鄧春林，王勝年，熊建波，范志宏，涂啟華

（中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

0 引言

對(duì)于海工混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護(hù)層非常重要的功能是維護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性，保護(hù)層太薄，空氣、水及氯離子易滲入，其結(jié)果可能引起鋼筋銹蝕并膨脹，從而使混凝土遭受破壞[1-2]。我國(guó)港口工程規(guī)范近30 a的修訂很大程度上體現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)對(duì)保護(hù)層問題的重視，規(guī)范關(guān)于海港工程浪濺區(qū)保護(hù)層厚度的規(guī)定見表1。

表1 港口規(guī)范浪濺區(qū)保護(hù)層厚度的規(guī)定Table 1 The thickness of concrete cover in splash zone required by port specifications

20世紀(jì)80年代海港碼頭調(diào)查結(jié)果表明：我國(guó)于80年代前建成的高樁碼頭混凝土結(jié)構(gòu)大部分僅5～10 a就出現(xiàn)銹蝕破壞，即使加上鋼筋銹蝕開裂的時(shí)間，耐久性壽命也就是20 a左右[7]。20世紀(jì)90年代末期，對(duì)執(zhí)行JTJ 228—1987規(guī)范的部分港口進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查時(shí)結(jié)構(gòu)已使用了10 a左右，基本上未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞現(xiàn)象[8]，說明87規(guī)范對(duì)混凝土耐久性指標(biāo)的修訂，對(duì)提高海港工程混凝土耐久性效果是顯著的。根據(jù)耐久性預(yù)測(cè)推算，按87規(guī)范設(shè)計(jì)施工的海港碼頭使用壽命可達(dá)30 a[9]。2000年頒布的《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》對(duì)南方地區(qū)處于浪濺區(qū)的混凝土最小保護(hù)層厚度提出了更高要求，從原來的60 mm增加至65mm。2012年頒布的《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》將北方地區(qū)浪濺區(qū)的最小保護(hù)層厚度從50 mm提高到60 mm。近30 a來，規(guī)范對(duì)浪濺區(qū)混凝土保護(hù)層最小厚度的規(guī)定從40～50mm增加到60～65mm。為調(diào)查規(guī)范的執(zhí)行效果，中交四航工程研究院有限公司等單位對(duì)近30 a來設(shè)計(jì)施工的港口碼頭進(jìn)行了大量調(diào)查[10]，分析了保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值、標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)，研究了標(biāo)準(zhǔn)差與保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值的關(guān)系，并將研究結(jié)果引入結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)模型，可供海港工程耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估參考。

1 碼頭保護(hù)層厚度統(tǒng)計(jì)分析

1.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)北海救助基地碼頭（1999年）、霞海501碼頭（1993年）、赤灣港泊位（1986年）、湛江港305（1978年）、湛江港400（2003年）、湛江港407-409（1994年）、湛江港410-411（2003年）、鹽田港區(qū)二期碼頭（1999年）、鹽田港三期碼頭（2004年）等工程的實(shí)際保護(hù)層厚度調(diào)查資料，按正態(tài)分布對(duì)混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[11]，共58組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)約由100～300個(gè)實(shí)測(cè)保護(hù)層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示[12]。

表2 碼頭構(gòu)件保護(hù)層厚度Table 2 The thickness of concrete cover of wharf component

1.2 保護(hù)層厚度發(fā)展趨勢(shì)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，近30 a來，所調(diào)查的碼頭工程混凝土構(gòu)件的保護(hù)層厚度介于45～100mm之間，保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差介于3.933～9.488之間，平均值為5.782。實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度平均值有些大于設(shè)計(jì)值，有些小于設(shè)計(jì)值，總體看，所有調(diào)查工程的保護(hù)層的實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值大1.7 mm。2000年以后建設(shè)的碼頭，偏差主要是正偏差，正偏差的平均值為3.5mm。

1.2.1 保護(hù)層厚度絕對(duì)值的變化趨勢(shì)

根據(jù)表2的調(diào)查分析數(shù)據(jù)，對(duì)近30 a的工程保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表3所示。

表3 近30 a保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值、實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)Table 3 Variation tendency of design value and measured value of the thickness of concrete cover in the past30 a

從表3的數(shù)據(jù)可看出，近30 a來，保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)平均值總體趨勢(shì)是逐漸提高，從1978年的50mm提高到2004年的75mm，保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)平均值也逐年提高，從1978年的51.1mm提高到2004年的78.0mm，變化趨勢(shì)見圖1所示，保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)、實(shí)測(cè)值與同期規(guī)范的規(guī)定值的變化趨勢(shì)基本相當(dāng)?？梢哉f，相關(guān)規(guī)范對(duì)保護(hù)層厚度的規(guī)定在設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)得到了較好的執(zhí)行。

