环境与荷载耦合作用下混凝土结构耐久性劣化规律

罗 霆

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510623)

0 引言

通明海特大桥是东海岛至雷州高速公路的控制性工程，主桥为146m+338m+146m双塔三跨双索面组合梁斜拉桥，设计使用寿命100年。通明海特大桥属于特大跨海桥梁，该桥位于广东南部沿海热带海洋季风区，其所处的高温、高湿、高腐、强风环境严重影响结构耐久性，为该桥的设计提出了考验。

图1 项目线位

1 国内外研究现状

国内外专家、学者对混凝土桥梁结构在单一因素作用下的耐久性问题进行了大量研究，形成了许多学术界公认的结论和经验公式。然而现实中的桥梁结构是同时受内外荷载、温度、腐蚀等多因素作用的,国内外科研人员越来越重视荷载与环境耦合作用下的混凝土耐久性研究，形成了一系列成果，但总体还存在以下不足：

(1)外荷载的施加方法与外加应力水平的选择代表性不足，没有考虑实际工程结构的受力情况，仅从理论研究的角度设计荷载试验，部分实验研究对象是卸载以后的混凝土试件，未能充分考虑荷载与环境侵蚀的耦合效应。

(2)研究仅限于室内试验，缺乏对实际工程长期耐久性的了解。多数研究成果仅得出外加应力水平对混凝土抗氯离子渗透性能的定性表述，无法建立快速试验与实际工程长期耐久性之间的定量关系。

2 桥区腐蚀介质情况

通明海特大桥桥区海域的腐蚀介质、pH值等试验数据见表1。桥区的海水及地下水中的氯离子含量约为2 300mg/L～19 000mg/L，硫酸根离子约为320mg/L～3 050mg/L，镁离子约为171～1 250mg/L，pH值为6.99～9.38，其中海水中的氯离子、镁离子、硫酸根离子等均高于地下水，pH值约为9.12～9.38，呈弱碱性。

表1 桥区海域水质分析 (单位：mg/L)

通明海特大桥主要混凝土构件的环境分区见表2。

表2 主要混凝土构件环境分区

3 材料与试验方法

3.1 原材料与混凝土配合比

采用P.II42.5水泥，I级粉煤灰，S95级磨细矿渣粉；细骨料为河砂，细度模数为2.8，表观密度为2.63g/cm3；粗骨料为5～20mm连续级配碎石，表观密度为2.71 g/cm3；减水剂为JB-ZSC高性减水剂。

采用现场墩柱高性能混凝土配合比，配合比见表3。

表3 墩柱高性能混凝土配合比 (单位kg/m3)

3.2 试验方法

3.2.1 混凝土粉样制取及氯离子含量测试

本试验过程中，混凝土取粉直径不小于60mm(大于骨料最大粒径的3倍)，取粉深度根据暴露时间设置，理论上取粉深度应到达氯离子最深侵入深度。采用中交四航工程研究院有限公司开发的硬化混凝土自动取粉机制取，该设备磨取的粉样，可实现公称直径0.16mm筛的通过率99%以上。

用硝酸银溶液(浓度0.02mol/L)作为滴定溶液，采用自动电位滴定仪测定氯离子含量。

(1)

式中：Ct为氯离子质量占比；V为滴定终点时的硝酸银溶液用量(单位：ml)；g为试验用混凝土样品的质量(单位：g)。

3.2.2 压荷载加载试验

施加压荷载的装置组成如图2所示。将混凝土试块(10cm×10cm×30cm)放入装置内，施加荷载时由千斤顶挤压滑动螺栓，压力通过碟形弹簧传导至试块上，当压荷载达到指定大小时，拧紧反力螺母，锁定弹簧形变，从而实现持续、恒定的施压。

图2 混凝土加压装置

4 典型构件荷载应力水平分析

通过对通明海特大桥进行数值计算，计算面板、塔柱、墩身等典型结构荷载应力水平，作为室内试验时混凝土样品荷载应力水平选取的依据。试验结果见表4。

表4 主桥各构件应力水平(单位：MPa)

根据表4可知，主桥主塔、面板及墩柱混凝土均承受压荷载，其中主塔承受的压荷载相对较大，面板次之，墩柱最小，但最大压荷载应力水平均小于0.40。本次加载试验的应力标准选择考虑涵盖最大荷载应力水平(约0.36)，同时选取零应力状态下的试件作为参照，故而选取0、0.2、0.4和0.6倍的抗压强度这4种应力水平作为目标应力。

5 荷载对混凝土中氯离子扩散性能的影响

5.1 荷载对混凝土中氯离子分布的影响

加载后的混凝土构件在海水模拟试验箱的浪溅区开展90d试验后，取出并测试不同压荷载应力水平下混凝土中氯离子的分布情况，如图3及表5所示。

图3 不同压荷载应力水平下混凝土中氯离子浓度

表5 不同压荷载应力水平下混凝土中氯离子浓度

从图3及表5可知：当应力水平在0.4以下时，压应力与混凝土中氯离子浓度总体呈负相关，混凝土抗氯离子侵蚀性能力随压应力增大而增强；但当压应力水平大于0.4时，压应力与混凝土中氯离子浓度总体呈正相关，混凝土抗氯离子侵蚀性能力随压应力的增大而减弱。

