王元戰(zhàn)，劉 恒，周海鋒，林陳安攀

（1.水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210014；4.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230）

受荷混凝土中鋼筋銹蝕速率計(jì)算方法

王元戰(zhàn)1，2，劉 恒1，2，周海鋒3，林陳安攀4

（1.水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210014；4.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230）

為研究荷載對(duì)鋼筋銹蝕速率及結(jié)構(gòu)耐久性的影響，在潮汐區(qū)與鹽霧區(qū)開(kāi)展不同荷載條件下氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)，荷載大小分別為無(wú)荷載、0.3倍和0.5倍混凝土抗折強(qiáng)度.在混凝土中摻入氯鹽，開(kāi)展不同濃度氯鹽條件下的鋼筋銹蝕試驗(yàn).通過(guò)氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)得到荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散影響系數(shù)與荷載大小的關(guān)系，修正菲克第二定律中的氯離子擴(kuò)散系數(shù).鋼筋銹蝕試驗(yàn)中測(cè)試不同時(shí)間下混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕電流密度，擬合出鋼筋銹蝕電流密度與氯鹽濃度和銹蝕時(shí)間之間的關(guān)系.結(jié)合混凝土中考慮荷載影響的氯離子擴(kuò)散模型與鋼筋銹蝕模型，給出荷載作用下混凝土中鋼筋銹蝕速率的計(jì)算方法.該方法對(duì)于海洋環(huán)境中荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命計(jì)算具有重要意義.

海洋環(huán)境；鋼筋混凝土；氯離子；荷載；銹蝕速率

在沿海工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被大規(guī)模使用，鋼筋混凝土耐久性問(wèn)題是工程設(shè)計(jì)與建造中不可忽視的一大問(wèn)題.混凝土中鋼筋銹蝕速率模型是實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命評(píng)估和預(yù)測(cè)的關(guān)鍵之一.海洋環(huán)境下當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值時(shí)，鋼筋鈍化膜破壞，在水和氧氣共同作用下鋼筋發(fā)生銹蝕［1］.Liu［2］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕速率隨鋼筋表面氯離子濃度增大而增大. Francois等［3］初步研究發(fā)現(xiàn)，氯離子在受拉混凝土中的滲透顯著大于受壓混凝土中的滲透.可見(jiàn)，混凝土所受荷載對(duì)鋼筋銹蝕速率及其耐久性壽命有一定影響.

何世欽等［4］認(rèn)為，鋼筋混凝土構(gòu)件都是負(fù)載工作的，未加載試件銹蝕試驗(yàn)得到的結(jié)論不能全部反映實(shí)際結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕情況.顧繩仁［5］研究表明，荷載對(duì)鋼筋銹蝕有明顯影響，荷載作用引起混凝土細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而對(duì)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響鋼筋銹蝕速率.張俊芝等［6］研究得出，混凝土中鋼筋初始銹蝕時(shí)間隨著壓應(yīng)力的增加而延長(zhǎng).但是，現(xiàn)有的研究均未得出荷載作用下鋼筋銹蝕速率的計(jì)算方法.

由于現(xiàn)有的研究缺乏荷載作用下氧氣和水分的擴(kuò)散模型，本文只考慮氯離子傳輸這一影響因素，對(duì)鋼筋銹蝕速率進(jìn)行近似計(jì)算.故本文通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境下內(nèi)摻不同含量的氯鹽加速鋼筋銹蝕的試驗(yàn)，得出鋼筋銹蝕電流密度與鋼筋表面氯離子濃度、時(shí)間的關(guān)系.結(jié)合前期完成的受荷混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)，將荷載作用下鋼筋表面氯離子濃度代入鋼筋銹蝕模型，從而計(jì)算出荷載作用下鋼筋銹蝕速率.通過(guò)計(jì)算荷載作用下某高樁碼頭基樁耐久性壽命，說(shuō)明荷載作用對(duì)海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命有一定影響，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮.

1 受荷混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)

試驗(yàn)共澆筑了40根尺寸為100 mm× 100 mm×400 mm的素混凝土梁.混凝土配合比及性能見(jiàn)表1.澆筑完成后，所有試件在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，接著在飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)28 d.開(kāi)始試驗(yàn)之前，留出上表面作為混凝土的滲透面，其余面用環(huán)氧樹(shù)脂密封.

選擇三分點(diǎn)自錨加載法作為本次試驗(yàn)加載方式［7］，采用2種荷載水平進(jìn)行加載分別模擬拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū).荷載大小分別為無(wú)荷載、抗折強(qiáng)度的30%、抗折強(qiáng)度的50%，加載裝置示意圖見(jiàn)圖1.

