海洋环境下混凝土桩基耐久性影响因素研究

彭云涌 王治群 胡 力 左 雁 梁俊杰

(中建五局土木工程有限公司 长沙 410004)

为利用丰富的海洋资源，人类修建了大量的海洋结构，钢筋混凝土材料被广泛运用于这类结构设施中，但在使用过程中发现海洋结构多数无法达到设计使用年限，耐久性问题突出。尤其是那些处于含有高浓度腐蚀物质环境中的结构，其寿命更短[1]。其原因是外部环境中的氯离子、硫酸根离子和大气的共同作用，导致钢筋混凝土内部钢筋锈蚀和材料性能退化，继而胀裂混凝土[2]。

混凝土耐久性的相关研究分为2个方面，①在设计阶段开展预测结构设施的寿命，节约成本；②对现役结构的安全性做出评价，提出维护方案。故钢筋混凝土的耐久性研究具有一定现实意义[3]。

海洋结构耐久性寿命问题的研究，无法避免对氯离子的讨论，这也是研究该问题的难点和热点。本文通过分析影响海洋环境中氯离子扩散的相关因素，结合MATLAB分析软件修正扩散模型，拟为今后此类建筑物的设计建造，提供使用寿命的预测方法，节约成本。

1 理论计算模型

1.1 Fick第二定律

海洋结构的寿命预测理论是基于Tuutti[4]在1982年提出的钢筋混凝土结构寿命两阶段模型。该模型将钢筋混凝土结构的使用寿命分为2个阶段：第一阶段为氯离子侵蚀渗透阶段(从钢筋混凝土进入海水到钢筋刚开始锈蚀)，这一阶段钢筋的表面氯离子浓度达到了其锈蚀的浓度标准；第二阶段为钢筋锈蚀到混凝土胀裂，本阶段钢筋锈蚀产物积累膨胀，致使混凝土开裂，结构强度降低到使用要求以下。

为了能够准确地描述混凝土内部的氯离子浓度，相关学者做了大量实验，提出了许多理论和模型。Collepari[5]等人基于Fick第二定律建立了如式(1)的氯离子侵入模型。

(1)

式中：ρc1-(x,t)为t时刻x深度处的氯离子质量浓度；ρc1-,s为外部氯离子质量浓度；erf为误差函数；D0为基准时间下的扩散系数。

为了得到更精确的结构寿命预测结果，不断有学者根据环境条件和材料性能修正相关影响参数，并用修正后的模型来预测混凝土的使用寿命或钢筋初锈时间。1995年，瑞典、德国、挪威、英国等12个国家联合成立了Dura Crete项目[6]，该项目根据需要将混凝土龄期、初始养护时间、环境条件和试验方法等影响混凝土服役寿命的因素均予以考虑，修正了氯离子扩散侵入方程，并建立了寿命预测模型。海洋结构因其所处的海水深度和距海岸的距离不同，其耐久寿命也存在较大差异。石佳乐[7]根据海边环境的不同做了相关侵蚀实验，得到了不同环境条件下混凝土氯离子扩散的时变模型。

氯离子在混凝土中的渗透扩散过程受多因素的影响，研究该过程时，须综合考虑多因素的耦合效应。祁兵[8]研究了干湿循环-荷载-盐溶液耦合作用下的损伤过程，考虑了包含材料相关因素(氯离子结合能力、混凝土内部氯离子浓度等)和环境因素(荷载效应、环境离子浓度等)的影响，提出了混凝土在荷载和氯离子结合能力耦合效应下的氯离子扩散模型。

1.2 基于环境和材料参数耦合的氯离子扩散模型

在饱和混凝土中，氯离子渗透侵入的主要原因是扩散作用。由(1)式可知，影响氯离子侵蚀的因素包含深度、时间、氯离子的扩散系数，以及混凝土本身含有的氯离子浓度。在早期的观点中，认为扩散系数D是一个常数，但它其实是一个不断变化的值，为了实际工程分析的方便，本文选择的扩散系数D，是基于基准扩散系数考虑了时间、温度的的影响，相应的等效扩散系数D的计算方法见式(2)～式(4)。

D=D0f(T)f(m，Km)

(2)

(3)

(4)

