基于氯离子扩散理论的混凝土桥梁耐久性研究

李亚彬

(甘肃公航旅路业有限公司，甘肃 兰州 730314)

1 概述

近年来,随着科学技术与桥梁工程建设技术的飞速发展,混凝土桥梁结构在使用寿命年限内发生的多种破坏及其机理引起了国内外学者的关注并开展了一系列研究[1-4]。研究结果表明混凝土结构的破坏大多数并非全部由结构及材料强度所引起,一味的提高混凝土材料强度并不能大幅提高结构使用寿命,既不能提高工程的经济性,也不符合可持续发展理念。混凝土结构尤其是桥梁结构的破坏大多数可以归结为结构耐久性问题,这些耐久性问题中由于盐腐蚀导致的耐久性问题又占有相当大的比重。

混凝土桥梁结构在正常服役期间主体结构通常暴露于各种环境中,其中氯化物是一种最危险的侵蚀环境介质,不仅存在于海水中,还存在于道路除冰盐、盐湖盐碱地、工业环境中,对桥梁结构造成的危害极为严重[5-9]。混凝土在氯离子侵蚀作用下会导致钢筋锈蚀膨胀,不仅影响混凝土与钢筋之间的黏结性能,钢筋的锈胀会导致钢筋混凝土有效承载面积减小,在荷载作用下加速混凝土劣化进程,致使裂缝提前出现,最终导致混凝土剥落,造成结构功能失效。现有的研究,大多基于室内加速结合扩散理论对混凝土试件氯离子的扩散机理及其对混凝土的破坏机理进行研究,或者基于数值模拟研究了理想条件下氯离子在混凝土中的传输过程即混凝土劣化进程,并未从结构整体进行分析,也未从耐久性角度对桥梁结构氯离子侵蚀作用的结构劣化与服役性能进行研究[10-11]。因此,本文基于经典的扩散理论,从理论上对混凝土梁结构氯离子作用下的劣化过程进行了分析,并基于以往的研究和实际破坏情况,研究了氯离子作用下混凝土桥梁结构耐久性演化过程,确定了混凝土桥梁的耐久性计算与分级制度。

2 氯离子在混凝土中的扩散理论

2.1 氯离子来源及侵入机理

混凝土中氯离子来源大致可以分为内部和外部两类。内因主要是混凝土自身原材料中所包含的氯离子。部分地区混凝土的粗、细骨料中有一定含量氯离子,且实际施工过程中为了保证混凝土和易性,往往会加入一些含氯物质或含氯的减水剂,致使混凝土桥梁在服役之前结构内部已经存在较多的氯化物介质[12-13]。外因主要包括桥梁结构使用环境中可能存在的含氯腐蚀介质。我国海岸线辽阔,海水中含有大量的氯盐,因此沿海地区桥梁结构含氯侵蚀介质的主要来源为海水。此外,我国北方地区冬季使用的道路除冰盐、内陆地区的盐湖盐碱地、工业环境中的废气废料等,也是桥梁结构氯离子侵蚀介质的来源[14]。

混凝土桥梁结构中氯离子的侵入机理随使用环境的不同差别较大。混凝土受原材料、配合比、振捣、养护等因素影响结构内部孔隙较多且水分含量较高时,环境中的氯离子会随着水分在桥梁结构中的渗透逐渐向内部迁移,该种侵入机理称为渗透作用。当桥梁结构所处环境湿度较小,在日照、风沙等作用下结构混凝土内外湿度较大,内部管道与微孔洞因为较大的湿度差发生吸附作用,氯离子随着水溶液的迁移被吸附于混凝土内部,称为毛细管作用。而高氯离子浓度环境中混凝土桥梁结构由于内外浓度差驱动作用下氯离子向混凝土内部迁移的过程,称为扩散作用。此外,还有抽吸作用、电化学迁移、催化剂作用等,在氯离子侵入混凝土的过程中也有一定贡献[15]。

2.2 氯离子扩散模型

1970年,意大利学者Callepari于1970年成功使用Fick定律描述了混凝土中氯离子的扩散规律,因此,国内外学者大多基于Fick扩散定律构建氯离子在混凝土中的扩散模型。常用的一维Fick扩散模型如式(1)所示:

(1)

其中,C为实际桥梁结构工作环境中氯离子的浓度;t为氯离子扩散时间;α为反映氯离子扩散程度的扩散系数;h为扩散深度。

假定桥梁结构为钢筋混凝土结构,则结构在含有氯离子侵蚀介质的环境中工作时,实际钢筋混凝土单元如图1所示。

如图1所示,氯离子在钢筋混凝土单元中按照式(1)所示的过程扩散时,其边界条件可定义为:

(2)

其中,Cc为氯离子初始浓度,即结构表面氯离子浓度;Cs为钢筋混凝土内部钢筋表面的氯离子浓度。

根据图1所示的钢筋混凝土单元和式(2)所示的边界条件,氯离子按照式(1)所示的过程在桥梁结构中扩散时,可得式(1)的通解为:

