李金永 曹 銀

（1.中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024）

1 引言

鋼筋混凝土是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵工程材料，被廣泛應(yīng)用于鐵路軌道、隧道、橋梁等主要結(jié)構(gòu)。通常要承受列車(chē)高速運(yùn)行產(chǎn)生的荷載及外部服役環(huán)境的綜合作用，其耐久性直接關(guān)系到工程安全性和服役壽命。Mehta教授在總結(jié)混凝土的耐久性時(shí)指出，鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)劣化的首要破壞因素［1］，而來(lái)自服役環(huán)境中的氯離子又是造成鋼筋銹蝕的主要原因［2］。理論和試驗(yàn)研究均表明，不考慮外部荷載及混凝土損傷條件下得出的氯離子傳輸結(jié)果與實(shí)際情況存在很大的差異［3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注多因素協(xié)同作用下水泥基材料的耐久性研究［4-6］。應(yīng)力作用與氯離子侵蝕耦合作用對(duì)鋼筋混凝土劣化的相互促進(jìn)是導(dǎo)致二者共存環(huán)境下劣化行為與機(jī)理較為復(fù)雜的主要原因。理論研究和實(shí)際試驗(yàn)均表明，荷載與氯鹽侵蝕耦合因素作用下鋼筋混凝土耐久性的評(píng)價(jià)研究比僅考慮承載力或僅考慮氯鹽侵蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法更有意義，更符合混凝土材料的實(shí)際服役條件。利用力學(xué)荷載與氯鹽侵蝕作用下混凝土的研究成果指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，可以更安全、更有效地提高混凝土的耐久性和實(shí)際服役年限，減小后期維護(hù)和維修費(fèi)用，同時(shí)保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

因國(guó)家重點(diǎn)工程對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)混凝土的安全運(yùn)行和耐久性有很高的要求，結(jié)合耐久性研究最新進(jìn)展［7］，對(duì)蘭新高速鐵路LXS-15標(biāo)段C40和 C45混凝土開(kāi)展拉應(yīng)力-氯鹽侵蝕耦合作用下的耐久性研究和服役壽命預(yù)測(cè)分析，研究了應(yīng)力對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懠捌鋵?duì)混凝土服役壽命的影響。蘭新高速鐵路是連接甘肅省蘭州市與新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市的高速鐵路，是世界上一次性建成通車(chē)?yán)锍套铋L(zhǎng)的高速鐵路，是中國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)項(xiàng)目，也是亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分。蘭新高速鐵路新疆段要途經(jīng)4大風(fēng)區(qū)。其中，“百里風(fēng)區(qū)”、“三十里風(fēng)區(qū)”的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，部分區(qū)段最大速度可達(dá)60 m/s，相當(dāng)于十七級(jí)風(fēng)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 原材料及配合比

試驗(yàn)用水泥為P.O42.5低堿水泥，水泥的相關(guān)性能見(jiàn)表1和表2。粉煤灰細(xì)度為10.8%，需水量比為92%；礦渣粉比表面積為426 m2/kg；砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 650 kg/m3，含泥量＜1.5%；碎石為5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配；拌和水為地下飲用水；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率27.1%；引氣劑為JX-EAB型引氣劑，摻量為0.2%。

表1 水泥物理性能

表2 水泥的基本性能 %

2.2 試驗(yàn)方法及裝置

選用樁基礎(chǔ)C40和C45混凝土作為研究對(duì)象，配合比見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)用混凝土配合比 kg/m3

將原材料按表3準(zhǔn)確稱(chēng)取后拌和3 min，然后制成啞鈴型混凝土試件（拉荷載試件）。

24 h后拆除成型模具，將混凝土小梁和啞鈴型試件放入相對(duì)濕度≥95%、溫度（20±2）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，然后測(cè)試試件的軸心抗拉強(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度采用液壓伺服壓力機(jī)施加載荷，軸心抗拉強(qiáng)度采用RILEMTC 246-TDC設(shè)計(jì)的加載裝置進(jìn)行加載，如圖1所示。

圖1 拉應(yīng)力與氯鹽侵蝕作用下混凝土耐久性測(cè)試

由于所選取部件的實(shí)際承載狀況無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在考慮安全余量的情況下，本項(xiàng)目選取30%的拉應(yīng)力比進(jìn)行加載，即取抗拉強(qiáng)度的30%作為外部應(yīng)力。

按照RILEMTC 246-TDC提出的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)［8-9］對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和預(yù)處理，開(kāi)始拉應(yīng)力與氯鹽侵蝕耦合作用下的耐久性試驗(yàn)。作用至暴露齡期后，按要求分層取樣，測(cè)試總氯離子含量，以占混凝土質(zhì)量的百分比表示。

3 混凝土在拉荷載與氯鹽作用下的服役行為

3.1 拉荷載與氯鹽作用下樁基礎(chǔ)C40混凝土服役行為

結(jié)合拉應(yīng)力比分別為0和0.3時(shí)氯鹽侵蝕作用4周、8周和12周后樁基礎(chǔ)C40混凝土試件的氯離子濃度變化，采用文獻(xiàn)［10］中的方法，對(duì)氯離子濃度分布曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得出表觀擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度，分別如圖2～圖3所示。

圖2 擬合得出的拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C40混凝土表面氯離子濃度

圖3 擬合得出的拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C40混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3.2 拉荷載與氯鹽作用下樁基礎(chǔ)C45混凝土服役行為

結(jié)合拉應(yīng)力比分別為0和0.3時(shí)氯鹽侵蝕作用4周、8周和12周后樁基礎(chǔ)C45混凝土試件的氯離子濃度變化，采用同樣的方法擬合得出拉應(yīng)力作用下混凝土的表觀擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度，如圖4～圖5所示。