表1 混凝土配合比及力學(xué)性能

圖1 加載裝置圖

將試件分別放置在多功能海洋環(huán)境自動(dòng)化模擬試驗(yàn)設(shè)備的主腐蝕箱和鹽霧箱中，分別模擬水位變動(dòng)區(qū)的潮汐循環(huán)和鹽霧區(qū)的氯離子擴(kuò)散環(huán)境.測(cè)試時(shí)間分別為35、70、120、180 d.

采用多功能混凝土鉆孔取芯機(jī)鉆取直徑為10 mm的芯樣，并沿深度方向每隔5 mm分層對(duì)芯樣取混凝土粉末.通過(guò)CL-E氯離子含量快速測(cè)定儀測(cè)量其濃度，具體試驗(yàn)分析見(jiàn)文獻(xiàn)［8］.根據(jù)Fick第二定律的解析模型，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸擬合，得到如下公式.

根據(jù)氯離子擴(kuò)散模型［9］

提出荷載作用下氯離子擴(kuò)散系數(shù)公式［8］

以及f（δ）計(jì)算公式：潮汐區(qū)拉應(yīng)力，

潮汐區(qū)壓應(yīng)力，

鹽霧區(qū)拉應(yīng)力，

鹽霧區(qū)壓應(yīng)力，

式中：Cs為混凝土表面氯離子濃度；Dc為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；D0為28 d時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)；m為常數(shù)；δ=P/Pu；P為混凝土所受的實(shí)際應(yīng)力，Pu為混凝土構(gòu)件的抗折強(qiáng)度；f（δ）為荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響系數(shù)；t為氯離子開(kāi)始滲透的時(shí)間.

將式（2）～（6）代入式（1）即可計(jì)算荷載作用下的氯離子擴(kuò)散系數(shù).

2 鋼筋銹蝕速率試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及參數(shù)

試驗(yàn)共制作24個(gè)100 mm×100 mm×200 mm的混凝土梁，水泥選用天津水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6左右的河砂，粗骨料為最大粒徑20 mm的碎石，鋼筋選用長(zhǎng)250 mm、直徑16 mm的HRB335鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚42 mm.混凝土配合比及力學(xué)性能見(jiàn)表2［10］.

本試驗(yàn)為了簡(jiǎn)化人工氣候環(huán)境控制，采用內(nèi)摻法將氯鹽摻入混凝土內(nèi)攪拌.這樣在混凝土構(gòu)件養(yǎng)護(hù)硬化時(shí)，鋼筋鈍化膜已經(jīng)開(kāi)始破壞［11］.

將試件依次編號(hào)A～H，分為8個(gè)組，每組3個(gè)試件，每組分別摻入占水泥質(zhì)量0、1.0%、1.5%、2%、3%、4%、5%、5.5%的NaCl，試件編號(hào)及數(shù)量見(jiàn)表3，每個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件數(shù)量均為1個(gè).

表2 混凝土配合比及力學(xué)性能

表3 試件明細(xì)表

2.2 試件制作

截取24根長(zhǎng)度250 mm、直徑16 mm的HRB335鋼筋.在鋼筋一端焊接電線，為防止焊點(diǎn)及裸露鋼筋與空氣接觸腐蝕，將焊點(diǎn)及裸露的鋼筋用環(huán)氧樹(shù)脂密封［1，12］.

將澆筑完成的試件放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，并立即給試塊編號(hào)，隨后將試件放入飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)28 d.養(yǎng)護(hù)完成后，取出試件放置在室內(nèi)環(huán)境下，并用塑料管墊高，保證底部空氣流通.

2.3 試驗(yàn)儀器

該試驗(yàn)采用的CS354電化學(xué)工作站由武漢科斯特儀器有限公司生產(chǎn).目前常用來(lái)表征鋼筋銹蝕程度的參數(shù)主要分為反映鋼筋平均銹蝕程度的參數(shù)和反映鋼筋局部坑蝕程度的參數(shù)［11］，本文主要研究鋼筋混凝土耐久性壽命，所以選用鋼筋平均銹蝕程度的參數(shù)來(lái)對(duì)鋼筋銹蝕程度進(jìn)行評(píng)價(jià).通過(guò)測(cè)量鋼筋腐蝕的自然電位（Ecorr）、混凝土電阻率（ρ）、腐蝕電流密度（icorr），來(lái)評(píng)價(jià)鋼筋腐蝕狀況和腐蝕速度［13］.