(3)

计算过程中,由于n始终为大于零的正整数,对计算结果贡献不大,因此,令n=0,简化后式(2)变为:

(4)

若Cc≠0,则有:

(5)

上述分析过程对Fick第二扩散定律进行了进一步的分析,同时对结合实际桥梁结构的钢筋混凝土单元氯离子扩散过程中的边界条件对模型进行了分析和求解,可以用于对钢筋混凝土桥梁结构中氯离子的扩散过程进行理论计算。

2.3 氯盐侵蚀环境下混凝土桥梁破坏过程

结合式(5)所构建的氯离子扩散模型与国内外学者的研究结果,大量的实验与数值模拟研究表明,氯离子侵蚀环境下混凝土桥梁的破坏会经历钢筋表面铁锈自由膨胀、保护层受拉、保护层开裂三个阶段。当氯离子按照式(5)的过程在混凝土中扩散至钢筋表面时,钢筋逐渐开始锈蚀,而钢筋与混凝土之间并不总是紧密黏结,会存在一些微孔隙。钢筋脱钝开始锈蚀以后产生的铁锈,填满这些微孔隙之后才会对周围的混凝土产生锈胀力进入第二阶段,锈胀力导致混凝土保护层受拉。随着锈胀力的增加,保护层所受拉力增大直至达到受拉极限后产生裂缝,进入第三阶段。如图2所示,为常见钢筋混凝土桥梁氯离子侵蚀破坏。

氯离子侵蚀导致混凝土桥梁保护层开裂后,梁体内部钢筋与空气接触面增大,导致钢筋锈蚀的速率加快,锈蚀体积膨胀速度增加,保护层所受的来自锈胀力的拉应力快速增加,直至保护层完全剥落钢筋外露,结构彻底破坏。

3 氯盐环境中混凝土桥梁耐久性研究

3.1 混凝土桥梁耐久性极限状态确定

《混凝土结构耐久性设计规范》规定,考虑混凝土结构构件的耐久性极限状态时,应该按正常使用条件下对应的适用性极限状态考虑,且所考虑的极限状态,不应对结构的承载能力和可修复性要求产生不利影响。《混凝土结构耐久性设计规范》中对混凝土结构构件的耐久性极限状态分为三种,分别是钢筋开始发生锈蚀、钢筋发生适量锈蚀、混凝土结构表面发生轻微损伤三种极限状态。为提高混凝土桥梁结构的耐久性指标,大多数研究以钢筋开始发生锈蚀极限状态作为钢筋混凝土桥梁结构寿命的终点,因此,确定桥梁结构耐久性极限状态,对于评定混凝土桥梁结构在氯盐腐蚀环境下的耐久性,尤为重要。

根据可靠度理论,考虑钢筋混凝土桥梁结构的广义抗力R和荷载效应S两方面的因素,即可根据可靠度基本理论用功能函数Z确定结构的极限状态方程为:

Z=R-S

(6)

功能函数Z反映了结构可靠度的演化过程,当Z>0时表明结构处于可靠状态,Z=0时表明结构处于极限状态,Z<0时表明结构已经失效。氯离子在混凝土扩散过程中,桥梁梁体内部的钢筋会随着氯离子的侵蚀逐渐劣化,导致结构的抗力随着氯离子扩散的时间逐渐降低。因此,可以认为氯盐侵蚀作用下结构达到极限状态前,反映可靠度的功能函数Z与式(5)中表征氯离子扩散时间t存在式(7)所述关系:

Z(t)=R(t)-S(t)≥0

(7)

以往的研究表明,R(t),S(t)均服从正态分布,因此有:

μZ=μR-μS

(8)

(9)

则钢筋混凝土桥梁在氯盐侵蚀作用下可靠度用失效概率表示为:

(10)

其中,ζ为与氯离子扩散时间t相关的变量。

结合式(5)所示的氯离子扩散模型,根据实际测得的氯离子扩散浓度与扩散时间,便可进行桥梁可靠度计算,判断桥梁结构在氯离子侵蚀作用下的劣化进程及其耐久性演变过程,以采取适宜的管养措施。

3.2 桥梁结构耐久性评定方法

目前混凝土结构耐久性评定遵循《混凝土结构耐久性评定标准》中的相关规定,在进行评定时,混凝土结构中氯离子的扩散过程满足Fick扩散定律,结合氯离子实际的情况和结构对应构件的实际服役寿命,采用逆推法可以得到氯离子式(5)中扩散系数α。得到α后可计算所需服役年限对应的结构内部氯离子分布情况,如浓度和侵蚀深度等,进而得到可能的氯离子最大浓度Ccl。而后根据实际情况选定规范所规定的结构内部钢筋表面对应氯离子浓度的临界值[Cl-]。《混凝土结构耐久性评定标准》根据结构实际使用环境和结构构件的不同,规定了对应环境中钢筋表面的氯离子浓度临界值,如表1所示。

