李亞彬

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

1 概述

近年來,隨著科學技術與橋梁工程建設技術的飛速發(fā)展,混凝土橋梁結構在使用壽命年限內發(fā)生的多種破壞及其機理引起了國內外學者的關注并開展了一系列研究[1-4]。研究結果表明混凝土結構的破壞大多數并非全部由結構及材料強度所引起,一味的提高混凝土材料強度并不能大幅提高結構使用壽命,既不能提高工程的經濟性,也不符合可持續(xù)發(fā)展理念?；炷两Y構尤其是橋梁結構的破壞大多數可以歸結為結構耐久性問題,這些耐久性問題中由于鹽腐蝕導致的耐久性問題又占有相當大的比重。

混凝土橋梁結構在正常服役期間主體結構通常暴露于各種環(huán)境中,其中氯化物是一種最危險的侵蝕環(huán)境介質,不僅存在于海水中,還存在于道路除冰鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中,對橋梁結構造成的危害極為嚴重[5-9]?；炷猎诼入x子侵蝕作用下會導致鋼筋銹蝕膨脹,不僅影響混凝土與鋼筋之間的黏結性能,鋼筋的銹脹會導致鋼筋混凝土有效承載面積減小,在荷載作用下加速混凝土劣化進程,致使裂縫提前出現,最終導致混凝土剝落,造成結構功能失效?，F有的研究,大多基于室內加速結合擴散理論對混凝土試件氯離子的擴散機理及其對混凝土的破壞機理進行研究,或者基于數值模擬研究了理想條件下氯離子在混凝土中的傳輸過程即混凝土劣化進程,并未從結構整體進行分析,也未從耐久性角度對橋梁結構氯離子侵蝕作用的結構劣化與服役性能進行研究[10-11]。因此,本文基于經典的擴散理論,從理論上對混凝土梁結構氯離子作用下的劣化過程進行了分析,并基于以往的研究和實際破壞情況,研究了氯離子作用下混凝土橋梁結構耐久性演化過程,確定了混凝土橋梁的耐久性計算與分級制度。

2 氯離子在混凝土中的擴散理論

2.1 氯離子來源及侵入機理

混凝土中氯離子來源大致可以分為內部和外部兩類。內因主要是混凝土自身原材料中所包含的氯離子。部分地區(qū)混凝土的粗、細骨料中有一定含量氯離子,且實際施工過程中為了保證混凝土和易性,往往會加入一些含氯物質或含氯的減水劑,致使混凝土橋梁在服役之前結構內部已經存在較多的氯化物介質[12-13]。外因主要包括橋梁結構使用環(huán)境中可能存在的含氯腐蝕介質。我國海岸線遼闊,海水中含有大量的氯鹽,因此沿海地區(qū)橋梁結構含氯侵蝕介質的主要來源為海水。此外,我國北方地區(qū)冬季使用的道路除冰鹽、內陸地區(qū)的鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中的廢氣廢料等,也是橋梁結構氯離子侵蝕介質的來源[14]。

混凝土橋梁結構中氯離子的侵入機理隨使用環(huán)境的不同差別較大?；炷潦茉牧稀⑴浜媳?、振搗、養(yǎng)護等因素影響結構內部孔隙較多且水分含量較高時,環(huán)境中的氯離子會隨著水分在橋梁結構中的滲透逐漸向內部遷移,該種侵入機理稱為滲透作用。當橋梁結構所處環(huán)境濕度較小,在日照、風沙等作用下結構混凝土內外濕度較大,內部管道與微孔洞因為較大的濕度差發(fā)生吸附作用,氯離子隨著水溶液的遷移被吸附于混凝土內部,稱為毛細管作用。而高氯離子濃度環(huán)境中混凝土橋梁結構由于內外濃度差驅動作用下氯離子向混凝土內部遷移的過程,稱為擴散作用。此外,還有抽吸作用、電化學遷移、催化劑作用等,在氯離子侵入混凝土的過程中也有一定貢獻[15]。

2.2 氯離子擴散模型

1970年,意大利學者Callepari于1970年成功使用Fick定律描述了混凝土中氯離子的擴散規(guī)律,因此,國內外學者大多基于Fick擴散定律構建氯離子在混凝土中的擴散模型。常用的一維Fick擴散模型如式(1)所示:

(1)

其中,C為實際橋梁結構工作環(huán)境中氯離子的濃度;t為氯離子擴散時間;α為反映氯離子擴散程度的擴散系數;h為擴散深度。

假定橋梁結構為鋼筋混凝土結構,則結構在含有氯離子侵蝕介質的環(huán)境中工作時,實際鋼筋混凝土單元如圖1所示。

如圖1所示,氯離子在鋼筋混凝土單元中按照式(1)所示的過程擴散時,其邊界條件可定義為:

(2)

其中,Cc為氯離子初始濃度,即結構表面氯離子濃度;Cs為鋼筋混凝土內部鋼筋表面的氯離子濃度。

根據圖1所示的鋼筋混凝土單元和式(2)所示的邊界條件,氯離子按照式(1)所示的過程在橋梁結構中擴散時,可得式(1)的通解為:

(3)

計算過程中,由于n始終為大于零的正整數,對計算結果貢獻不大,因此,令n=0,簡化后式(2)變?yōu)?

