林 茂

（福建省交建集團(tuán)工程檢測(cè)有限公司，福建 廈門 361012）

0 引言

海底隧道所處的環(huán)境條件復(fù)雜，二襯混凝土是其重要的支撐結(jié)構(gòu)，目前尚無有效方法預(yù)測(cè)其壽命。因此，能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的使用年限亦無法評(píng)估，鑒于此，本文引入預(yù)測(cè)模型對(duì)混凝土壽命進(jìn)行研究。通過對(duì)混凝土腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，確定影響因素最大的變量，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)其壽命周期，同時(shí)推薦混凝土配合比使用的材料。

1 工程概況

廈門翔安海底隧道工程是我國第一條海底隧道，“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了我國大陸海底隧道“零”的突破，該隧道屬于三孔斷面式隧道，中間的隧道用作服務(wù)區(qū)域，兩邊的隧道則供車輛行使，左右雙向六車道，隧道全長(zhǎng)約 5 950 m，穿越海底地段總長(zhǎng)約 4 200 m，設(shè)計(jì)行車速度為 80 km/h，隧道建筑界限凈高為 5.0 m，凈寬 13.5 m，采用 CRD、雙側(cè)壁等工法鉆爆修建。綜合翔安隧道的地理環(huán)境及其重要的政治經(jīng)濟(jì)地位，屬于一級(jí)重要基礎(chǔ)設(shè)施工程，設(shè)計(jì)使用年限 100 年以上，按所處的環(huán)境作用等級(jí)為 E 級(jí)（近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境的大氣區(qū)）進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提出的設(shè)計(jì)要求其二次襯砌混凝土強(qiáng)度 C45，抗?jié)B等級(jí) P12，強(qiáng)度保證率 95 %。為了達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，二襯混凝土的壽命研究意義重大。

2 混凝土使用壽命

混凝土使用壽命有三個(gè)方面的含義：第一，技術(shù)服役壽命表示使用時(shí)間達(dá)到了預(yù)計(jì)的無法繼續(xù)劣化的時(shí)間；第二，功能服役壽命表示結(jié)構(gòu)功能太舊，不符合業(yè)主使用要求的時(shí)間；第三，經(jīng)濟(jì)服役壽命表示修補(bǔ)結(jié)構(gòu)所耗費(fèi)的金錢比結(jié)構(gòu)更換所耗費(fèi)的金錢更多的時(shí)間［1］。本文所指的混凝土使用壽命說的是技術(shù)服役壽命，也就是混凝土從建造完成起直到結(jié)構(gòu)不能使用的時(shí)間。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［2］將混凝土的使用年限分成若干個(gè)階段，本文的劃分以分析結(jié)果為依據(jù)，共含有 3 個(gè)階段：誘導(dǎo)期（T1）：混凝土投入使用起至鋼筋鈍化膜破裂的時(shí)間；發(fā)展期（T2）：由鋼筋腐蝕開始，到混凝土表面出現(xiàn)裂縫的時(shí)間；失效期（T3）：自混凝土出現(xiàn)裂縫直至剝落或混凝土失去功能的時(shí)間。其中誘導(dǎo)期（T1）占整個(gè)使用壽命的大部分，因此研究的主要方向在第一階段的使用壽命。

3 混凝土使用壽命預(yù)測(cè)方法

在預(yù)測(cè)混凝土使用年限時(shí)，可以使用以下幾個(gè)方法［3］。

3.1 基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)方法

這種方法屬于半定量的預(yù)測(cè)方式，是建立在模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘查和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上的。在預(yù)測(cè)過程中，需要假設(shè)混凝土的施工過程中每一項(xiàng)操作都符合標(biāo)準(zhǔn)，因此混凝土的使用期限必將符合預(yù)期。如果設(shè)計(jì)的壽命不長(zhǎng)，建設(shè)環(huán)境也不算太差，那么就能達(dá)到預(yù)期壽命，如果預(yù)期壽命很長(zhǎng)、采用了新材料或者環(huán)境條件有變化，這種方法的可信度將大大降低。