表1 规范规定的钢筋表面氯离子浓度临界值取值

选取结构内部钢筋表面对应氯离子浓度的临界值[Cl-],即可根据钢筋开始锈蚀度比[Cl-]/(r0Ccl)确定结构耐久性等级。按照“安全耐久性”和“适用耐久性”两个方面,采取分结构、分层次、分项目评定三个不同层次,从轻微到严重分为一级～四级四个等级,对应于a～d，如表2所示。

表2 氯离子侵蚀耐久性等级评定

表2中r0为结构或结构对应构件的重要性系数。按照上述方式根据实测的氯离子扩散数据对桥梁结构进行耐久性评定,并采用式(10)所述方式计算结构可靠度,对二者演变规律的对比,可以确定氯离子扩散模型的准确性及耐久性评定的准确度,互相补充互相完善,进而提高评价的准确度和可行性,准确反映钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀作用下的性能劣化进程,为氯离子侵蚀环境下混凝土结构的性能研究提供有力的理论依据。

3.3 混凝土桥梁氯盐腐蚀耐久性提升措施

1)优选原材料。

混凝土原材料中的氯离子会导致桥梁结构中含有较多的含氯侵蚀介质,在内外因素作用下会加速氯离子对桥梁结构的侵蚀。因此,应严格控制原材料质量,降低甚至消除原材料中氯离子的含量[16-17]。例如,在条件允许的情况下杜绝使用含有氯盐的海砂,尽可能使用河砂拌和混凝土,若在沿海地区无法保证河砂来源,需严格控制海砂中氯盐含量,并使用钢筋阻锈剂。在淡水缺乏地区施工时,要严格控制施工用水中的含盐量并采取相应的预防措施,确保施工用水质量,降低因水质导致的氯盐侵蚀。此外,某些含氯外加剂具有较好的早强、防冻作用,且成本较低,寒旱地区及部分特殊工程施工时通常会使用此类外加剂,因此出现了外加剂导致的氯离子混入问题,施工中需控制此类外加剂的使用,尽量采用同等功能的试剂进行替换,确保施工质量。

2)优化桥梁结构混凝土设计与施工。

较大的混凝土保护层厚度可以有效延长氯离子扩散时间,延后钢筋与氯离子的接触时间,减缓钢筋锈蚀速率,因此在实际工程中适当提高混凝土保护层厚度时桥梁工程中常用的氯离子防护措施。在保证混凝土和易性前提下,优化配合比设计,提高混凝土防腐性能,并根据实际情况适宜掺入钢筋阻锈剂。混凝土浇筑时加强振捣与养护,尽量减少混凝土内部孔隙,以减少氯盐侵入通道。严格控制施工缝质量,精细化处理施工缝,禁止使用气动凿毛机处理施工缝,避免出现凿毛部位的松动与开裂,减少混凝土中氯盐的侵入渠道。如有可能,使用高性能混凝土,并设置混凝土表面防腐涂层,阻断氯离子侵入路径。

3)其他措施。

除了优选混凝土原材料,优化桥梁结构混凝土的设计与施工过程之外,现场也采用一些其他的措施有效防止混凝土中氯离子侵蚀病害。例如,北方寒旱地区冬季路面尽量少用甚至不用含氯除冰盐,减少结构表面与氯盐的接触。国内外有部分混凝土工程通过引入新型抗生物杀菌剂的方式,减缓细菌、真菌、附生物等对混凝土的腐蚀进程,进而减弱氯离子与其他腐蚀介质在混凝土内部的协同腐蚀作用。此外,电化学保护也是一种行之有效的防护措施,包括降低混凝土内部电势至免疫区的阴极保护方法、提高电势至钝化区的阳极保护方法以及提高氯离子传输介质pH值至钝化区的高碱度保护方法等,在实际工程中也有使用。

4 结语

本文分析了钢筋混凝土桥梁结构中氯离子的内部与外部来源,以及渗透作用、吸附作用、毛细管作用等侵入机理。结合实际桥梁结构中的钢筋混凝土单元介绍了Fick第二扩散理论,构建了桥梁结构中氯离子扩散模型。介绍了氯盐腐蚀环境下钢筋混凝土桥梁的钢筋表面铁锈自由膨胀、保护层受拉、保护层开裂三个阶段的破坏过程。基于可靠度理论,描述了氯离子侵蚀作用下混凝土桥梁结构耐久性极限状态的确定,并从理论上分析了基于氯离子扩散模型的氯离子侵蚀作用下桥梁极限状态与耐久性评定的可行性。最后列举了实际工程中常用的优选原材料、优化桥梁结构混凝土设计与施工过程等氯离子侵蚀作用下桥梁耐久性提升措施,对于混凝土桥梁结构的氯盐侵蚀下耐久性研究具有一定的参考和借鉴意义。