(4)

若Cc≠0,則有:

(5)

上述分析過程對Fick第二擴散定律進行了進一步的分析,同時對結合實際橋梁結構的鋼筋混凝土單元氯離子擴散過程中的邊界條件對模型進行了分析和求解,可以用于對鋼筋混凝土橋梁結構中氯離子的擴散過程進行理論計算。

2.3 氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁破壞過程

結合式(5)所構建的氯離子擴散模型與國內外學者的研究結果,大量的實驗與數值模擬研究表明,氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土橋梁的破壞會經歷鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護層受拉、保護層開裂三個階段。當氯離子按照式(5)的過程在混凝土中擴散至鋼筋表面時,鋼筋逐漸開始銹蝕,而鋼筋與混凝土之間并不總是緊密黏結,會存在一些微孔隙。鋼筋脫鈍開始銹蝕以后產生的鐵銹,填滿這些微孔隙之后才會對周圍的混凝土產生銹脹力進入第二階段,銹脹力導致混凝土保護層受拉。隨著銹脹力的增加,保護層所受拉力增大直至達到受拉極限后產生裂縫,進入第三階段。如圖2所示,為常見鋼筋混凝土橋梁氯離子侵蝕破壞。

氯離子侵蝕導致混凝土橋梁保護層開裂后,梁體內部鋼筋與空氣接觸面增大,導致鋼筋銹蝕的速率加快,銹蝕體積膨脹速度增加,保護層所受的來自銹脹力的拉應力快速增加,直至保護層完全剝落鋼筋外露,結構徹底破壞。

3 氯鹽環(huán)境中混凝土橋梁耐久性研究

3.1 混凝土橋梁耐久性極限狀態(tài)確定

《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》規(guī)定,考慮混凝土結構構件的耐久性極限狀態(tài)時,應該按正常使用條件下對應的適用性極限狀態(tài)考慮,且所考慮的極限狀態(tài),不應對結構的承載能力和可修復性要求產生不利影響?！痘炷两Y構耐久性設計規(guī)范》中對混凝土結構構件的耐久性極限狀態(tài)分為三種,分別是鋼筋開始發(fā)生銹蝕、鋼筋發(fā)生適量銹蝕、混凝土結構表面發(fā)生輕微損傷三種極限狀態(tài)。為提高混凝土橋梁結構的耐久性指標,大多數研究以鋼筋開始發(fā)生銹蝕極限狀態(tài)作為鋼筋混凝土橋梁結構壽命的終點,因此,確定橋梁結構耐久性極限狀態(tài),對于評定混凝土橋梁結構在氯鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性,尤為重要。

根據可靠度理論,考慮鋼筋混凝土橋梁結構的廣義抗力R和荷載效應S兩方面的因素,即可根據可靠度基本理論用功能函數Z確定結構的極限狀態(tài)方程為:

Z=R-S

(6)

功能函數Z反映了結構可靠度的演化過程,當Z>0時表明結構處于可靠狀態(tài),Z=0時表明結構處于極限狀態(tài),Z<0時表明結構已經失效。氯離子在混凝土擴散過程中,橋梁梁體內部的鋼筋會隨著氯離子的侵蝕逐漸劣化,導致結構的抗力隨著氯離子擴散的時間逐漸降低。因此,可以認為氯鹽侵蝕作用下結構達到極限狀態(tài)前,反映可靠度的功能函數Z與式(5)中表征氯離子擴散時間t存在式(7)所述關系:

Z(t)=R(t)-S(t)≥0

(7)

以往的研究表明,R(t),S(t)均服從正態(tài)分布,因此有:

μZ=μR-μS

(8)

(9)

則鋼筋混凝土橋梁在氯鹽侵蝕作用下可靠度用失效概率表示為:

(10)

其中,ζ為與氯離子擴散時間t相關的變量。

結合式(5)所示的氯離子擴散模型,根據實際測得的氯離子擴散濃度與擴散時間,便可進行橋梁可靠度計算,判斷橋梁結構在氯離子侵蝕作用下的劣化進程及其耐久性演變過程,以采取適宜的管養(yǎng)措施。

3.2 橋梁結構耐久性評定方法

目前混凝土結構耐久性評定遵循《混凝土結構耐久性評定標準》中的相關規(guī)定,在進行評定時,混凝土結構中氯離子的擴散過程滿足Fick擴散定律,結合氯離子實際的情況和結構對應構件的實際服役壽命,采用逆推法可以得到氯離子式(5)中擴散系數α。得到α后可計算所需服役年限對應的結構內部氯離子分布情況,如濃度和侵蝕深度等,進而得到可能的氯離子最大濃度Ccl。而后根據實際情況選定規(guī)范所規(guī)定的結構內部鋼筋表面對應氯離子濃度的臨界值[Cl-]。《混凝土結構耐久性評定標準》根據結構實際使用環(huán)境和結構構件的不同,規(guī)定了對應環(huán)境中鋼筋表面的氯離子濃度臨界值,如表1所示。

