环境下混凝土中氯离子的传输模型[1-5]、不同因素对混凝土中氯离子扩散系数取值的影响[6-10]、混凝土表面氯离子浓度(本文浓度均指质量分数)的演化特征[11-13]、钢筋锈蚀时临界氯离子浓度的变化规律[14-15]等。但已有成果主要集中于正温环境,对冻融等正负变温环境下混凝土中氯盐传输特性的研究较少,更鲜有考虑到混凝土受冻融损伤后其氯离子扩散系数沿冻融损伤深度方向的变化以及低温对氯离子在混凝土中的传输的抑制作用[16]等特征。此外,相关研究常以混凝土保护层深度处氯离子浓度达到临界氯离子浓度来预测钢筋起锈时间,未考虑氯离子传输至钢筋表面扩散受阻引起的累积效应导致钢筋起锈时间提早。为此,本文在已有研究成果的基础上,基于Fick第二定律对氯离子扩散系数进行修正,构建了冻融环境下混凝土内综合考虑时间、温度、湿度、氯离子结合和冻融损伤效应的氯离子传输模型。结合工程实例,借助多物理场耦合软件Comsol Multiphysics建立仿真模型,数值分析了盐冻融环境下是否考虑混凝土冻融损伤对钢筋发生锈蚀年限的影响,并探讨了混凝土构件中不同位置钢筋表面氯离子浓度的分布情况和起锈时间的差异。

1 氯离子传输模型

当环境中的氯离子入侵到混凝土内部时,一部分氯离子与水泥水化产物发生反应,生成Friedel盐,即所谓的化学结合,或吸附在C-S-H凝胶表面和凝胶孔壁的物理结合,这部分氯离子称为结合氯离子;另一部分可以自由向混凝土内部扩散，称为自由氯离子。结合氯离子与自由氯离子的总和称为总氯离子,其中只有自由氯离子会对钢筋造成腐蚀。基于Fick第二定律,采用Langmuir结合模型[17]考虑结合作用的氯离子扩散方程为

(1)

式中:Cf为自由氯离子浓度;D为混凝土氯离子扩散系数;t为时间;α和β为Langmuir结合常数,与混凝土胶凝材料种类有关。Ishida等[18]基于实验数据取β=4.0,并分别给出了适用于普通混凝土、掺矿渣和粉煤灰混凝土的α值：

α=11.8

(2)

α=-34.0b2+23.3b+11.8 (0≤b≤0.6)

(3)

α=-15.5f2+1.8f+11.8 (0≤f≤0.4) (4)

式中:b、f分别为矿渣和粉煤灰质量占胶凝材料总质量的比例,0≤b<1,0≤f<1。

1.1 扩散系数修正

1.1.1混凝土龄期对氯离子扩散系数的影响

混凝土水化是一个缓慢的过程,随着水化的缓慢进行,混凝土的孔结构会得到逐步改善,从而使得氯离子扩散系数逐渐减小。根据Kwon等[19]的试验研究,混凝土龄期tc对氯离子扩散系数的影响可表示为

(5)

式中:tref为参考时间,通常取28 d;tR为氯离子扩散系数变为常数的时间,该时间通常取30 a;m为描述氯离子扩散系数随时间衰减的系数。美国Life-365标准设计程序[20]给出了掺有粉煤灰和矿渣混凝土的氯离子扩散系数随时间衰减系数:

(6)

1.1.2温度对氯离子扩散系数的影响

根据Arrhenius法则,Mangat等[21]给出了环境温度对氯离子扩散系数影响的表达式:

(7)

式中:U为扩散过程活化能，kJ/mol;R为理想气体常数，取值为8.314 J/(mol·K);Tref为环境参考温度,取值为293 K;T为环境实际温度，K。

1.1.3相对湿度对氯离子扩散系数的影响

Xi等[1]建立了相对湿度对氯离子扩散系数影响模型:

(8)

式中:H为混凝土所处环境实际相对湿度;HC为混凝土所处环境临界相对湿度,一般取HC=0.75。

1.1.4冻融损伤对氯离子扩散系数的影响

在冻融循环作用下,混凝土中孔隙水因受冻而膨胀,并使混凝土内部产生拉应力,进一步混凝土内部产生微裂缝,导致混凝土渗透性增加。综合考虑国内外相关研究[22]分析得出冻融损伤对混凝土氯离子扩散系数的影响如下:

