氯离子侵蚀环境下海洋混凝土结构服役寿命预测

氯离子侵蚀环境下海洋混凝土结构服役寿命预测

曾建聪

广西壮族自治区建筑科学研究设计院南宁530011

摘要：基于有限元理论，研究氯离子环境下混凝土结构的寿命预测模型，考虑不同因素对混凝土中氯离子扩散的影响，对海洋混凝土结构服役寿命进行预测。

关键词：海洋混凝土结构；氯离子扩散；有限元；服役寿命

1绪论

海洋环境下，由于氯盐的侵蚀引起钢筋锈蚀，最终引起混凝土结构破坏，被公认为是导致海洋混凝土结构破坏的最主要原因。大量的工程经验教训使人们认识到：重视耐久性、增加保护性措施、加大初建费用的投入、延长结构的服役寿命，是最经济的设计。特别是当前海洋工程向跨海、大型复杂等方向发展，这些工程都是我国基础建设中占重要地位的工程，提高和保证这些工程的安全服役寿命，是关系到我国国民经济持续、长期、稳定发展的百年大计。

2海洋混凝土结构服役寿命的定义

结构的耐久服役寿命的定义为结构在正常使用、正常维护条件下，结构不需要投入昂贵的维修而能保持预定使用功能的结构使用年限，它受环境、使用条件、材料性能的影响，是受多个随机变量影响的随机函数[1]。本文提出的是在海洋环境氯离子侵蚀情况下混凝土结构寿命预测模型，以期解决海洋混凝土结构基础设施及建筑物的耐久性破坏问题。

图2-1海工混凝土腐蚀破坏示意图

海洋混凝土结构的服役寿命一般可以分为三个阶段[2]（见图2-1）：

本文保守偏安全起见，定义的海洋混凝土抗氯离子侵蚀的耐久寿命主要是指混凝土结构的腐蚀诱导阶段，即从结构开始暴露于氯离子环境之日起到混凝土中钢筋表面的氯离子含量达到浓度阀值时所经历的时间，这个浓度阀值一般认为是刚好导致钢筋腐蚀的氯离子含量，此时有：耐久寿命T=t1。

3海洋混凝土使用寿命预测原理及其模型

3.1寿命预测原理

氯离子在混凝土中传输原理非常复杂，但在大部分情况下扩散仍然被认为是最主要的传输方式。对于现有的水灰比不太低且没有开裂的混凝土结构，大量的检测结果表明氯离子的扩散可以认为是一个线性的扩散方程，这个扩散过程一般引用Fick第二定律可以方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，可以直观地体现结构的耐久性。因此在海洋混凝土结构寿命预测中，目前仍然采用的是国际公认的氯离子扩散符合Fick第二扩散定律的原理进行寿命预测。选择Fick第二定律也是基于一种经验的假定，因为它的模型可以很好的拟合结构的实测结果。

Fick第二定律在混凝土中的应用是基于以下三个假定：

（1）混凝土材料是匀质的，内部的孔隙分布是均匀的；

（2）氯离子不与材料发生反应；

（3）材料的氯离子扩散系数恒定。

同时假定混凝土是半无限均匀介质，氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面的方向变化。

根据Fick第二定律的求解方程，将耐久性参数和混凝土各技术参数代入，即可得到t1值，由T=t1，可以得到现有结构的服役寿命。

3.2寿命预测模型

在海工结构的混凝土寿命预测模型中，最常用最熟悉的方法是解析解的方法，它根据Fick第二定律进行偏微分方程的解析计算所得到。由于Fick第二定律的简洁性和实用性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。

对于Fick第二定律：

上式中：

C(x,t)为t时刻距混凝土表面x深处的氯离子浓度（氯离子占混凝土的质量百分比）；C0为氯离子的初始浓度，即在混凝土生成过程中由于原材料等原因而使混凝土在还没受氯离子侵蚀的情况下具有的氯离子含量（浓度）；C为混凝土构件表面氯离子浓度。

假设海洋环境下混凝土的保护层厚度为d，临界氯离子浓度（也称浓度阀值）为C，混凝土结构表面氯离子浓度为Cs，内部氯离子浓度为c0时，将其代入式（3-2），得钢筋锈蚀潜伏期：

（3-3）

由寿命预测的定义，知T=t。通过上式可以用来预测海洋混凝土结构的服役寿命。

Fick第二定律描述的是一种稳态扩散过程，实际上扩散是一个随时间变化的过程，海洋混凝土结构经过一定的使用年限后，混凝土的水化作用基本完成，内部微观结构的变化基本不再发生变化，此时氯离子的扩散系数趋于一个稳定的值。