圖1 近30 a保護(hù)層厚度變化趨勢(shì)Fig.1 Variation tendency of the thickness of concrete cover in the past30 a

1.2.2 保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)

根據(jù)表2的調(diào)查分析數(shù)據(jù)，對(duì)近30 a工程保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按正態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到近30 a保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)見表4。

表4 近30 a保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)Table 4 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover in the past30 a

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，由于1978年的數(shù)據(jù)較少，代表性不強(qiáng)，剔除該年的數(shù)據(jù)后保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)見圖2。可以看出，近15 a來，保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差與上世紀(jì)80年代相比，略微有降低的趨勢(shì)，體現(xiàn)了近15 a來保護(hù)層厚度的控制水平有一定的提升。

圖2 保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)Fig.2 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover

1.3 標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)值的關(guān)系研究

標(biāo)準(zhǔn)差的絕對(duì)值對(duì)耐久性評(píng)估和設(shè)計(jì)中保護(hù)層厚度的取值至關(guān)重要，標(biāo)準(zhǔn)差越大，在保證率相同的情況下，保護(hù)層厚度的計(jì)算取值就應(yīng)降低，也就是說構(gòu)件的壽命就會(huì)降低。筆者根據(jù)大量港口碼頭的保護(hù)層厚度的調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)值之間的關(guān)系，如表5所示。

表5 保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)值的關(guān)系Table 5 Relation between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

圖3 保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差與設(shè)計(jì)值的比值關(guān)系擬合Fig.3 Fitting of the ratio between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

由表5的數(shù)據(jù)可知，隨著保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值的增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差與保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)值的比值逐漸減小，見圖3所示。根據(jù)擬合的關(guān)系：

式中：σ為保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差；cd為保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)值。

2 保護(hù)層厚度偏差在結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用

菲克第二定律被廣泛用來模擬氯離子在混凝土中的遷移規(guī)律，在環(huán)境、構(gòu)件參數(shù)一定的條件下，構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)使用年限t年的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的控制指標(biāo)見式（2）[6，12]。

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度，mm；t為構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用年限，a；erf為誤差函數(shù)；Cs為混凝土表面氯離子濃度；C0為混凝土中初始氯離子濃度；Ccr為鋼筋發(fā)生銹蝕的臨界濃度；Drcm為根據(jù)GB 50082—2009測(cè)定的齡期trcm時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；U為混凝土氯離子擴(kuò)散過程的活化能，35000 J/mol；R 為理想氣體常數(shù)，8.314 J/K/mol；T0為參考溫度，293 K；T為混凝土的溫度，南方地區(qū)一般取25℃；trcm為混凝土擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試齡期，a；t0為氯離子擴(kuò)散系數(shù)的衰減周期，參考值為25 a；m為擴(kuò)散系數(shù)的齡期衰減系數(shù)，取值參照《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》。

取外層鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界濃度Ccr為耐久性設(shè)計(jì)極限狀態(tài)（設(shè)計(jì)使用壽命），可以計(jì)算出具體構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)使用壽命t年時(shí)，混凝土試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)Drcm的控制值。

式（2）中的c目前一般按保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，但根據(jù)本文第1節(jié)的分析，施工時(shí)保護(hù)層厚度會(huì)出現(xiàn)較大偏差，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，保護(hù)層厚度按照正態(tài)分布，按照95%的概率保證率，保護(hù)層厚度的計(jì)算值應(yīng)小于設(shè)計(jì)值，計(jì)算值cc=cd-1.645σ，代入式（1）可得：

式中：cc為混凝土保護(hù)層厚度計(jì)算值，mm；cd為混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值，mm。

根據(jù)式（3）對(duì)式（2）進(jìn)行修正，可以看到，考慮保護(hù)層厚度偏差的影響，公式修正為：

3 結(jié)語

1）港口碼頭保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)值從1978年的50mm左右增加到2004年的75mm左右，保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)值與同期規(guī)范的規(guī)定值的變化趨勢(shì)基本相當(dāng)，相關(guān)規(guī)范對(duì)保護(hù)層厚度的規(guī)定在設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)得到了較好的執(zhí)行。

2）得出了保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差與保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并將研究結(jié)果引入結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)模型，供海港工程耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估參考。

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