表1 規(guī)范規(guī)定的鋼筋表面氯離子濃度臨界值取值

選取結構內部鋼筋表面對應氯離子濃度的臨界值[Cl-],即可根據鋼筋開始銹蝕度比[Cl-]/(r0Ccl)確定結構耐久性等級。按照“安全耐久性”和“適用耐久性”兩個方面,采取分結構、分層次、分項目評定三個不同層次,從輕微到嚴重分為一級～四級四個等級,對應于a～d，如表2所示。

表2 氯離子侵蝕耐久性等級評定

表2中r0為結構或結構對應構件的重要性系數。按照上述方式根據實測的氯離子擴散數據對橋梁結構進行耐久性評定,并采用式(10)所述方式計算結構可靠度,對二者演變規(guī)律的對比,可以確定氯離子擴散模型的準確性及耐久性評定的準確度,互相補充互相完善,進而提高評價的準確度和可行性,準確反映鋼筋混凝土結構在氯離子侵蝕作用下的性能劣化進程,為氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結構的性能研究提供有力的理論依據。

3.3 混凝土橋梁氯鹽腐蝕耐久性提升措施

1)優(yōu)選原材料。

混凝土原材料中的氯離子會導致橋梁結構中含有較多的含氯侵蝕介質,在內外因素作用下會加速氯離子對橋梁結構的侵蝕。因此,應嚴格控制原材料質量,降低甚至消除原材料中氯離子的含量[16-17]。例如,在條件允許的情況下杜絕使用含有氯鹽的海砂,盡可能使用河砂拌和混凝土,若在沿海地區(qū)無法保證河砂來源,需嚴格控制海砂中氯鹽含量,并使用鋼筋阻銹劑。在淡水缺乏地區(qū)施工時,要嚴格控制施工用水中的含鹽量并采取相應的預防措施,確保施工用水質量,降低因水質導致的氯鹽侵蝕。此外,某些含氯外加劑具有較好的早強、防凍作用,且成本較低,寒旱地區(qū)及部分特殊工程施工時通常會使用此類外加劑,因此出現了外加劑導致的氯離子混入問題,施工中需控制此類外加劑的使用,盡量采用同等功能的試劑進行替換,確保施工質量。

2)優(yōu)化橋梁結構混凝土設計與施工。

較大的混凝土保護層厚度可以有效延長氯離子擴散時間,延后鋼筋與氯離子的接觸時間,減緩鋼筋銹蝕速率,因此在實際工程中適當提高混凝土保護層厚度時橋梁工程中常用的氯離子防護措施。在保證混凝土和易性前提下,優(yōu)化配合比設計,提高混凝土防腐性能,并根據實際情況適宜摻入鋼筋阻銹劑。混凝土澆筑時加強振搗與養(yǎng)護,盡量減少混凝土內部孔隙,以減少氯鹽侵入通道。嚴格控制施工縫質量,精細化處理施工縫,禁止使用氣動鑿毛機處理施工縫,避免出現鑿毛部位的松動與開裂,減少混凝土中氯鹽的侵入渠道。如有可能,使用高性能混凝土,并設置混凝土表面防腐涂層,阻斷氯離子侵入路徑。

3)其他措施。

除了優(yōu)選混凝土原材料,優(yōu)化橋梁結構混凝土的設計與施工過程之外,現場也采用一些其他的措施有效防止混凝土中氯離子侵蝕病害。例如,北方寒旱地區(qū)冬季路面盡量少用甚至不用含氯除冰鹽,減少結構表面與氯鹽的接觸。國內外有部分混凝土工程通過引入新型抗生物殺菌劑的方式,減緩細菌、真菌、附生物等對混凝土的腐蝕進程,進而減弱氯離子與其他腐蝕介質在混凝土內部的協(xié)同腐蝕作用。此外,電化學保護也是一種行之有效的防護措施,包括降低混凝土內部電勢至免疫區(qū)的陰極保護方法、提高電勢至鈍化區(qū)的陽極保護方法以及提高氯離子傳輸介質pH值至鈍化區(qū)的高堿度保護方法等,在實際工程中也有使用。

4 結語

本文分析了鋼筋混凝土橋梁結構中氯離子的內部與外部來源,以及滲透作用、吸附作用、毛細管作用等侵入機理。結合實際橋梁結構中的鋼筋混凝土單元介紹了Fick第二擴散理論,構建了橋梁結構中氯離子擴散模型。介紹了氯鹽腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁的鋼筋表面鐵銹自由膨脹、保護層受拉、保護層開裂三個階段的破壞過程。基于可靠度理論,描述了氯離子侵蝕作用下混凝土橋梁結構耐久性極限狀態(tài)的確定,并從理論上分析了基于氯離子擴散模型的氯離子侵蝕作用下橋梁極限狀態(tài)與耐久性評定的可行性。最后列舉了實際工程中常用的優(yōu)選原材料、優(yōu)化橋梁結構混凝土設計與施工過程等氯離子侵蝕作用下橋梁耐久性提升措施,對于混凝土橋梁結構的氯鹽侵蝕下耐久性研究具有一定的參考和借鑒意義。