劉瑞軍

（中鐵十六局集團(tuán)置業(yè)投資有限公司，北京 100018）

0 引言

實(shí)際工程中，受地下水硫酸鹽及潮濕環(huán)境影響的地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐久性問題更為嚴(yán)峻，因此受氯鹽腐蝕的地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析和壽命預(yù)測成為了工程師關(guān)注的熱點(diǎn)。目前常見的各類氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)壽命模型都以Tuutti提出的兩階段模型[1]為基礎(chǔ)，認(rèn)為氯離子擴(kuò)散模型是氯離子腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和壽命預(yù)測的理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上國內(nèi)外學(xué)者對(duì)耐久性使用壽命預(yù)測模型開展了大量工作：Browne[2]基于Fick擴(kuò)散定律，建立了考慮氯離子濃度與擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散深度的數(shù)學(xué)模型預(yù)測構(gòu)件壽命；Bazant[3]基于鋼筋銹蝕機(jī)理和彈性力學(xué)理論建立了海洋環(huán)境下構(gòu)件使用壽命預(yù)測的數(shù)學(xué)模型；Hansen[4]也建立了海洋環(huán)境下構(gòu)件使用壽命預(yù)測模型；肖從真、劉西拉[5]采用數(shù)論模擬方法結(jié)合方差縮減技術(shù)進(jìn)行壽命預(yù)測；王勝年、黎鵬平[6]等通過對(duì)海工混凝土耐久性的大量研究，建立了荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型。上述預(yù)測模型可為氯鹽腐蝕環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命預(yù)測提供有效工具。

表1 不同典型地區(qū)的臨界氯離子濃度取值[7]

表2 混凝土表面氯離子濃度取值[8]

本文在查閱大量文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，采用荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型，結(jié)合實(shí)測唐山市曹妃甸區(qū)地下水腐蝕性結(jié)果，對(duì)該地區(qū)地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命開展模型預(yù)測、對(duì)比分析。

1 荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型

在氯鹽侵蝕環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性設(shè)計(jì)方程為：

求解該方程則混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命ti如式（2）所示。

式中：x為混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的保護(hù)層厚度，mm；Dcl(t)為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)設(shè)計(jì)值，10～12m2/s，按式（3）計(jì)算；ccr為臨界區(qū)氯離子濃度，按表1所示；cs為混凝土表面氯離子濃度，如表2所示；c0為混凝土初始氯離子濃度，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù) 取值。

恒定荷載作用下：

式中：ke，cl為混凝土環(huán)境系數(shù)，按《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取值，如表3所示；kη，cl為混凝土荷載影響系數(shù)，按式（4）計(jì)算；kc，cl為試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)換系數(shù)，采用RCM方法時(shí)，取0.5；Dcl，0為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)值，10～12m2/s；t0為試驗(yàn)混凝土氯離子滲透性試驗(yàn)臨期，a；t為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減至恒定值的時(shí)間，a，通常取30；n為擴(kuò)散系數(shù)的衰減值，按表4所示；η為應(yīng)力水平。

表3 混凝土環(huán)境系數(shù)[7]

式中，A、B為與膠凝材料有關(guān)的常數(shù)，參考文獻(xiàn)[6]普通混凝土A=2.24、B=2.977；粉煤灰混凝土A=6.08、B=1.638；礦渣混凝土A=1.32、B=1.638；粉煤灰礦渣混凝土A=1.02、B=1.638。

表4 擴(kuò)散系數(shù)衰減值n的建議取值[6]

2 唐山市曹妃甸區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命預(yù)測

唐山市曹妃甸區(qū)作為河北省國家級(jí)沿海戰(zhàn)略的核心，京津冀協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略核心區(qū)，規(guī)劃至2020年，大力開展相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。本文選取唐山市曹妃甸區(qū)地下混凝土結(jié)構(gòu)工程為耐久性設(shè)計(jì)對(duì)象，采用上述預(yù)測模型分別開展普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結(jié)構(gòu)在恒定荷載和交變荷載作用下的耐久性使用壽命預(yù)測。唐山市曹妃甸區(qū)屬于北方地區(qū)混凝土環(huán)境系數(shù)取0.8，當(dāng)?shù)貙?shí)測地下水氯離子濃度為2.0%，根據(jù)規(guī)范混凝土表面氯離子濃度取5.5%，臨界氯離子濃度取0.6%。

經(jīng)試驗(yàn)測定56d（t0=0.153年）時(shí)上述混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)可分別按式（5）[6]計(jì)算：

式中，普通混凝土α=1.06，β=2.16；粉煤灰混凝土α=0.89，β=1.04；礦渣混凝土α=0.72，β=1.43；粉煤灰礦渣混凝土α=0.73，β=1.23。

2.1 恒定荷載作用

普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結(jié)構(gòu)（混凝土保護(hù)層厚度取60mm），在恒定荷載下（應(yīng)力水平分別為0.1、0.3、0.5、0.7）耐久性使用壽命預(yù)測結(jié)果如圖1所示。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）唐山市曹妃甸區(qū)普通地下混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽侵蝕環(huán)境下、不同應(yīng)力水平作用時(shí)的使用壽命分別為53年、19年、7年和3年，低于或略大于一般混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限（50年），不滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。因此需采用必要的防腐蝕措施；

（2）混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命隨著應(yīng)力水平的增加而減少。以普通混凝土為例，在應(yīng)力水平0.1、0.3、0.5、0.7的荷載作用下普通混凝土使用壽命由53年逐漸下降至3年，下降幅度非常明顯。粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土亦存在上述規(guī)律；

（3）在相同應(yīng)力水平下各類混凝土的使用壽命，普通混凝土＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土。可見氯鹽侵蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)摻入粉煤灰、礦渣等摻合料可有效提高耐久性，延長使用壽命。

因此，對(duì)于氯鹽侵蝕環(huán)境下的地下混凝土結(jié)構(gòu)，必須采取相應(yīng)的防腐蝕措施，而采用粉煤灰、礦渣等摻合料是行之有效的方法。

圖1 恒定荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)測使用壽命

2.2 交變荷載作用

普通混凝土、粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土這四類混凝土結(jié)構(gòu)在交變荷載作用下耐久性使用壽命預(yù)測結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明：在交變荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命隨著應(yīng)力水平變化規(guī)律與恒定荷載作用時(shí)一致，且各類混凝土的使用壽命同樣是普通混凝土＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土。因此可采用摻入粉煤灰、礦渣等摻合料的方法來提高耐久性，延長使用壽命。此外，對(duì)比不同荷載作用下各類混凝土的使用壽命預(yù)測結(jié)果，可知荷載作用形式對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命存在一定影響，但數(shù)值變化不明顯，其中普通混凝土在交變荷載作用下耐久性改善，而粉煤灰混凝土、礦渣混凝土以及粉煤灰礦渣混凝土則有所下降。

圖2 交變荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)測使用壽命

3 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究具有重大意義。本文通過荷載-氯鹽耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型，對(duì)唐山市曹妃甸區(qū)地下混凝土結(jié)構(gòu)開展使用壽命預(yù)測。分析結(jié)果表明在相同環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命隨著應(yīng)力水平的增加而減少，且普通混凝土使用壽命＜粉煤灰混凝土＜粉煤灰礦渣混凝土＜礦渣混凝土。因此，采用粉煤灰、礦渣等摻合料是改善氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效方法。