5.2 荷载对混凝土氯离子扩散系数的影响

根据不同应力水平下混凝土试件各深度的氯离子含量，通过Fick第二定律的解析解，拟合出混凝土试件在不同应力水平下的混凝土氯离子扩散系数和表面氯离子浓度，拟合结果如图4及图5所示。

图4 不同压荷载应力水平下的混凝土氯离子扩散系数

图5 不同压荷载应力水平下的混凝土表面氯离子浓度

根据图4所示，试件在无荷载时的氯离子扩散系数为0.80×10-12m2/s，当施加压荷载水平为0.2、0.4时，混凝土氯离子扩散系数变为0.55×10-12m2/s及0.45×10-12m2/s，可见：在压荷载应力水平不大于0.4时，混凝土氯离子扩散系数随压荷载的增加而降低；当压荷载应力水平升高至0.6时，氯离子扩散系数增加为0.75×10-12m2/s，可知当应力水平从0.4提高到0.6时，混凝土氯离子扩散系数随压荷载的增加而升高。说明压应力水平低于0.4时，压荷载有利于混凝土抵抗氯离子侵蚀，而压应力水平高于0.4时，压荷载会加速氯离子侵蚀混凝土。

根据图5所示,试件在无荷载时表面氯离子浓度为0.83%，当施加压荷载应力水平为0.2、0.4、0.6时，混凝土氯离子扩散系数变为0.65%、0.64%及0.76%，压荷载应力水平-混凝土表面氯离子浓度相关趋势与压荷载应力水平-氯离子扩散系数类似。

5.3 荷载对混凝土氯离子扩散系数影响因子

为了指导通明海特大桥混凝土结构的耐久性设计，准确评估混凝土结构寿命，根据上述实验数据，拟合出了混凝土氯离子扩散系数比与压应力水平之间的关系公式：

Dη/D0=4.2815×η2-2.7154 ×η+1.0149

(2)

式中：η为混凝土压荷载应力水平；Dη为压荷载应力水平为η时的氯离子扩散系数；D0为0应力状态下的氯离子扩散系数。

5.4 荷载对混凝土氯离子扩散性能影响的机理

通过破型不同荷载作用后混凝土中的砂浆，采用MIP测试砂浆经过荷载之后的孔结构的变化，见表6。混凝土中砂浆的孔隙率、平均孔径及大孔数量(>200nm)随压荷载应力水平的增加先降低后增加，其趋势与压荷载应力水平-氯离子扩散系数关系吻合，即：压荷载应力水平小于0.4时砂浆的孔隙率、平均孔径及大孔数量均随应力水平增大而减小，当压荷载进一步增加时孔隙率、平均孔径及大孔数量随之增大。经分析，可能是由于当压荷载应力水平不大于0.4时，混凝土处于弹性变形阶段，压应力会压缩混凝土中的孔隙，造成孔隙率和平均孔径的降低，从而抑制氯离子渗透；但当压荷载应力水平继续增大时，由于混凝土微观层面的不均匀性，导致局部出现应力集中，从而产生剪切应力，造成混凝土内部不均匀处破坏、微裂缝发展，混凝土孔隙率、平均孔径增大，氯离子加速渗透。

表6 不同应力下混凝土中砂浆的孔隙

对比前文不同荷载作用的混凝土中氯离子分布情况，不同荷载作用下混凝土中砂浆孔隙结构的变化与氯离子扩散情况较为吻合，即孔隙率和平均孔径增加，混凝土中氯离子含量增大，氯离子扩散系数提高，因此，压荷载对混凝土微观孔结构的改变是影响结构耐久性的重要原因之一。

6 结论与展望

压荷载应力水平小于0.4时，砂浆的孔隙率、平均孔径均随应力水平增大而减小，当压荷载进一步增加时砂浆孔隙率、平均孔径及大孔数量随之增大。与之相应，混凝土氯离子扩散系数当压应力水平低于0.4时，随应力增加而减小；当压应力水平高于0.4时，混凝土氯离子扩散系数随应力增加而增大。压荷载应力水平与混凝土氯离子扩散系数比之间的关系可拟合为一元二次多项式：Dη/D0=4.2815×η2-2.7154×η+1.0149。

受限于客观试验条件，本试验仅选取了0、0.2、0.4和0.6倍的抗压强度这4种应力水平作为目标应力水平。后续如条件允许，可进一步细化试验应力等级(甚至考虑将结构拉应力纳入研究范围)，从而拟合出更加精确的“氯离子扩散系数-应力水平”关系公式，指导混凝土结构耐久性设计进一步精细化。