式(2)(3)(4)中：T为计算温度(取绝对温度)；T0为基准扩散系数D0下的温度(取绝对温度)；t0为D0对应的基准时间；Km是材料对氯离子扩散系数的影响因子，依据混凝土型号和实验环境取为0.3～1.33；q为激活常数；m为与多个因素有关的时间衰减系数。

实际环境和实验是有所不同的，根据张立明[9]的室内外实验，基于室内外的相关参数对离子扩散方程进行修正，为此综合考虑环境和材料因素的修正模型见式(5)。

ρc1-(x,t)=Kc·ρc1-,0+(ρc1-,s-Kc·ρc1-,0)·

(5)

式中：x为扩散深度；t为扩散时间；ρc1-,0为初始氯离子浓度；Kc为养护条件对氯离子扩散系数的影响因子，依据混凝土型号取为0.43～0.88；m为氯离子扩散的衰减系数。其余各参数含义同上。

2 模型验证和模型的参数分析

2.1 因素影响性分析

影响海洋结构耐久性寿命的因素很多，这些因素可分为环境因素和结构自身材料因素2个方面。本文通过运用氯离子的扩散方程模拟氯离子的侵蚀过程，研究各因素对氯离子侵入过程影响的显著性，分析模型的合理性和适用性。

2.1.1水灰比及保护层厚度

对海洋结构中混凝土来说，水灰比、保护层厚度均对耐久性寿命有影响，根据Fick第二定律计算在各个保护层厚度下，不同水灰比的曲线，其结果见图1。

图1 水灰比和保护层厚度影响曲线

由图1可知，①混凝土水灰比(W/C)为0.3时，每增加5 mm的保护层厚度，其初锈时间均增加几十年，保护层厚度到达70 mm之后，其初锈时间增量接近100年；而混凝土水灰比为0.6时，每增加相同的保护层厚度，初锈时间基本无变化，增加时间还不足1年。不同水灰比下氯离子浓度变化很大，其耐久性寿命变化也很大。不同水灰比对结构耐久性的影响十分明显，尤其是和保护层相关联时。水灰比越小，初锈时间就越长，原因是小水灰比的混凝土结构密实性强。②保护层厚度对构件耐久寿命有明显影响：保护层厚度越大，初锈时间越长，尤其是水灰比较小时，该趋势就越明显。由此可以看出保护层厚度的增减效果和水灰比的大小有直接关系。当水灰比较小时，增大保护层厚度，耐久寿命提高得越明显。而当水灰比很大时，即使增加保护层厚度，对结构耐久寿命的影响也不大，很可能依旧不满足设计要求。所以，为提高海洋结构的耐久寿命，不能只增加保护层厚度。

2.1.2时间因素

钢筋处氯离子浓度随时间变化图见图2。由图2可见，氯离子浓度变化速率随时间增大而减小。混凝土中的氯离子扩散系数随龄期增加而减小，因为混凝土的水化不是短期完成的，随着水化的持续，产生的水化物将进一步填充混凝土中的孔隙，从而使扩散作用受阻，即扩散系数变小。衰减系数m与混凝土的材料和环境均相关。当t1未考虑时间参数时计算结果为26年，衰减系数m取0.2(普通混凝土)和0.7(掺粉煤灰混凝土)分别对应18.97年和97.44年。掺混合物的混凝土其耐久性提升非常明显。由计算结果可以看出，掺粉煤灰的初锈时间是普通混凝土的8～10倍。在实际施工中，可以通过此方法提高海洋结构耐久性寿命。

图2 钢筋处氯离子浓度变化模拟曲线

2.1.3温度影响

温度对氯离子扩散的影响见图3。

图3 不同温度和保护层厚度下的氯离子浓度

由图3可知，温度对氯离子扩散的影响效果显著。高温对氯离子的活化作用增强，提高了它的扩散能力，从而造成结构寿命减少。

2.1.4湿度影响

分别选相对湿度为80%和70%的扩散曲线与基于式(5)的扩散模型的结果曲线对比，钢筋处氯离子浓度变化见图4。

图4 不同湿度和修正模型下的钢筋处氯离子浓度

由图4可知，相对湿度的增加致使氯离子的扩散速度有所增加，但影响不明显。相比于其他因素，湿度虽然也有影响，但显著性不够。

综上，在计算海洋结构耐久性初锈时间时，水灰比、保护层厚度、衰减系数、温度均不可忽视。所以基于环境和材料的扩散模型须考虑这些因素。

在实际工程中混凝土的养护条件会对结构中初始氯离子的浓度造成影响。这些影响主要包含：混凝土的养护因各种各样的复杂因素造成养护期不足；环境中的氯离子在养护期进入混凝土内部。基于上述原因，须对混凝土内部的初始氯离子浓度进行修正。

