李冰黎，劉丹忠，孫文豪，3

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.長(zhǎng)江武漢航道工程局，湖北 武漢 430010；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展階段，大量的海洋混凝土結(jié)構(gòu)如跨海大橋、海底隧道、海洋鉆井平臺(tái)等開始興建，這些結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)的耐久性能已成為工程界關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。按照GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，大連灣海底隧道工程所處環(huán)境作用等級(jí)為：水下區(qū)屬于海洋氯化物III-C 級(jí)（中度），海洋浪濺區(qū)/潮汐區(qū)為凍融II-E 級(jí)（非常嚴(yán)重）和海洋氯化物III-E 級(jí)（非常嚴(yán)重）[2-4]。因此，氯離子侵入誘發(fā)鋼筋銹蝕是導(dǎo)致大連灣海底混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的主要因素[5]，預(yù)測(cè)和控制混凝土中氯離子濃度則是評(píng)價(jià)大連灣海底隧道混凝土耐久性的基本要求。

混凝土中氯離子含量預(yù)測(cè)研究包括混凝土中氯離子的傳輸機(jī)理和計(jì)算模型、鋼筋腐蝕條件下氯離子閾值的選擇等多種研究?jī)?nèi)容，其中菲克第二定律是最早用于描述混凝土中氯離子傳輸?shù)暮?jiǎn)單模型[6]。該模型由Collepardi 等人在20 世紀(jì)70年代提出，以其簡(jiǎn)單的形式和方便應(yīng)用性，廣泛獲得業(yè)界的認(rèn)同和采納。受限于水泥均勻性和各向同性等基本假設(shè)，以及考慮的影響因素過少等模型先天不足原因，使得菲克第二定律的預(yù)測(cè)精度存在一定問題[6]。為此，基于菲克第二定律對(duì)氯離子傳輸模型，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了富有成效的改進(jìn)與完善。DuraCrete 模型作為較成熟的氯離子傳輸計(jì)算模型，首先由Mejlbro 提出，補(bǔ)充了菲克第二定律中對(duì)多因素和時(shí)間依賴性的缺失，被歐洲及我國(guó)等多國(guó)的耐久性規(guī)程采納。大連灣海底隧道混凝土耐久性分析以DuraCrete 模型為基礎(chǔ)，因此對(duì)DuraCrete 模型中相關(guān)參數(shù)的研究成為大連灣海底隧道耐久性研究的主要任務(wù)之一。

1 計(jì)算模型分析

1.1 DuraCrete 模型

DuraCrete 模型用于預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部氯離子濃度時(shí)變規(guī)律和一維空間分布特征，一般解析表達(dá)式可簡(jiǎn)寫為[6]：

式中：C（x，t）為t 時(shí)刻距離混凝土表面x mm 位置處的氯離子濃度，kg/m3；Cs為表面氯離子濃度，kg/m3；Ke為環(huán)境對(duì)氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)系數(shù)；Kc為混凝土養(yǎng)護(hù)方法對(duì)氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)系數(shù)；Km為測(cè)試方法對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響參數(shù)；t0為參考時(shí)間，一般取0.076 7 a（對(duì)應(yīng)于28 d）；m 為衰減系數(shù)參數(shù)；D0為時(shí)刻t0時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 環(huán)境對(duì)氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)系數(shù)

氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke是混凝土在實(shí)際使用過程中與在實(shí)驗(yàn)室條件下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)數(shù)值之比，反映了實(shí)際使用環(huán)境中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的放大倍數(shù)。DuraCrete 模型中，影響混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的環(huán)境系數(shù)Ke，即大連灣海底隧道建設(shè)工程項(xiàng)目模型中的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke。鑒于相關(guān)規(guī)范中該系數(shù)取值面向全國(guó)，與大連灣區(qū)域存在一定的差別，因此需要對(duì)大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤調(diào)查及混凝土試件的暴露試驗(yàn)，才能確定合理的Ke值。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為兩個(gè)部分，分別為實(shí)際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴(kuò)散的長(zhǎng)期劣化效應(yīng)試驗(yàn)和高性能混凝土在大連地區(qū)海洋暴露環(huán)境下氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)試驗(yàn)[7]。

