基于相似理論的海工預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)

劉榮桂，徐潔，陳素碧，高遠(yuǎn)

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要：根據(jù)經(jīng)典相似理論及海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要表征量，以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為紐帶建立了室內(nèi)加速模擬環(huán)境試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境結(jié)構(gòu)之間的時(shí)間相似關(guān)系。參考連云港港區(qū)氯鹽侵蝕環(huán)境，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人工氣候模擬侵蝕條件；澆筑了2根與現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件材料組成相同、結(jié)構(gòu)特征相似的試驗(yàn)梁。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件及侵蝕后的試驗(yàn)梁鉆取混凝土粉末試樣，通過(guò)快速氯離子檢測(cè)方法(即RCT法)測(cè)得氯離子含量。按照Fick第二擴(kuò)散定律并通過(guò)Matlab擬合得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并根據(jù)其時(shí)間衰減關(guān)系得到該地區(qū)對(duì)應(yīng)的海洋大氣區(qū)時(shí)間相似系數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)服役結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)； 氯離子擴(kuò)散系數(shù)； 人工室內(nèi)快速試驗(yàn)； 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性； 時(shí)間相似系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2015)03-0018-06

Abstract：According to classical similarity theory and the main characterization of durability of the marine prestressed concrete structures, the time similarity relationships between trial structures of indoor accelerated simulation tests in an artificial environment and the in-situ structures in the actual environment have been established by taking chloride ion diffusion coefficients as a linkage. Considering the chlorine salt corrosion environmental conditions in the Lianyungang port, the design of the homologous system of corrosion for artificial climate modeling is made. Simultaneously, two experimental beams with the same composition of materials and similar structural features are poured. And then a sample of concrete powder which is taken from the beams placed in the artificial climate modeling laboratory and in the Lianyungang port area is used for examination and tests on the concentration of the chloride ion by use of a rapid chloride ion detection method (i.e a RCT method). On the basis of the Fick’s second law of diffusion, the diffusion coefficients of the chloride ion are fitted by a software Matlab. The corresponding time similarity coefficients λt under the marine atmosphere are calculated. This method can provide the basis for prediction of the service life of the marine prestressed concrete structures and make a key step for engineering applications in the future.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.004

收稿日期：2014-10-17

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201401027)

作者簡(jiǎn)介：郭紅民(1964—)， 男， 湖北宜昌人, 教授級(jí)高級(jí)工程師， 主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方向的研究。

海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)具有工作量大、工藝復(fù)雜、綜合成本高、環(huán)境與時(shí)空相似關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。目前的試驗(yàn)以人工室內(nèi)快速試驗(yàn)為主，其研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工程的耐久性分析和評(píng)價(jià)有一定指導(dǎo)意義，但很難直接應(yīng)用于工程實(shí)踐，主要原因如下：①研究對(duì)象(實(shí)際工程結(jié)構(gòu))與試驗(yàn)對(duì)象(人工室內(nèi)快速試驗(yàn)試件)尺寸材料存在差異性；②研究對(duì)象所處的實(shí)際侵蝕環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工模擬環(huán)境條件存在差異性；③結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題以服役年限來(lái)考慮，而人工快速試驗(yàn)的時(shí)間歷程短，存在差異性等等。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)試件兩者歷程相似、關(guān)系模糊，上述問(wèn)題的癥結(jié)在于：缺少相關(guān)相似理論的支撐，使得試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性大大降低。本文以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為主要參考指標(biāo)建立了室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)工程結(jié)構(gòu)之間壽命的聯(lián)系，并給出了兩者之間的時(shí)間相似系數(shù)，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

1海工相似理論參數(shù)選取

海水的高含鹽量、生物活性和導(dǎo)電性致使海洋環(huán)境的復(fù)雜程度極高，相關(guān)研究難度較大[2]。海水中氯鹽主要以氯離子形式存在，含量極其豐富。氯鹽侵蝕是導(dǎo)致海工混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主因[3]。因此，對(duì)海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的研究，主要應(yīng)側(cè)重于混凝土中氯離子含量與侵蝕深度的檢測(cè)。在以氯鹽侵蝕為主導(dǎo)的耐久性問(wèn)題中，反映混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要參數(shù)有氯離子擴(kuò)散系數(shù)D和表面氯離子濃度等。