3.2 基于性能比較的預(yù)測(cè)方法

以性能為基礎(chǔ)進(jìn)行比較預(yù)測(cè)的方式認(rèn)為，如果某種混凝土在某段時(shí)間內(nèi)的使用時(shí)間很長(zhǎng)，那么當(dāng)處于同種環(huán)境時(shí)，類似的混凝土的使用期限將與之相似。然而因?yàn)榛炷两ㄔO(shè)時(shí)的尺寸或其他因素上必然存在一定差異，且不同環(huán)境之間的差異難以避免，所以時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)測(cè)的誤差就越大；特別需要指出的是，若建設(shè)時(shí)使用了不同工藝或不同種類的原材料，那么使用該方法預(yù)測(cè)出的結(jié)果必然會(huì)產(chǎn)生巨大偏差，特別是如果使用的材料比較新，或工藝較復(fù)雜，那么該方式的可操作性也會(huì)降低。

3.3 加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)方法

加速試驗(yàn)表示把混凝土放入侵蝕物質(zhì)濃度較高的溶液內(nèi)或向混凝土施加較高的應(yīng)力，并提高實(shí)驗(yàn)環(huán)境的濕度與溫度，以便讓混凝土結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)退化。這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如果得到合理分析，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的使用時(shí)限與性能的預(yù)測(cè)。在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量保證實(shí)驗(yàn)里的劣化機(jī)制等同于或類似于真實(shí)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分是對(duì)加速系數(shù)的確定，但是要想確定這個(gè)系數(shù)，就必須分析長(zhǎng)期的調(diào)查數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，然而目前并沒有掌握足夠的數(shù)據(jù)和資料。因此如果能夠獲取所需的數(shù)據(jù)依據(jù)，就可以借助加速試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)有效預(yù)測(cè)混凝土使用年限的目標(biāo)。

3.4 數(shù)學(xué)模型預(yù)側(cè)方法

借助數(shù)學(xué)模型來對(duì)使用年限進(jìn)行預(yù)測(cè)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中使用率較高，這種方式是否準(zhǔn)確由環(huán)境與材料參數(shù)是否準(zhǔn)確、模型是否合理決定。

3.5 壽命預(yù)測(cè)的隨機(jī)方法

上述方式都是確定性方式，然而在測(cè)評(píng)混凝土耐久性的工作當(dāng)中，由于對(duì)其使用年限產(chǎn)生影響的所有因素都具備不確定性，所以任何預(yù)測(cè)方式可能產(chǎn)生偏差。比如，混凝土擴(kuò)散系數(shù)、混凝土鋼筋保護(hù)層厚度等數(shù)據(jù)屬于影響的隨機(jī)變量，如果將它們作為預(yù)測(cè)混凝土使用年限的依據(jù)，得到的結(jié)果必然是一個(gè)失效概率下的時(shí)間，也就是說求出來的是某個(gè)使用年限下的失效概率大小，所以在預(yù)測(cè)混凝土使用年限時(shí)，可以引進(jìn)隨機(jī)的概率法。

4 海底隧道混凝土使用壽命預(yù)測(cè)模型

通常鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常大氣環(huán)境下的耐久性由鋼筋保護(hù)層厚度及混凝土碳化速度決定。如果在海洋大氣環(huán)境下，混凝土就不僅受到外界環(huán)境的碳化作用及相應(yīng)鹽霧氯離子的滲透影響，由此鋼筋的耐久性和混凝土堿度、氯離子含量都有關(guān)。在海洋大氣環(huán)境中氯離子在電位差的影響下長(zhǎng)久地滲透到混凝土中，并且空氣中的二氧化碳會(huì)對(duì)混凝土形成持續(xù)的碳化，在上述兩者的雙重作用下鋼筋腐銹及破免鈍速度加快，此時(shí)混凝土鋼筋腐蝕的速度由混凝土孔溶液堿度及孔溶液流離氯離子含量決定。通常混凝土堿度較高時(shí)能夠有效抑制氯離子含量高造成的銹蝕，混凝土堿度較低時(shí)盡管處于低含量氯離子游離狀態(tài)鋼筋也會(huì)腐銹，通?；瘜W(xué)結(jié)合狀態(tài)的氯離子不會(huì)造成鋼筋的腐蝕，可是在混凝土碳化時(shí)化學(xué)結(jié)合態(tài)的氯離子會(huì)轉(zhuǎn)換為游離態(tài)，綜上所述，兩者的耦合作用會(huì)加快鋼筋腐蝕速度。