本試驗(yàn)選用將參比電極與輔助電極直接放置外部的試驗(yàn)方式，如圖2所示，其中工作電極即為鋼筋，輔助電極為中心開(kāi)圓孔的不銹鋼矩形薄鋼片，其大小為100 mm×200 mm，參比電極為飽和甘汞電極，陰影部分為混凝土試件.

圖2 線性極化法測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.4 鋼筋腐蝕電流密度的測(cè)量

本試驗(yàn)用含NaCl溶液的海綿墊提高輔助電極與混凝土間的接觸，溶液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%.利用線性極化方法，從養(yǎng)護(hù)完成后第7天開(kāi)始每周測(cè)量一次不同氯鹽摻量的混凝土構(gòu)件中鋼筋的極化電阻，并記錄鋼筋的銹蝕電流密度，直至第98天.

具體動(dòng)電位線性極化試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下［14］：采用相對(duì)于開(kāi)路電位±10 mV的極化區(qū)間.極化方向從相對(duì)于開(kāi)路電位+10 mV至-10 mV.采用10 mV/min的掃描速率.極化時(shí)間為120 s.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼筋銹蝕速率時(shí)變過(guò)程

已知鋼筋銹蝕速率和鋼筋銹蝕電流密度成正比［15］，在后文中，用鋼筋銹蝕電流密度表征鋼筋銹蝕速率.

不同氯鹽含量的混凝土中鋼筋銹蝕電流密度變化規(guī)律如圖3所示，橫坐標(biāo)以養(yǎng)護(hù)28 d完成開(kāi)始計(jì)算.由圖3可以看出，混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕速率經(jīng)歷了銹蝕初期的下降階段以及保護(hù)層開(kāi)裂前的平穩(wěn)發(fā)展階段.

圖3 不同氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混凝土中鋼筋銹蝕電流密度時(shí)變曲線

3.2 鋼筋銹蝕速率模型

3.2.1 鋼筋銹蝕電流密度與氯離子含量變化關(guān)系曲線

圖4為不同時(shí)刻鋼筋銹蝕電流密度與混凝土中氯離子含量（占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)）關(guān)系曲線.從圖4可以看出，在其他條件相同時(shí)，氯離子含量越高，鋼筋銹蝕電流密度越大.

圖4 鋼筋銹蝕電流密度與氯離子含量關(guān)系曲線

3.2.2 擬合經(jīng)驗(yàn)公式

由圖3可以看出，鋼筋銹蝕速率初期減少較快，逐漸趨于穩(wěn)定，選擇指數(shù)小于0的冪函數(shù)擬合鋼筋銹蝕電流密度與時(shí)間關(guān)系y=axb（b＜0）；由圖4可以看出，鋼筋銹蝕電流密度隨著氯離子含量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，選用指數(shù)大于零的冪函數(shù)擬合銹蝕電流密度與氯離子含量關(guān)系y=axb（b＞0）.

對(duì)冪函數(shù)y=axb線性化，利用試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸得鋼筋銹蝕電流密度與氯離子含量、時(shí)間之間的關(guān)系為

式中：i為銹蝕電流密度，μA/cm2，用來(lái)表示銹蝕速度；t′為混凝土內(nèi)鋼筋開(kāi)始銹蝕后的天數(shù)，d；w（Cl-）為鋼筋表面混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以水泥重計(jì)，%；R為相關(guān)系數(shù).

4 荷載作用下結(jié)構(gòu)耐久性計(jì)算

4.1 荷載作用下鋼筋銹蝕電流密度計(jì)算

將式（1）代入式（7）可得，荷載作用下鋼筋銹蝕電流密度計(jì)算公式為

式中：i′為荷載作用下鋼筋銹蝕電流密度，μA/cm2；tcr為鋼筋開(kāi)始銹蝕的臨界時(shí)間，d；t′為混凝土內(nèi)鋼筋開(kāi)始銹蝕后的時(shí)間，d.

4.2 鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間tcr計(jì)算

鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間計(jì)算式為

式中：tcr為鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到鋼筋銹蝕臨界值的時(shí)間；C（x，tcr）由式（1）～（6）計(jì)算可得；Ccr為臨界氯離子濃度，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì).

4.3 混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間ta計(jì)算［11］

采用彈性力學(xué)方法，考慮混凝土環(huán)向不均勻拉應(yīng)力，混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)刻鋼筋銹脹力為［11］

式中：q*為混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)刻鋼筋銹脹力；c為鋼筋保護(hù)層厚度；ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度；d為鋼筋直徑.

基于鋼筋銹蝕量的平均銹蝕率η可以按下式計(jì)算［11］：

式中：N為鋼筋的摩爾質(zhì)量，取為0.056 kg/mol；F為法拉第常數(shù)，1F=26.8 A·h/mol；t為銹蝕時(shí)間；S為混凝土中鋼筋的表面積；icorr為銹蝕電流密度；g0為鋼筋原始質(zhì)量.