1）為了計(jì)算大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化系數(shù)Ke值，將混凝土內(nèi)部不受外界影響的芯樣浸泡在實(shí)驗(yàn)室的海水中，按照自然擴(kuò)散法測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，在考慮溫度修正（按照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的 20 ℃修正到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的平均10 ℃）與長(zhǎng)期服役時(shí)間修正（按照時(shí)間依賴性指數(shù)m=0.630 4），則可計(jì)算出實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土的長(zhǎng)期氯離子擴(kuò)散系數(shù)，之后將其與海洋工程暴露環(huán)境中結(jié)構(gòu)表面混凝土的實(shí)測(cè)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行比較，得到海洋結(jié)構(gòu)中不同環(huán)境區(qū)域混凝土的劣化效應(yīng)系數(shù)[8-9]。

2）利用實(shí)驗(yàn)室制備的系列高性能混凝土，在室內(nèi)與大連灣海洋現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)暴露條件下分別獲得氯離子擴(kuò)散規(guī)律。其中，海洋暴露區(qū)域分為：大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū)。試驗(yàn)得到不同高性能混凝土在不同海洋暴露環(huán)境中的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并與相應(yīng)的室內(nèi)表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定高性能混凝土在大連海洋環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴(kuò)散的長(zhǎng)期劣化效應(yīng)

3.1.1 實(shí)際海洋工程結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

將大連地區(qū)多種海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役條件下氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dat，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役條件下Dat的大致規(guī)律，見圖1。

圖1 海洋環(huán)境中混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)分布圖Fig.1 Distribution of chloride ion diffusion coefficient of concrete in marine environment

1）對(duì)于實(shí)際環(huán)境Dat發(fā)展趨勢(shì)，潮汐區(qū)混凝土Dat發(fā)展曲線先減小后增大，浪濺區(qū)潮汐區(qū)混凝土Dat發(fā)展曲線同樣先減小后增大，大氣區(qū)混凝土Dat先增大后減小。

2）在11～50 a 服役期內(nèi)，潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土Dat相差較小，分別為0.01、0.06、0，擬合曲線基本一致，表明大連地區(qū)實(shí)際海洋環(huán)境下潮汐區(qū)與Dat擴(kuò)散在11～50 a 服役期內(nèi)基本相同。

3）潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土Dat前期雖然相差較小，但服役82 a 條件下，潮汐區(qū)混凝土Dat相較浪濺區(qū)大1.21，具有較為明顯的抬升。從整體看，潮汐區(qū)Dat總是不小于浪濺區(qū)混凝土Dat。

4）大氣區(qū)混凝土Dat變化趨勢(shì)與潮汐區(qū)或浪濺區(qū)截然不同，為先快速增大后迅速降低，初期（服役11 a）時(shí)，大氣區(qū)混凝土Dat較潮汐區(qū)（或浪濺區(qū)）混凝土Dat均小，約小0.28。其后服役期混凝土Dat均較潮汐區(qū)（或浪濺區(qū)）混凝土Dat大，最小偏差0.22。

3.1.2 芯樣室內(nèi)試驗(yàn)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

將混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不受外界影響的芯樣浸泡在實(shí)驗(yàn)室的海水中，按照自然擴(kuò)散法測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，在考慮溫度時(shí)間修正后，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)（Da）的大致規(guī)律，見圖2。

1）各區(qū)域混凝土Da發(fā)展曲線，隨著服役時(shí)間增加而降低。

圖2 海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)混凝土室內(nèi)試驗(yàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of chloride ion diffusion coefficient in laboratory test of concrete in marine environment

2）大氣區(qū)海洋結(jié)構(gòu)混凝土Da較其他區(qū)域普遍較大，可能原因之一為潮汐區(qū)及浪濺區(qū)混凝土受海水侵?jǐn)_，海水中礦物質(zhì)將混凝土毛細(xì)孔甚至細(xì)小裂縫封堵，使得混凝土結(jié)構(gòu)致密不易受氯離子侵蝕。

3.1.3 混凝土氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)

將計(jì)算得到的混凝土擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值，按照海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)進(jìn)行分類匯總，建立大連地區(qū)海洋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值的大致規(guī)律，見圖3。

圖3 海洋環(huán)境中混凝土氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)分布圖Fig.3 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in marine concrete

1）由圖3 可見，這些海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)多屬于普通混凝土，強(qiáng)度等級(jí)不高，而且年代、原材料、配合比及施工工藝均不相同，雖然海洋結(jié)構(gòu)中混凝土的氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)是存在的，但各數(shù)據(jù)離散性較大，因此對(duì)于某固定組分混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)該參照對(duì)應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)。

2）海洋大氣區(qū)：在11～50 a 服役期內(nèi)，Ke=0.70～6.08，平均值2.71，標(biāo)準(zhǔn)差2.27；海洋潮汐區(qū)：在 11～82 a 服役期內(nèi)，Ke=0.34～6.85，平均值2.44，標(biāo)準(zhǔn)差2.17；海洋浪濺區(qū)：在11～82 a 服役期內(nèi)，Ke=0.45 ～4.73，平均值 1.73，標(biāo)準(zhǔn)差1.17。