所以本文將［Cl-］與［OH-］定為腐蝕變量，外界的游離氯離子及混凝土碳化在海洋大氣環(huán)境下就會(huì)作用在鋼筋四周，對(duì)混凝土中微小的毛細(xì)孔道中的溶液造成鋼筋銹蝕所產(chǎn)生的臨界值以及經(jīng)時(shí)變化的模型進(jìn)行分析。假設(shè)這兩個(gè)變量共同使鋼筋達(dá)到脫鈍化臨界值如式（1）所示。

因處于閥值時(shí)氯離子滲透深度即碳化引起混凝土堿度最大時(shí)的碳化程度，氯離子滲透的混凝土鋼筋腐蝕堿度閥值較大，所以含有氯離子的混凝土?xí)霈F(xiàn)碳化反應(yīng)還未開始 CSH 值卻已達(dá)到鋼筋銹蝕的閥值，所以下式即為經(jīng)簡(jiǎn)化的含氯離子的混凝土和鋼筋銹蝕 pH 閥值相適應(yīng)碳化模型，如式（2）、式（3）所示。

根據(jù)以上方程不僅能夠求得具體不同碳化時(shí)間，沿混凝土保護(hù)層厚度方向的最大氯離子濃度值，同時(shí)可求得鋼筋銹蝕臨界狀態(tài)下的氯離子閥值，基于鋼筋腐蝕閥值與氫氧根濃度、氯離子濃度的關(guān)系方程，能夠求得氯離子和碳化作用雙重耦合下鋼筋混凝土在各個(gè)保護(hù)層厚度的最大應(yīng)用年限，如式（4）、式（5）所示。

式中：k為鹽霧氯離子的質(zhì)量流量（在混凝土表面上單位面積所沉積單位時(shí)間的）；Cf為氯離子含量（混凝土中）；Dcl-為氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)（大氣條件中）。

其中，還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以簡(jiǎn)化為式（6）。

式中：Dcl-，0為飽和條件下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)；f（RH）、f（T）、f（t）、f（C）所對(duì)應(yīng)的是混凝土的相對(duì)濕度、周邊環(huán)境溫度、作用在混凝土的使用時(shí)間以及碳化深度對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響函數(shù)，如式（7）～（9）所示。

式中：mt為對(duì)于普通混凝土可按照mt=2.5w/c-0.6 計(jì)算；對(duì)于摻工業(yè)廢渣混凝土可按照mt=0.2+0.4

式中：各符號(hào)所表示的指標(biāo)為（碳化深度）；E為碳化反應(yīng)活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為自然碳化時(shí)的絕對(duì)溫度；T0為293K，碳化時(shí)的絕對(duì)溫度；D0CO2（ε）為碳化等因素對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)孔隙率影響的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)。

5 混凝土使用壽命預(yù)測(cè)計(jì)算

根據(jù)上述分析，混凝土耐久性主要考慮其所處的環(huán)境條件，因?yàn)樵邴}霧環(huán)境下二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散性能和混凝土的抗碳化能力，根據(jù)混凝土碳化與氯離子共同作用在混凝土上所建立的壽命預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，可以得到混凝土氯離子含量和相應(yīng)氫氧根的濃度，這樣可以求解出在海洋大氣環(huán)境下，混凝土的使用壽命即為在鹽霧積聚滲透及碳化兩個(gè)因素共同作用下達(dá)到滿足結(jié)構(gòu)臨界失效狀態(tài)下的使用時(shí)間。查閱相關(guān)資料如果混凝土表層按 10 mm 進(jìn)行計(jì)算，考慮混凝土密度按2.39 g/c m3進(jìn)行計(jì)算，表層混凝土氯離子含量達(dá)到 0.35 % 時(shí)，鹽霧沉積為 30 年，則每年鹽霧沉積量即混凝土表面氯離子質(zhì)量流量為 1.17×10-4/年；表層混凝土氯離子含量達(dá)到 0.35 % 時(shí)，鹽霧沉積為 50 年，則每年鹽霧沉積量即混凝土表面氯離子質(zhì)量流量為 0.7×10-4/年。因?yàn)樵囼?yàn)的鹽霧濃度會(huì)對(duì)碳化速度產(chǎn)生相應(yīng)影響，影響系數(shù)考慮按 0.95，而碳化的作用使混凝土中結(jié)合氯離子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此不考慮氯離子結(jié)合能力不論混凝土配合比是否選擇摻粉煤灰或礦渣粉。