圖4 擬合得出的拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C45混凝土表面氯離子濃度

圖5 擬合得出的拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C45混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3.3 拉應(yīng)力對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響

在持續(xù)外部拉荷載作用下，混凝土試件不同深度處的總氯離子含量隨時(shí)間逐漸升高；氯離子逐漸由表層擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部。在相同的暴露齡期條件下，混凝土中氯離子濃度隨著深度的增加而逐漸減小至趨近于初始氯離子濃度。當(dāng)拉應(yīng)力比為0.3時(shí)，同一深度處的氯離子濃度比無(wú)拉應(yīng)力時(shí)略大，外部拉荷載加速了氯離子向混凝土中的傳輸。從圖2～圖5可以看出，拉應(yīng)力比為0.3條件下得出的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比無(wú)荷載時(shí)稍大，表明30%外部拉荷載加速了外部氯鹽向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散。這主要是由于在拉荷載條件下，長(zhǎng)期持載可能造成混凝土內(nèi)部微裂紋的萌生與擴(kuò)展，為氯離子擴(kuò)散提供了額外的路徑，從而加速了氯鹽向混凝土內(nèi)部的傳輸。

對(duì)于無(wú)荷載和30%拉荷載條件下的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)同一試件而言，氯離子滲透深度都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，但不同齡期內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)卻隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，近似呈冪函數(shù)衰減。因此，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)時(shí)還需要考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)變性。另外，擬合得出的表面氯離子濃度均近似呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，但最終趨近于穩(wěn)定。由于試驗(yàn)試件在進(jìn)行荷載和氯鹽侵蝕之前處于相對(duì)飽水狀態(tài)，所以從中并沒(méi)有明顯觀測(cè)出混凝土表層的對(duì)流區(qū)。若試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)流區(qū)的存在，就需要獲得更多層的氯離子濃度數(shù)據(jù)并運(yùn)用Fick第二定律解析解模型進(jìn)行擬合；相應(yīng)地，在進(jìn)行混凝土的服役壽命預(yù)測(cè)時(shí)，則需要用Cs，Δx來(lái)替代表面氯離子濃度（其中Δx為對(duì)流區(qū)的深度）。

4 混凝土在拉荷載與氯鹽作用下的壽命評(píng)估

采用文獻(xiàn)［11］建立的荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)RSC模型，式（1）～式（3）為對(duì)兩種不同配比的混凝土進(jìn)行服役壽命可靠度計(jì)算公式。式中各參數(shù)的物理意義及取值方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［11］。

采用不同應(yīng)力條件下混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)作為輸入變量（見(jiàn)表4），以氯離子侵蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū)環(huán)境條件參數(shù)進(jìn)行荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土服役壽命可靠度計(jì)算。齡期指數(shù)、環(huán)境參數(shù)等輸入變量的分布取值參考文獻(xiàn)［12］確定，按照全概率的可靠度方法計(jì)算混凝土可靠度指標(biāo)隨時(shí)間的演變情況，采用德國(guó)RCP GmbH公司與慕尼黑工業(yè)大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的軟件STRUREL進(jìn)行可靠度指標(biāo)計(jì)算。

表4 試驗(yàn)得出的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其可靠度計(jì)算輸入值

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出了被測(cè)C40和C45混凝土在拉荷載和氯鹽侵蝕耦合作用下的可靠度指標(biāo)演變和失效概率演變情況如圖6～圖9所示。

圖6 拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C40混凝土的可靠度指標(biāo)

圖7 拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C40混凝土的失效概率

圖8 拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C45混凝土的可靠度指標(biāo)

圖9 拉應(yīng)力作用下樁基礎(chǔ)C45混凝土失效概率

可以看出，兩類(lèi)混凝土試件在拉應(yīng)力與氯鹽協(xié)同作用下服役100年后可靠度指標(biāo)均大于設(shè)計(jì)值1.3，表明兩類(lèi)混凝土的使用壽命均遠(yuǎn)超100年。30%拉荷載作用使得混凝土在氯鹽環(huán)境下的服役壽命縮短。因此，在進(jìn)行鐵路工程材料耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮受拉構(gòu)件及構(gòu)件受拉區(qū)的耐久性。

5 結(jié)論

（1）利用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研發(fā)的設(shè)備對(duì)樁基礎(chǔ)C40混凝土和樁基礎(chǔ)C45混凝土開(kāi)展拉應(yīng)力與氯鹽侵蝕協(xié)同作用下的耐久性評(píng)價(jià)，保證了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)環(huán)境接近實(shí)際服役環(huán)境，評(píng)價(jià)結(jié)果更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

（2）在基于全概率氯離子侵蝕模型的基礎(chǔ)上，考慮荷載作用，參考耐久性設(shè)計(jì)文獻(xiàn)經(jīng)計(jì)算得出結(jié)論：兩類(lèi)被測(cè)混凝土使用壽命均超過(guò)設(shè)計(jì)使用壽命。

（3）與不受力混凝土相比，施加30%拉應(yīng)力后，混凝土在不同齡期內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均稍微增大；外加拉應(yīng)力一定程度上加速了混凝土內(nèi)的氯離子擴(kuò)散，導(dǎo)致混凝土的服役壽命縮短。在進(jìn)行鐵路工程材料耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注受拉構(gòu)件和構(gòu)件受拉區(qū)的材料設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)混凝土配合比優(yōu)化和施工質(zhì)量控制，如控制混凝土水膠比和最小水泥用量來(lái)改善混凝土的密實(shí)性、增加保護(hù)層厚度等。必要時(shí)還需要采取防腐蝕附加措施，如混凝土表面涂層和防腐蝕面層、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑等。