3） 對(duì)于明確使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），經(jīng)過實(shí)測(cè)其抗壓強(qiáng)度在 40 ～45 MPa，經(jīng)單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，該高性能混凝土結(jié)構(gòu)在大連地區(qū)服役11 a 后氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值，明顯小于普通混凝土。按照拉伊達(dá)異常數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則，得到以下統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

海洋潮汐區(qū)：Ke=1.15～1.46，平均值1.32，標(biāo)準(zhǔn)差0.16，變異系數(shù)12.1%。

海洋浪濺區(qū)：Ke=1.17～1.70，平均值1.52，標(biāo)準(zhǔn)差0.26，變異系數(shù)17.3%。

海洋大氣區(qū)：Ke=0.70～1.02，平均值0.85，標(biāo)準(zhǔn)差0.16，變異系數(shù)18.6%。

對(duì)于使用高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建），其氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)值規(guī)律與DuraCrete 規(guī)定具有一定的可比性，而且其變異系數(shù)不超過20%，適合大連灣海底隧道耐久性模型使用。

4）對(duì)于高性能混凝土的滑道碼頭（2005 年建）劣化效應(yīng)系數(shù)值進(jìn)行細(xì)部分析，統(tǒng)計(jì)表見表1。由表1 可以較為明顯地看到：浸泡40 d，潮汐區(qū)＞浪濺區(qū)＞大氣區(qū)；浸泡111 d，浪濺區(qū)＞潮汐區(qū)＞大氣區(qū)；浸泡231 d，潮汐區(qū)＞大氣區(qū)＞浪濺區(qū)。

表1 滑道碼頭（2005 年建）Ke 值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Glide pier(built in 2005)Ke values statistical table

浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，Ke值普遍降低，且231 d 浸泡時(shí)間下，Ke值分布規(guī)律與DuraCrete 規(guī)定具有較高的一致性，可能是較為準(zhǔn)確的劣化效應(yīng)系數(shù)值，但從安全性角度考慮，不推薦使用。

3.2 高性能混凝土在大連地區(qū)海洋暴露環(huán)境下氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)

高性能混凝土在大連海洋環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)見圖4，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)于高性能混凝土，在大連灣海洋暴露環(huán)境下的Ke平均值分別為：潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.46、水下區(qū)1.55。標(biāo)準(zhǔn)差分別為：潮汐區(qū)0.85、浪濺區(qū)0.84、水下區(qū)0.80。從統(tǒng)計(jì)的平均值來看，高性能混凝土的Ke值明顯小于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在役普通混凝土結(jié)構(gòu)Ke值。

圖4 高性能混凝土氯離子擴(kuò)散的劣化效應(yīng)系數(shù)分布圖Fig.4 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in high performance concrete

比較使用高性能混凝土的某碼頭（2005 年建）服役11 a 后的Ke值（潮汐區(qū)1.32、浪濺區(qū)1.52，變異系數(shù)不超過20%），新制備的高性能混凝土的Ke值是可靠的，與現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期服役數(shù)據(jù)是相當(dāng)?shù)摹０凑詹焕瓌t，大連灣海底隧道結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計(jì)分析推薦采用的Ke值取值為：水下區(qū)1.55、潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.52、大氣區(qū)0.85。

4 結(jié)語

為研究確定大連灣海底隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性DuraCrete 模型中氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)系數(shù)，分析了大連灣區(qū)域既有海工混凝土氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)，結(jié)合擬采用的高性能混凝土室內(nèi)外對(duì)比試驗(yàn)，分析不同區(qū)域氯離子擴(kuò)散劣化效應(yīng)系數(shù)，主要結(jié)論及建議如下：

1）大氣區(qū)海洋結(jié)構(gòu)混凝土Da較其他區(qū)域普遍較大，可能是因?yàn)槌毕珔^(qū)及浪濺區(qū)混凝土受海水侵?jǐn)_，海水中礦物質(zhì)將混凝土毛細(xì)孔甚至細(xì)小裂縫封堵，使得混凝土結(jié)構(gòu)致密不易受氯離子侵蝕，結(jié)論有待進(jìn)一步的研究探索。

2）高性能混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)Ke值小于普通混凝土。

3）大連灣海底隧道沉管隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)分析推薦采用的Ke取值為：水下區(qū)1.55、潮汐區(qū)1.38、浪濺區(qū)1.52 和大氣區(qū)0.85。