結(jié)合之前的分析結(jié)果，選取摻粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻配比進(jìn)行分析，在相對(duì)濕度為 70 % 時(shí)的氣體擴(kuò)散系數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表 1 所示。

表1 相對(duì)濕度（70 %）混凝土氣體擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表 1 結(jié)果分析可以得出在相同的水膠比下添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土，二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)比沒有添加的小，但當(dāng)水膠比較大時(shí)候添加粉煤灰及礦渣粉反而會(huì)導(dǎo)致 CO2擴(kuò)散系數(shù)的增大；從表 2 結(jié)果分析可以得出添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較小，但當(dāng)受到外界腐蝕后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增長(zhǎng)較快?？梢缘贸鲈谳^小的水膠比條件下，添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土具有較好的耐久性能。

表2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算與測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)混凝土使用壽命預(yù)測(cè)方法的分析、預(yù)測(cè)模型的選取及預(yù)測(cè)模型的計(jì)算得出：

1）結(jié)合翔安海底隧道的環(huán)境，選取基于氯離子滲透和碳化共同作用的預(yù)測(cè)模型；

2）在較小的水膠比下，添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土具有較好的耐久性。

6 海底隧道運(yùn)營期管理要點(diǎn)

從前面研究結(jié)果表明，海底隧道耐久性與碳化深度、氯離子濃度、pH 值等有關(guān)，為了保證翔安海底隧道達(dá)到設(shè)計(jì)年限，需加強(qiáng)運(yùn)營期間的管理，具體包括以下幾點(diǎn)。

1）通風(fēng)系統(tǒng)管理。選取合適的通風(fēng)方式和通風(fēng)機(jī)，保證隧道內(nèi)氣體流通，減少二氧化碳等有害氣體濃度，減少有害氣體對(duì)二襯混凝土的侵蝕。

2）加強(qiáng)排水通道的檢修。地下排水通道需定期檢修，避免排水不暢引起水對(duì)混凝土的侵蝕。

3）隧道防水耐久性的檢查及監(jiān)控。海底隧道的外界工作環(huán)境長(zhǎng)期處在高水壓的狀態(tài)，周圍地下水及滲透的海水會(huì)對(duì)隧道錨桿及混凝土產(chǎn)生較大的腐蝕作用，因此可能引發(fā)：隧道襯砌混凝土和錨桿等結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在高滲透海水的腐蝕作用下、周邊地下水滲流場(chǎng)會(huì)因?yàn)樗淼阑炷烈r砌受高水壓作用及防排水措施設(shè)計(jì)以及施工的缺陷造成改變。因此必須定期進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道防排水異常，及時(shí)采取有效的控制措施，減少危害的產(chǎn)生。

7 結(jié)語

本文通過研究建立海底隧道二襯混凝土壽命預(yù)測(cè)模型，分析確定影響腐蝕變量的關(guān)鍵因子，對(duì)混凝土碳化及氯離子滲透作用于混凝土造成鋼筋銹蝕的臨界值及其經(jīng)時(shí)變化模型進(jìn)行分析，推算該結(jié)構(gòu)的使用壽命，具有很好的意義。在混凝土配合比設(shè)計(jì)階段充分考慮高性能耐久性的因素，同時(shí)在混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑等過程進(jìn)行有效控制，最后通過對(duì)運(yùn)營期的有效管理，采取多方面的管理和控制措施，隧道運(yùn)營效果良好，滿足預(yù)期壽命的要求。當(dāng)然為了實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目百年大計(jì)的目標(biāo)，尚需持續(xù)監(jiān)測(cè)工程運(yùn)營過程的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，不斷優(yōu)化壽命預(yù)測(cè)模型的可靠性。Q