時(shí)間-環(huán)境相似模型是以相似三定理為理論基礎(chǔ)[4-7]。根據(jù)相似理論，開(kāi)展侵蝕環(huán)境相似、構(gòu)件尺寸比例相似、材料相同的人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)。

(1)

式中:D(t)為對(duì)應(yīng)暴露時(shí)間t的表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；Dref為對(duì)應(yīng)暴露時(shí)間tref的參考表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；n為時(shí)間衰減系數(shù)，對(duì)于普通水泥混凝土而言，有n=2.5w/c-0.6[5]，w/c為混凝土水灰比。

分別記人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)構(gòu)件tref時(shí)刻的表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Dref，現(xiàn)場(chǎng)海工構(gòu)件T′時(shí)刻的表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)為D′。由式(1)表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土暴露時(shí)間的關(guān)系，可以計(jì)算出人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到D′時(shí)所需要的時(shí)間T，即：

(2)

在計(jì)算出人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)所需時(shí)間T之后，可以得出時(shí)間的相似系數(shù)λt：

(3)

(4)

在構(gòu)件材料性能相同的情況下，可以認(rèn)為λt為人工氣候模擬侵蝕構(gòu)件與現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的時(shí)間相似系數(shù)。通過(guò)確定該相似系數(shù)，可進(jìn)行相似侵蝕環(huán)境下的服役構(gòu)件全壽命預(yù)測(cè)。

2室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土試件尺寸為150 mm×200 mm×1 500 mm；試件單側(cè)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，采用后張法進(jìn)行張拉試驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力筋預(yù)留孔道為φ50鍍鋅管?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，水泥采用徐州市誠(chéng)意水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用玄武巖碎石，最大粒徑為20 mm，細(xì)骨料為江砂(細(xì)度模數(shù)2.8)。試驗(yàn)采用2組混凝土試件，強(qiáng)度等級(jí)為C40，水灰比0.412，材料組成為水164 kg/m3, 水泥398 kg/m3，砂745 kg/m3，碎石1 189 kg/m3。基于經(jīng)典相似理論，該試驗(yàn)所澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土試件材料組成與連云港港口3~4號(hào)泊位結(jié)構(gòu)基本相同，結(jié)構(gòu)特征也基本相同。

2.2構(gòu)件加速侵蝕模擬

室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗(yàn)通過(guò)改變?nèi)芤簼舛取⒃囼?yàn)溫度、相對(duì)濕度、干濕循環(huán)比例等環(huán)境條件，達(dá)到加速侵蝕目的，主要表現(xiàn)在表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)的提高上，該值除與混凝土本身的材料性能有關(guān)外，還與侵蝕介質(zhì)溶液氯離子濃度、綁定效應(yīng)、齡期等有關(guān)。為加速預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕，參考連云港港區(qū)環(huán)境情況(包括溫濕度、鹽霧沉降量和潮汐等)，采用人工氣候模擬加速試驗(yàn)法，模擬海洋大氣區(qū)，試驗(yàn)參數(shù)[8]為：溫度(37±6)℃，鹽霧沉降量1.0~2.0 m/[80(cm2·h)], 噴霧溫濕時(shí)間比1∶1,周期24 h。

2.3氯離子含量檢測(cè)結(jié)果及分析

在鹽霧-干燥循環(huán)侵蝕環(huán)境下，分別在侵蝕30, 90, 180, 270和360 d后用RCT法測(cè)試預(yù)應(yīng)力混凝土試件不同深度的氯離子含量，并擬合出其氯離子表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)。

