趙 娟，李 倍

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海201418

跨海大橋是中國海洋戰(zhàn)略發(fā)展的生命線，安全、耐久是國家乃至全社會(huì)對(duì)每一項(xiàng)投資數(shù)百億的跨海大橋工程建設(shè)的共同期許.然而，由于長(zhǎng)期受Cl-侵蝕，跨海大橋混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕的現(xiàn)象非常普遍［1-2］，目前相關(guān)研究［3-6］均是引入 Fick第二定律來描述氯離子在跨海大橋等海工混凝土結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散行為.Fick第二定律能較好地描述氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為，但其以氯離子滲透作為單一對(duì)象，僅僅關(guān)注了溫度、齡期和應(yīng)力條件等因素單獨(dú)作用對(duì)氯離子滲透系數(shù)的影響，孤立地探討氯離子的滲透過程［7］.而在實(shí)際海洋環(huán)境中，外界因素往往是多種耦合作用在結(jié)構(gòu)上，因此難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海洋環(huán)境中跨海大橋的腐蝕壽命周期.本研究考慮氯離子滲透過程中同時(shí)發(fā)生的溫濕耦合傳導(dǎo)問題，通過完善溫濕-氯離子耦合傳導(dǎo)過程的控制方程及相關(guān)參數(shù)，提出一套綜合考慮溫濕耦合傳導(dǎo)影響的氯離子滲透數(shù)值模型，并將該綜合模型應(yīng)用于在建的全球最長(zhǎng)跨海大橋——港珠澳大橋，預(yù)測(cè)了該大橋不同部位構(gòu)件進(jìn)入鋼筋腐蝕狀態(tài)的臨界時(shí)間，系統(tǒng)分析了不同邊界環(huán)境下影響腐蝕臨界時(shí)間的關(guān)鍵因素，以為耐久性設(shè)計(jì)及管理提供借鑒.

1 溫濕-氯離子滲透耦合滲透模型

1.1 控制方程

混凝土熱量傳導(dǎo)、水分?jǐn)U散與氯離子滲透過程可由一組偏微分方程［8］表達(dá)為

其中，θ為溫度;h為混凝土孔隙內(nèi)相對(duì)濕度;C為氯離子在混凝土中的質(zhì)量分?jǐn)?shù);t為時(shí)間;ρ為混凝土密度，一般取為2 400 kg/m3;c為混凝土比熱，一般取0.98～1.00 kJ/(kg·℃);λ為混凝土的導(dǎo)熱率;w為可蒸發(fā)水量;?w/?h為混凝土的容水度;Dh為濕度擴(kuò)散率;Ct與Cf分別為單位體積混凝土中的氯離子總量和自由氯離子含量，?Ct/?Cf為混凝土對(duì)氯離子的綁縛能力;Dc1為氯離子擴(kuò)散系數(shù).

1.2 參數(shù)確定

傳熱過程中通常將其基本參數(shù)指標(biāo)ρ、c和λ視為常數(shù)，文獻(xiàn)［9］研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的導(dǎo)熱率與其濕度狀態(tài)有顯著影響，且呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，該相關(guān)性可描述為

其中，λref為干燥環(huán)境中測(cè)得的混凝土基準(zhǔn)導(dǎo)熱率.混凝土內(nèi)的水分傳導(dǎo)控制方程［4］為

其中，h為混凝土孔隙內(nèi)相對(duì)濕度;?h/?w為混凝土容水度的倒數(shù)，可表示為混凝土相對(duì)濕度、溫度以及材料性能的函數(shù).

本研究采用文獻(xiàn)［10］建議的復(fù)合氯離子吸附等溫線來表達(dá)氯離子滲透問題，它適用于解決變化的自由氯離子濃度條件下混凝土對(duì)氯離子的吸附問題，可表示為

其中，Cb為混凝土吸附氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù);α和β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可由試驗(yàn)得到.

氯離子滲透系數(shù)則被描述成一個(gè)多因素控制指標(biāo)，其中主要因素有材料特性、混凝土齡期和環(huán)境相關(guān)性［11-13］等.

1.3 初始-邊界條件

本研究將海洋環(huán)境中混凝土構(gòu)件表面遭遇的氯離子侵蝕邊界條件區(qū)分為臨空區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和海水浸沒區(qū).

1.3.1 溫 度

考慮到區(qū)域溫度變化的季節(jié)更替性，以1個(gè)月為步長(zhǎng)，得到式(5)作為溫度時(shí)程邊界條件:其中，θ(t)為溫度;θmean為區(qū)域年平均氣溫;θrange為區(qū)域年溫度變化幅值;θθ為溫度調(diào)整相差，由具體區(qū)域氣溫環(huán)境分布特點(diǎn)而定，一般取恒值.