則混凝土保護(hù)層脹裂時(shí)刻的鋼筋銹蝕率表達(dá)式［11］為

其中，

式中：n為鋼筋銹蝕后體積膨脹率，取為3；Ec和υc分別為混凝土的彈性模量（MPa）和泊松比；R為鋼筋半徑；c為混凝土保護(hù)層厚度；Er和υr分別為鐵銹的彈性模量和泊松比，取Er=120 MPa，υr= 0.49［16］.

通過(guò)式（12）可求出混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)的平均銹蝕率ηs，代入式（11）即可求出ta.

4.4 耐久性極限狀態(tài)時(shí)間tb計(jì)算

將混凝土保護(hù)層裂縫寬度達(dá)到1 mm時(shí)作為混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到耐久性壽命極限狀態(tài)的標(biāo)志［17］.混凝土脹裂寬度與鋼筋截面銹蝕率公式選為［11］

混凝土保護(hù)層開(kāi)裂后的鋼筋銹蝕模型選用Chun Qing Li模型［18］：

通過(guò)式（13）可求出混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到耐久性壽命極限狀態(tài)時(shí)的平均銹蝕率ηs，代入式（11）、（14）即可求出tb.

5 算 例

某鋼筋混凝土高樁梁板碼頭，基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，水灰比0.48，配有Φ18鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度60 mm，基樁所處的海洋環(huán)境為潮汐區(qū).

取潮汐區(qū)鋼筋銹蝕臨界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ccr= 0.3%［19］（占混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；t28為28 d；m= 0.2［8］；D0=10-10.90m2/s［8］；Cs=0.519%［17］；x= 60 mm；膠凝材料占混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.9%.取拉應(yīng)力下δ分別等于0、0.3、0.5.則該碼頭在荷載作用下耐久性計(jì)算結(jié)果如表4所示.

由表4可以算出，當(dāng)δ等于0.5時(shí)，鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間、混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間和耐久性壽命分別比沒(méi)有荷載時(shí)提前了18.8%、18.2%和13.3%，可見(jiàn)荷載對(duì)海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命有一定影響.

表4 碼頭耐久性計(jì)算結(jié)果

6 結(jié) 論

1）將荷載作用下的混凝土中氯離子擴(kuò)散模型代入混凝土中鋼筋銹蝕模型，給出計(jì)算受荷混凝土中鋼筋銹蝕電流密度的計(jì)算模型.

2）通過(guò)室內(nèi)加速試驗(yàn)驗(yàn)證了在水灰比、外在環(huán)境等條件相同時(shí)，鋼筋銹蝕速率與氯離子含量之間成對(duì)數(shù)線性關(guān)系，混凝土內(nèi)的氯離子含量越高，鋼筋的銹蝕速率越大.

3）通過(guò)實(shí)際算例體現(xiàn)了荷載對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性壽命存在一定影響.對(duì)于海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，需要考慮荷載對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性壽命的影響.

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（編輯 程利冬）

Calculation of concrete steel corrosion rate under the action of load

WANG Yuanzhan1，2，LIU Heng1，2，ZHOU Haifeng3，LIN Chenanpan4

（1.National Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Simulation and Security（Tianjin University），Tianjin 300072，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Tianjin 300072，China；3.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company，Nanjing 210014，China；4.CCCC-FHDI Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510230，China）

To explore the effects of load on steel corrosion rate and structural durability，Chloride diffusion experiments under various load conditions were carried out in tidal zone and salt spray zone.The load sizes were 0 times，0.3 times，0.5 times the flexural strength.The steel corrosion experiments were conducted in concretes mixed with different concentrations of sodium chloride.The results of chloride diffusion experiments showed the relationship between chloride diffusion load coefficient and the load sizes.This could be applied to determine the chloride diffusion coeffients in Fick′s second law.The current density of steel corrosion as a function of time were measured in steel corrosion experiments.A model could be be fitted to represent the relationship among the current density，chloride content and time could.The steel corrosion rate in concretes under the action of load could be calculated by pluging the chloride diffusion model and considering loading factor into the steel corrosion model.This method is important to calculate reinforced concrete structure durability under the action of load in marine environment.

marine environment；reinforced concrete；chloride；load；corrosion rate

TU528

A

1005-0299（2015）06-0012-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150603

2015-04-22.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279128）；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（51321065）；交通運(yùn)輸部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2013328224070）.

王元戰(zhàn)（1958—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

劉 恒，E-mail：liuheng1108@126.com.