2.3.1氯離子含量的檢測(cè)本文采用快速氯離子檢測(cè)方法(RCT法)對(duì)混凝土粉樣內(nèi)的氯離子含量進(jìn)行檢測(cè)，該方法具體操作過(guò)程[9-13]如下：采用直徑15 mm的沖擊鉆在混凝土結(jié)構(gòu)表面鉆孔取粉，鉆孔所取粉末分層收集，每隔5 mm取一粉樣，直至50 mm深度處，將鉆孔得到的混凝土粉末試樣分別通過(guò)0.63 mm篩，裝入鋁土盒中，并置于(105±5)℃烘箱中烘2 h，取出后放入干燥器冷卻至室溫；將冷卻后的粉樣分成3份，每份取1.5 g與氯化物萃取液相混合萃取，并振蕩5 min；最后將標(biāo)定過(guò)的氯電極浸入溶液測(cè)出氯離子含量。測(cè)得氯離子含量侵蝕規(guī)律如圖1所示。

圖1　不同侵蝕時(shí)間和深度的氯離子含量 Fig.1 Chloride ion concentration of beams at different corrosion time and depths

2.3.2表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算假定混凝土中的孔隙分布均勻，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散方式屬于一維擴(kuò)散，濃度梯度沿著鋼筋表面到暴露表面的方向變化，此時(shí)可用式(5)表示Fick第二定律[14]:

(5)

式中：C為氯離子濃度(氯離子占混凝土質(zhì)量百分比)；t為暴露時(shí)間(s)；x為距混凝土表面位置(mm)。

當(dāng)混凝土表面氯離子濃度恒定，同時(shí)假定混凝土?xí)r間相對(duì)于暴露表面為半無(wú)限介質(zhì)，在任意時(shí)刻，相對(duì)暴露表面無(wú)限遠(yuǎn)處的氯離子濃度為初始濃度。根據(jù)初始條件和邊界條件：C(0,t)=CS，C(∞,0)=C0，C(x,0)=C0；Fick第二定律可轉(zhuǎn)換為：

(6)

式中：Cx,t為t時(shí)刻x深度處氯離子濃度，erf(z)為誤差函數(shù)。

借助Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合工具箱，按式(6)對(duì)圖1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁的表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)D(t), 最終結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)梁表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)

從表1可見(jiàn)，表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)和侵蝕時(shí)間成反比，在室內(nèi)侵蝕180 d內(nèi)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯下降；隨著侵蝕時(shí)間的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降緩慢。

3現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果

連云港3~4號(hào)泊位位于連云港港區(qū)東部的二號(hào)突堤?hào)|側(cè)，1974年建成，結(jié)構(gòu)形式為高樁梁板式碼頭，總長(zhǎng)322 m，寬26.37 m，其中碼頭寬13.00 m，平臺(tái)寬13.37 m。泊位碼頭采用500 mm×500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土實(shí)心方形柱，引橋近岸結(jié)構(gòu)段采用450 mm×450 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土實(shí)心方形柱，引橋近碼頭結(jié)構(gòu)段采用500 mm×500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土實(shí)心方形柱；所用混凝土強(qiáng)度均為C40。

3.1連云港港區(qū)工程耐久性檢測(cè)

鋼筋銹蝕通常被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的最主要原因，而海工混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕主要是由于海水中的氯鹽侵蝕作用。因此，在對(duì)海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)放在氯離子在混凝土中的侵蝕深度與含量的檢測(cè)上。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)海工混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子侵入深度及含量大小的檢測(cè)，通常采用對(duì)結(jié)構(gòu)鉆孔取粉的方式完成。2013年4月，在連云港港區(qū)對(duì)部分泊位的海工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐久性檢測(cè)。

圖2　鹽霧區(qū)A0~A9點(diǎn)的氯離子濃度 Fig.2 Chloride ion concentration of salt spray zone of points A0~A9