可以将常扩散系数下的Fick第二定律进一步修正为：

在（3-7）式中，由于，所以使用简化解在工程中能满足精度要求。当浓度阀值为Cr，混凝土保护层厚度为d时，联立（3-7）式和（3-5）式将方程变形可以求得考虑初始龄期和混凝土组分对扩散系数的影响的海工混凝土使用寿命T=t。

尽管寿命预测模型很多，但最广泛最让人接受的还是式（3-2）和式（3-5）所建立的模型。考虑混凝土内部微裂纹等缺陷时，相当于将扩散系数放大K倍，其中K为劣化效应系数，本文认为K值为一个常数。当初始浓度、扩散系数、混凝土保护层厚度等参数已知时，可以由递推关系式：

求解t时刻某扩散深度的氯离子浓度是否达到临近氯离子浓度Cr，当达到时，该点临界氯离子浓度Cr对应的时间t即为海洋混凝土结构的服役寿命T。

4寿命预测各技术参数取值

在寿命预测过程中需用到不同的参数，有的参数是设计的或经测定的，有的参数是根据经验取值，各经验取值是否合理，关系到寿命预测的准确性。本文参考国外相关资料及其工程实际，对各参数的取值分述如下：

（1）初始氯离子浓度C0

本文认为混凝土初始氯离子浓度C0=0%。

（2）表面氯离子浓度C

中港集团根据华南海港工程经验认为浪溅区暂时取Cs=1.0%，在缺乏长期暴露试验数据的情况下，可参考表4-1中的推荐值。

（3）临界氯离子浓度Cr

参考国内外有关预测暴露于氯盐环境中的钢筋混凝土使用寿命对临界氯离子浓度Cr的取值，并考虑一定的安全储备，海港工程浪溅区用于寿命预测的Cr取值为0.05%较为合理。

（4）氯离子的扩散系数Dt

重点实验室华南海港工程长期暴露试验结果和国外的研究均证明随着混凝土龄期的延长，氯离子在混凝土中的扩散系数变小，但经过一定的使用年限后，混凝土的水化基本完成，内部微观结构基本稳定，此时氯离子在混凝土中的扩散系数趋于一个恒定的值。应该说以最后恒定的扩散系数计算混凝土的耐久年限应该是最精确的。一般认为，30年以后Dt成为一个恒定的常数值[3][4]。

（5）混凝土的保护层厚度d

《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》[5]规定钢筋混凝土结构的保护层厚度不应小于50mm，预应力混凝土结构混凝土保护层的厚度不应小于75mm。理论上保护层越厚，结构耐久性越好，但实际上，过厚的保护层在硬化过程中其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制，很容易产生裂缝，裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下，混凝土保护层厚度不应超过80~100mm，具体的尺寸应根据结构设计确定。

5算例分析

算例1[6].加拿大联盟大桥长12.9公里、跨越诺森伯兰海峡，于1997年建成通车。该桥由钢筋混凝土的重力结构桥墩和单孔箱型梁上部结构组成，设计工作寿命为100年。规定在100年工作寿命期内，允许钢筋开始锈蚀但保护层不得剥落。海峡的严酷环境包括：每年大量的海冰在无休止地移动，强风导致在桥墩上有浪溅与喷洒区，频繁的冻融循环等等。遭遇的主要耐久性破坏因素是氯离子渗透和冻融循环，桥墩所处环境最为恶劣。保证抗冻性的措施是严格控制混凝土的引气量与气泡质量。氯离子渗透导致钢筋锈蚀速率决定结构工作寿命，因此，在该项目中规定的高性能混凝土具有低氯离子渗透性和高电阻率。

该桥使用试验结果与Fick第二定律，进行了系列氯离子渗透深度的理论计算，评估桥梁的工作寿命。理论计算联盟大桥工作寿命所采用的具体参数未见报道，但可以根据上述参数的取值规定预测各种参数。其中，表面氯离子浓度Cs=0.81%混凝土重量（参考挪威GimsystraLlmerl桥调查统计数据），认为施工过程管理完善，初始浓度为C0=0，临界氯离子浓度Cr取保守估计为0.05%。采用掺加粉煤灰和硅灰的高性能混凝土，水胶比为0.35，扩散系数随时间衰减，衰减系数n=0.64，测得混凝土养护28d的扩散系数为0.48*10-12m2/s=15.14mm2/a，考虑混凝土在养护和使用过程中的劣化效应，取劣化系数K=14.0，用确定性有限元法预测当使用寿命达到至少100a时需要的最小保护层厚度。