(9)

式中:N为冻融循环次数;a为试验拟合系数,其取值与水胶比和胶凝材料种类有关,范围为0.011～0.027[22-24]。

北方冻融环境下混凝土年均自然冻融损伤程度约相当于k次室内快速冻融循环造成的混凝土劣化,则式(9)可换算为关于时间的变量:

(10)

式中:k为混凝土年均自然冻融循环等效成室内快速冻融循环的次数。

1.1.5修正的氯离子扩散系数

考虑时间、温度、湿度及冻融损伤的混凝土氯离子扩散系数为

D=D28f1(tc)f2(T)f3(H)f4(N)

(11)

式中:D28为养护龄期为28 d混凝土氯离子扩散系数。Petcherdchoo[25]根据试验数据进行回归分析得出掺有粉煤灰混凝土D28表达式:

式中:W/B为混凝土水胶比。

1.2 冻融损伤区扩散系数

常规氯离子扩散系数是综合考虑混凝土一定厚度范围内扩散系数的平均值,而混凝土结构发生冻融损伤时,往往由表及里逐渐发展,结构表面损伤程度最为严重,向内延伸发展时损伤程度逐渐减弱[26],因此混凝土发生冻融损伤后由于内外部损伤程度不同,冻融损伤厚度范围内沿冻融损伤深度方向其扩散系数是逐渐减小的。

为保证扩散系数在冻融损伤区和未冻融损伤区界面处的连续性,不妨将式(11)算得的扩散系数设为混凝土最外层扩散系数,将不考虑冻融损伤算得的扩散系数设为两区交界处的扩散系数。假设在冻融损伤区沿厚度方向,D变化遵循指数函数关系:

D=D28f1(tc)f2(T)f3(H)f4(N)epd

(13)

式中:d为冻融损伤厚度,mm;p为氯离子扩散系数沿冻融损伤厚度方向衰减系数,其值可通过将混凝土最外层氯离子扩散系数和两区交界处扩散系数代入式(13)得到。

未冻融损伤区可认为D沿混凝土厚度方向不变：

D=D28f1(tc)f2(T)f3(H)

(14)

1.3 初始条件及边界条件

氯离子二维迁移模型的初始条件及边界条件分别为

Cf(P∈Ω,t=0)=Cf0

(15)

Cf(P∈Γ1,t)=Cfb

(16)

n·(DCf(P∈Γ2,t))=0

(17)

式中:Ω表示混凝土内部区域;P为求解域中的某一点,P点的坐标为(x,y);Γ1和Γ2为混凝土边界,其中Γ1为混凝土受氯离子侵蚀边界,Γ2为无通量边界;n为沿无通量边界的方向向量;Cf0为混凝土内初始自由氯离子浓度;Cfb为暴露于氯离子环境的混凝土构件表面氯离子浓度。

2 模型验证

李金玉等[27]通过研究得出室内外冻融循环次数之间的对比关系平均为1∶12.5,即室内一次快速冻融循环相当于自然条件下12.5次冻融循环,而李晔等[28]指出天津市年均自然冻融次数为77次,由此可算出天津港码头混凝土每年等效快速冻融循环次数为6.16次。天津港码头梁板处7～8段和14～15段的混凝土(水灰比为0.5)使用年限分别为11 a和24 a[29],计算可得此两区段混凝土等效快速冻融循环次数分别为67.76次和147.84次。张云清等[30]的研究表明,水胶比为0.5的混凝土在盐冻融循环220次后冻融损伤厚度约为33 mm。假设盐冻融损伤厚度与冻融循环次数呈线性关系,推算可知,该码头两区段混凝土盐冻融损伤厚度分别约为10 mm和22 mm。

基于以上现场实测及试验数据,采用有限元软件Comsol Multiphysics构建模型进行仿真分析,图1为天津港码头混凝土试件中氯离子浓度的实测值和仿真值随侵蚀深度的分布。由图1可见,模型计算值与实测值吻合程度较好,表明所建立的模型可用于对氯离子传输的预测。