1.3.2 濕 度

對(duì)于處于浪濺區(qū)的混凝土，由于其表面長(zhǎng)時(shí)間暴露于自然環(huán)境中，陽光及海風(fēng)促使雨水及海浪沖刷所殘留在混凝土表面的水分迅速干燥，水分很難滲透至混凝土內(nèi)部，因此該區(qū)域混凝土內(nèi)部的濕度場(chǎng)分布趨于大氣環(huán)境相對(duì)濕度，可表示為

其中，H(t)為相對(duì)濕度;hmean為區(qū)域年平均大氣相對(duì)濕度;hrange為區(qū)域年大氣濕度變化幅值;θh為濕度調(diào)整相差，由具體區(qū)域氣候環(huán)境分布特點(diǎn)而定，一般取為恒值.

對(duì)于潮汐區(qū)，混凝土周期性地浸泡在海水中，其濕度邊界條件不同于外界大氣環(huán)境相對(duì)濕度條件，研究發(fā)現(xiàn)，5～6 d后混凝土濕度從表層向內(nèi)部逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)值接近外界大氣相對(duì)濕度與100%飽和混凝土濕度的平均值［14］，可表示為

圖1和圖2分別為1 m厚混凝土試件在氣溫年周期變化和大氣相對(duì)濕度年周期變化條件下的分布模擬結(jié)果.

圖1 溫度場(chǎng)Fig.1 (Color online)Temperature field profile

1.3.3 氯離子表面濃度

研究表明，混凝土氯離子表面濃度隨時(shí)間的冪函數(shù)呈準(zhǔn)線性增長(zhǎng)，并在5 a后達(dá)到穩(wěn)定［15-16］，可表示為

圖2 濕度場(chǎng)Fig.2 (Color online)Moisture field profile

其中，Cs(t)為混凝土氯離子表面濃度;Cs_ref為氯離子在混凝土中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基準(zhǔn)值，可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得或根據(jù)外界環(huán)境條件估算而得;n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，大多數(shù)情況下取為0.5.

2 案例分析

港珠澳大橋工程規(guī)模宏大，全長(zhǎng)近50 km，其中海中主體部分逾35 km，將超越現(xiàn)有的世界最長(zhǎng)跨海大橋杭州灣跨海大橋.該大橋設(shè)計(jì)根據(jù)香港標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)使用壽命是120 a.另外抗16級(jí)臺(tái)風(fēng)、8級(jí)地震及3×105t巨輪撞擊等要求，均較杭州灣跨海大橋要高，成為中國之最.

2.1 外界氣候條件

港珠澳大橋橫跨伶仃洋，位于北回歸線之南，東經(jīng) 113°46'—114°37'，北緯 22°27'—22°52'之間，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，該地區(qū)的年平均溫度為23.1℃;年溫差為 12℃;年平均相對(duì)濕度為78%;年相對(duì)濕度差為11%.

港珠澳大橋所處地區(qū)夏季盛行偏南季風(fēng)，攜帶大量從海洋蒸發(fā)至大氣中的游離氯離子.到了冬季，季風(fēng)轉(zhuǎn)從北偏東方向吹來，帶來干燥的氣流，導(dǎo)致空氣中的氯離子含量明顯降低.因此，通過大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，控制在距離海岸地區(qū)60 m以外的區(qū)域大氣中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為每天1.5 mg/dm2，一年內(nèi)該數(shù)值的波動(dòng)范圍為每天0.5 mg/dm2.則混凝土中氯離子的年平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.075%，年均波動(dòng)范圍為0.05%.

2.2 環(huán)境邊界條件模擬

本研究選擇港珠澳大橋中2種重要構(gòu)件(橋面板以及橋墩)作為研究對(duì)象.

1)曝露在臨空區(qū)橋面板的耦合(溫濕-氯離子)，邊界條件為

2)曝露在臨空區(qū)橋墩部分的耦合(溫濕-氯離子)，邊界條件同1).

3)曝露在大氣區(qū)橋墩部分的耦合(溫濕-氯離子)，邊界條件為

4)處于浪濺區(qū)橋墩部分的耦合(溫濕-氯離子)，邊界條件為

5)處于潮汐區(qū)橋墩部分的耦合(溫濕-氯離子)，邊界條件為

2.3 氯離子侵蝕滲透數(shù)值模型

分別以不同的混凝土水灰比(質(zhì)量比)、基本物理力學(xué)參數(shù)作為模型的可變指標(biāo)，計(jì)算不同情況下鋼筋混凝土達(dá)到腐蝕誘發(fā)開始的時(shí)間，從而確定該結(jié)構(gòu)的壽命周期下限.參數(shù)指標(biāo)見表1和表2.

表1 混凝土的幾何參數(shù)Table1 Concrete geometric parameters

表2 混凝土的物理參數(shù)Table2 Concrete physical parameters

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

利用本研究提出的綜合預(yù)測(cè)模型，系統(tǒng)地探討了各種海洋性環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特性條件下大型跨海橋梁受鋼筋腐蝕的初始臨界時(shí)間，觀察不同環(huán)境類別下哪些參數(shù)是控制指標(biāo).預(yù)測(cè)結(jié)果見表3.

表3 初始臨界時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果Table3 Critical time predictions

2.5 數(shù)值結(jié)果分析

1)大氣環(huán)境中的橋面板.