图5-1为考虑常扩散系数及同时考虑时变扩散系数和劣化效应时，混凝土结构服役寿命值随保护层厚度变化而变化。从图中可以看出，如果不考虑扩散系数随时间衰减，将低估联盟大桥浪溅区混凝土结构的服役寿命，当混凝土保护层厚度是75mm，临界氯离子浓度为0.05%时，钢筋锈蚀引发期可以达到50年左右，这种考虑是保守的，且与现实情况不符。考虑时间依赖性的氯离子扩散系数及微裂纹导致的劣化效应，当30a后扩散系数为恒定值的情况与工程实际比较接近。在保护层厚度为75mm时，服役寿命为130a，达到设计工作寿命100a的要求，可见扩散系数的衰减及劣化效应对结构工作寿命的延长潜力巨大。同时，随着保护层厚度逐渐增大，混凝土结构的服役寿命基本上呈线性增加，说明增大保护层厚度可以显著改善混凝土结构的耐久性能，提高海工结构服役寿命一个重要的措施是增加混凝土保护层厚度。因此，只要联盟大桥施工质量，包括混凝土质量和保护层厚度偏差得到良好地控制，设计工作寿命是能够实现的。

联盟大桥实际混凝土保护层厚度为75mm，规定使用的是掺加微硅灰和低掺量粉煤灰的高性能混凝土，一般其衰减系数，28d的扩散系数小于1.0*10-12m2/s。图5-2是浪溅区75mm处的氯离子浓度图，很显然，当同时考虑时变扩散系数及劣化效应比考虑常扩散系数情况下，氯离子浓度显著降低，也即服役寿命显著提高。且前者考虑的扩散模型比较完善，与工程实际也比较吻合，更有利于准确预测海洋混凝土结构的服役寿命。作者也分析了只考虑时变扩散系数不考虑劣化效应的情况，发现在75mm处需要上千年才能达到临界氯离子浓度，这与工程实际严重不符，因为在养护和使用期有微裂纹存在，且微裂纹随时间增长逐渐增大，所以劣化效应是客观存在的，必须考虑。

6总结

本文研究了海洋混凝土结构在氯离子侵蚀环境下的寿命预测模型，认为当钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度即为服役寿命终点，进一步在Fick第二定律的基础上，考虑了不同因素对扩散模型的影响，利用有限元法（FEM）对海洋混凝土结构的服役寿命进行了预测。通过算例分析表明：

1.考虑常扩散系数时，将显著低估混凝土结构的服役寿命；而仅考虑时变扩散系数将严重高估服役寿命。无论是高估还是低估对寿命预测的研究都不利；

2.当同时考虑时变扩散系数和劣化效应时能够比较准确预测海洋混凝土结构的服役寿命。通过有限元分析表明，混凝土保护层厚度对结构耐久性能的改善有十分重要的影响，服役寿命基本上与保护层厚度呈线性的比例关系；

3.高性能混凝土掺加了粉煤灰和硅灰等外掺料，提高了混凝土的密实性，降低了氯离子的扩散系数，从而相对于普通混凝土有较好的抗渗性和抗氯离子侵蚀能力。因此，在海洋环境下要推广使用高性能混凝土，提高结构的服役寿命；

4.影响寿命预测模型的因素很多，且这些因素的随机性很大。目前，这些因素多数处于假设和定性认识的基础上，如何合理评价、更加准确预测海洋高性能混凝土结构的耐久寿命尚需进一步的试验研究和大量的统计调查。

参考文献：

[1]赵国藩，贡金鑫，赵尚传著.工程结构生命全过程可靠度[M].北京：中国铁道出版社，2004.5.

[2]田俊峰，王胜年，黄君哲等.海工工程混凝土耐久性设计与寿命预测，中国港湾建设，2006（6）.

[3]金伟良、赵羽凡.混凝土结构耐久性[M].北京：科学技术出版社，2002.

[4]刘秉京编著.混凝土结构耐久性设计[M].人民交通出版社.2007.2.

[5]JTJ275—2000.海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范：[S].

[6]赵筠.钢筋混凝土结构的工作寿命设计—针对氯盐污染环境[J].混凝土，2004（1）.

作者简介：

曾建聪（1983），男（汉族），湖南邵东人，工程师，硕士学位，主要从事建筑结构设计工作。