本文選取與室內(nèi)侵蝕試驗(yàn)相同環(huán)境區(qū)域即鹽霧區(qū)進(jìn)行取粉試驗(yàn)，取粉檢測(cè)方法與室內(nèi)試驗(yàn)方法一致。10個(gè)取粉點(diǎn)A0~A9測(cè)得氯離子侵蝕如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，鹽霧侵蝕對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的影響較為明顯，在距混凝土表面50 mm深度處，A0~A9各點(diǎn)氯離子含量為0.13%~0.30%。根據(jù)美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)(ACI)和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，該地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件Cl-含量較高，極可能出現(xiàn)鋼筋銹蝕且腐蝕情況較為嚴(yán)重。

3.2表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

海洋鹽霧環(huán)境下氯離子的侵入方式較為復(fù)雜，一般認(rèn)為是多種侵入方式的組合。除此之外，氯離子的侵入還受到混凝土材料與氯離子之間的化學(xué)、物理作用等影響。盡管如此，仍可認(rèn)為擴(kuò)散是其最主要的傳輸方式，適用Fick第二定律[15-16]。在得出A0~A9點(diǎn)的不同深度處的氯離子濃度后，借助Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合工具箱，按式(6)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出該預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)D′(t),最終結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　4號(hào)泊位鹽霧區(qū)混凝土表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)

4室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件時(shí)間相似系數(shù)計(jì)算

以擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度為紐帶建立連云港4號(hào)泊位現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)與室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗(yàn)結(jié)構(gòu)之間的時(shí)間相似關(guān)系。將連云港現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)作為服役海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，2根試驗(yàn)梁作為人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)結(jié)構(gòu)建立兩者之間的時(shí)間相似關(guān)系。

選取表2中擬合程度較高的A2，A3，A4，A6共4組數(shù)據(jù)，結(jié)合式(3)~(5)建立兩者之間的時(shí)間相似關(guān)系過(guò)程如下：

(1)已知連云港現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的表觀(guān)氯離子擴(kuò)散系數(shù)大小，通過(guò)式(2)可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)室快速侵蝕試驗(yàn)結(jié)構(gòu)達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相同大小擴(kuò)散系數(shù)時(shí)的時(shí)間t2及材料相似的現(xiàn)場(chǎng)服役結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)室快速侵蝕試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的時(shí)間相似系數(shù)λt，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　時(shí)間相似系數(shù) λ t計(jì)算結(jié)果

(2)通過(guò)2根試驗(yàn)梁30, 90, 180, 270和360 d擴(kuò)散系數(shù)D1求出5個(gè)時(shí)間相似系數(shù)之后，對(duì)所得數(shù)值取平均值得出相似系數(shù)λ=6.09。

5結(jié)語(yǔ)

(1)建立了室內(nèi)加速模擬環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境之間的時(shí)間相似關(guān)系，并給出了時(shí)間相似系數(shù)的表達(dá)式。

(2)結(jié)合連云港工程實(shí)際，將連云港港口4號(hào)泊位碼頭的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)場(chǎng)已建結(jié)構(gòu)，人工氣候模擬加速試驗(yàn)方案快速侵蝕梁作為室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出兩者之間基于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間相似系數(shù)為6.09。

(3)時(shí)間相似系數(shù)確定之后，可以進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展人工氣候模擬加速試驗(yàn)直至人工氣候模擬侵蝕試驗(yàn)結(jié)構(gòu)耐久性失效，并通過(guò)時(shí)間相似系數(shù)推算現(xiàn)場(chǎng)服役結(jié)構(gòu)的耐久性。

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Prediction analysis of service life of marine prestressed concrete structure based on similarity theory

LIU Rong-gui, XU Jie, CHEN Su-bi, GAO Yuan

(FacultyofCivilEngineeringandMechanics,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Key words： prestressed concrete structures; chloride ion diffusion coefficients; artificial indoor rapid test; concrete structure durability; time similarity coefficients

郭紅民， 覃閃， 蔡黎明, 等. 急彎段閘孔出流的彎道水流特性研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(3): 24-30. (GUO Hong-min, QIN Shan, CAI Li-ming, et al. A study of bendway flow characteristics outflowing from sluice orifice on rapid river bend[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(3): 24-30.)

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