2.2 模型验证

将实际工程中的测量数据、修正模型(式5)和原始模型(即Fick第二定律的扩散模型，见公式1)的预测值进行比较。测量数据为1950年英国建造的混凝土在使用30年后的氯离子浓度测试数据，修正模型中参数取值见表1。

表1 修正模型中参数取值

不同模型预测值和实际值对比图见图5。

图5 不同模型预测值和实测值对比

由图5可见，除个别点外，修正模型比原始模型更加接近实际值，这样采用修正模型计算的初锈时间更加符合实际，结构寿命预测也更准确。

修正模型考虑了时间衰减、温度及材料等因素的影响，这些因素对结构耐久性寿命的影响从上一节可以看出，均十分显著。因此选择这些因素考虑是具有实际意义的。已有的修正模型，更多是基于实验所推测出来的，室内、室外条件不同，因此基于环境和材料的扩散模型需考虑该因素的影响。所以氯离子侵入扩散模型还需考虑室内、外的区别，使模型更具有实际工程应用价值。

3 工程实例

3.1 模型应用

耐久性寿命预测分为2个阶段。第一阶段为氯离子从混凝土表面向内部钢筋渗透，当氯离子的浓度达到钢筋腐蚀的要求时，钢筋表面的保护膜发生破坏，钢筋开始锈蚀。该阶段所花费的时间即为钢筋的初锈时间，以t1表示，其计算方法见式(6)，式中各项含义均同上。

(6)

第二阶段t2(钢筋开始腐蚀到混凝土开裂至限制宽度的时间)

(7)

式中：ΔD为锈蚀钢筋的截面直径损失,mm；icorr为单位电流密度，μA/cm2。

3.2 实例计算

科特迪瓦阿比让四大桥工程的材料和环境的情况见表2。科特迪瓦地区的平均低温约为20 ℃，平均高温约为30 ℃。

表2 工程中各系数的取值

根据上述工程的各项数据可得，该桥的初锈时间可按公式(6)计算，得初锈时间t1为69.21年。

桩基中钢筋的直径为25 mm，保护层厚度为100 mm，锈蚀前钢筋和混凝土交界面有空隙存在，当锈蚀导致保护层胀裂时，钢筋半径损失为Δrs(mm)，而填满钢筋和混凝土的空隙损失半径为Δr1(mm)。Δrs和Δr1均可通过相关计算得出，而ΔD可由式(8)、(9)得出。

(8)

(9)

式中：ηc为预测钢筋截面损失率；r为钢筋半径，mm；αE为钢筋锈蚀产物膨胀率；其余项同上。

经计算，钢筋锈蚀时间t2为24.05年。因此该桥的服役寿命为93.26年。

该工程的钢筋处氯离子扩散趋势见图6。

图6 钢筋处氯离子质量浓度

由图6可知，氯离子的扩散速度开始很快，经过30年后扩散速度慢慢变小，故防腐措施需遏制开始阶段的氯离子入侵，这样才能最大限度地提高耐久性寿命。具体防腐措施可从以下方面入手。

1) 钢护筒选择从水下取至浪溅区上方。浪溅区作为腐蚀最严重的地方，可以进行特殊处理，如增加钢护筒的厚度、增加该区段混凝土的水泥用量(降低水灰比，增加抵抗离子入侵的能力)。

2) 混凝土表面刷涂防蚀漆，如多水泥砂浆、树脂砂浆。

4 结语

1) 影响海洋混凝土结构的因素众多，其影响显著性均不相同，其中混凝土的保护层厚度、水灰比的影响明显；温度影响也不可忽视。虽然保护层厚度影响效果显著，但单独增加保护层厚度并不能高效地提高服役寿命，其与水灰比一同作用效果更好。

2) 在混凝土中掺矿渣和粉煤灰可高效地提高混凝土耐久性，在防腐措施中是值得选取的一种方法。

3) 基于文中的试验环境、材料、氯离子扩散模型，计算桥梁的耐久寿命。结果表明，本文方案更接近实际情况，符合工程实际，可运用到实际工程中。