图1 两区段氯离子浓度分布

3 模型应用

图2 冻融环境下氯离子二维迁移示意图

青岛海湾大桥横跨胶州湾,为我国首座冰冻海域特大型桥梁。青岛海湾大桥桥墩混凝土水胶比为0.34,保护层厚度为50 mm。张峰等[31]通过研究得出青岛海湾大桥桥墩混凝土每年所遭受自然冻融循环次数相当于3.76次室内快速冻融循,贾超等[32]预测大桥运营100 a后混凝土冻融损伤厚度为37 mm。图2为盐冻融环境下钢筋混凝土构件二维受蚀示意图,图中带有箭头的3个界面为混凝土受氯离子侵蚀边界,路径1和2分别表示混凝土受一维和二维侵蚀。采用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics建立盐冻融环境下钢筋混凝土构件二维受蚀模型,设置直径为16 mm的角区和非角区钢筋,保护层设置为50 mm,混凝土每年遭受冻融损伤厚度为0.37 mm,表面氯离子浓度取0.7%,导致钢筋锈蚀的临界氯离子浓度取为0.1%[14]。采用自由三角形网格对模型进行单元划分,将钢筋与混凝土界面处的网格进行加密处理,模型最大单元尺寸为1.95 mm,最小单元尺寸为0.025 mm。

图3显示了不同侵蚀年限沿路径1和路径2氯离子浓度分布,同一深度处,角区混凝土氯离子累积浓度比非角区高,这主要是因为构件边角部位会受到两个方向的氯离子侵蚀,发生二维扩散作用。冻融损伤区氯离子浓度随着深度的增加缓慢减小,之后到达非冻融损伤区,氯离子浓度随着深度的增加迅速下降。这是因为经过冻融损伤后混凝土材料劣化,在冻融损伤区氯离子扩散系数相对于未冻融损伤区大,氯离子在冻融损伤区传输速度相对要快。

图3 不同侵蚀年限沿不同侵蚀路径氯离子浓度分布

经过100 a氯离子侵蚀作用,构件中氯离子浓度分布见图4。由图4可见,钢筋对氯离子的传输具有明显的阻滞效应,氯离子在靠近保护层一侧的钢筋表面累积,而远离保护层一侧钢筋表面会出现浓度迟滞现象。按构件内是否设置钢筋两种情形,分别取相同位置处,即沿真实(或假想)钢筋表面圆周区域取混凝土内的氯离子累积浓度进行对比分析,如图5所示(横轴0度指的是钢筋离混凝土侧表面最近处,并沿混凝土上表面方向展开),可知钢筋存在与否,同一深度处氯离子浓度差异较大,钢筋的阻滞效应显著,如不考虑将导致计算浓度偏小,使寿命预测偏于不安全。

图4 服役100 a构件内氯离子浓度分布

图5 服役100 a钢筋表面氯离子浓度

图6 不同服役时间钢筋表面氯离子浓度极坐标分布

如图6显示了服役60 a、70 a、80 a、和90 a的角区和非角区钢筋表面氯离子浓度分布。由图6可见,角区较非角区钢筋表面氯离子浓度峰值更高,且角区和非角区钢筋表面氯离子浓度峰值随侵蚀时间延长而增大;非角区钢筋表面的氯离子浓度分布较为稳定,总体呈椭圆形,浓度峰值始终保持在距构件表面最近处;而角区钢筋表面氯离子浓度的分布却是随时间变化的,早期近似呈心形,即浓度峰值在钢筋距构件正、侧表面最近处,后期浓度峰值逐渐转移至对角区域,总体分布形状呈斜向椭圆形。

其他条件相同,将考虑和不考虑冻融损伤计算的服役年限进行了对比,见图7。由图7可见,当不考虑冻融损伤的影响,青岛海湾大桥桥墩混凝土角区钢筋和非角区钢筋表面氯离子浓度峰值Cfmax分别在132 a和157 a达到钢筋锈蚀的临界氯离子浓度;当考虑冻融损伤的影响,角区钢筋和非角区钢筋分别在82.5 a和86.8 a达到钢筋锈蚀的临界氯离子浓度,可见两者结果差异较大。因此对于北方寒冷海洋环境钢筋混凝土结构锈蚀寿命预测,冻融损伤是十分重要的影响因素,不可忽略。