考慮到港珠澳大橋所在區(qū)域的溫濕度場(chǎng)波動(dòng)范圍較穩(wěn)定，幅值較小(θrange=11℃;hrange=15%)，可以推斷氣候指標(biāo)中起到主要控制作用的是該地區(qū)的年氣溫平均值與年大氣相對(duì)濕度值.

大氣溫度年平均值或相對(duì)濕度年平均值越高，可能誘發(fā)氯離子的腐蝕初始臨界時(shí)間就越短，同時(shí)，濕度變化對(duì)腐蝕發(fā)生所起的影響效果要明顯強(qiáng)于氣溫變化的影響［17-18］.

大氣區(qū)中氯離子含量水平的增減對(duì)港珠澳大橋氯離子誘發(fā)腐蝕的臨界時(shí)間有影響.假設(shè)冬季時(shí)大氣環(huán)境中游離的侵蝕性氯離子含量?jī)H為夏季海洋性季風(fēng)期的一半，則一年中夏季空氣中的最高氯離子水平將對(duì)整座橋梁的使用壽命起至關(guān)重要的作用.

2)處于浪濺區(qū)的橋墩部分.

對(duì)于海浪不斷拍擊跨海大橋橋墩，該區(qū)域內(nèi)的混凝土表面由于直接接觸海水，吸附了更多的侵蝕性氯離子，故對(duì)于浪濺區(qū)橋墩部分的混凝土，相比于氯離子表面濃度條件，大氣溫度和濕度對(duì)腐蝕誘發(fā)時(shí)間的影響變得不再顯著.對(duì)比大氣區(qū)以及浪濺區(qū)內(nèi)的橋墩部分，分別對(duì)模型施加年最高氣溫或最大相對(duì)濕度作為環(huán)境邊界條件的影響，混凝土表面的氯離子濃度均為實(shí)測(cè)水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大氣區(qū)相應(yīng)的腐蝕臨界時(shí)間分別為7 a或3 a，而浪濺區(qū)僅各縮短了1 a時(shí)間，腐蝕臨界時(shí)間分別為6 a和2 a.

3)處于潮汐區(qū)的橋墩部分.

處于潮汐區(qū)的橋墩部分，由于混凝土與海水以及侵蝕性氯離子接觸時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)混凝土表面的氯離子更易向內(nèi)部滲透，發(fā)生鋼筋腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較其他區(qū)域更大.相比于浪濺區(qū)的混凝土，由于潮汐區(qū)混凝土表面濕度水平更高，使該處混凝土更接近于水飽和狀態(tài)，以致外界的氣候條件影響幾乎可以忽略，而表面氯離子濃度將成為影響腐蝕誘發(fā)時(shí)間的唯一環(huán)境因素.同時(shí)，前述的表面飽和氯離子濃度假說在潮汐區(qū)依舊存在，由此可將該推論推廣到各類環(huán)境條件.這一論斷與大多數(shù)由于氯離子滲透學(xué)說的核心思想相統(tǒng)一.

4)構(gòu)件及其材料物理特性影響.

依據(jù)溫濕-氯離子耦合滲透數(shù)值模型，各項(xiàng)混凝土基本物理參數(shù)，如水灰比水平、水泥品種、混凝土養(yǎng)護(hù)齡期、混凝土骨料所占比例、混凝土泊松比以及混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度等，均將影響數(shù)值模擬結(jié)果.本研究通過大量數(shù)值仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，混凝土水灰比以及混凝土保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋腐蝕開始時(shí)間的影響較為顯著.表4列出了港珠澳大橋在不同的混凝土水灰比以及保護(hù)層厚度條件下的腐蝕發(fā)生時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果.

從表4可知，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度由50 mm增加至75 mm時(shí)，鋼筋發(fā)生腐蝕的初始時(shí)間顯著延后，基本達(dá)到之前的2倍.同時(shí)在給定了保護(hù)層厚度為75 mm的前提下，如果將混凝土的水灰比水平從0.5縮減到0.3，則橋面板的壽命周期將從8 a提高至86 a.這些數(shù)據(jù)表明，有效地控制混凝土的水灰比水平以及加厚混凝土保護(hù)層厚度，對(duì)提升跨海橋梁構(gòu)件抗氯離子耐久壽命有突出效果.

表4 不同水灰比水平和保護(hù)層厚度條件下初始臨界時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果Table4 Initial critical time predictions with different water-cement ratios and cover depths a

3 結(jié)論

通過本研究發(fā)現(xiàn):

1)由于該模型綜合模擬了海洋環(huán)境中構(gòu)件表面及內(nèi)部溫-濕度場(chǎng)以及氯離子濃度的耦合時(shí)程變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土遭受氯離子侵蝕過程的多參數(shù)仿真;

2)通過港珠澳大橋壽命預(yù)測(cè)仿真發(fā)現(xiàn)，外界環(huán)境對(duì)橋梁構(gòu)件遭受氯離子腐蝕風(fēng)險(xiǎn)影響顯著，整個(gè)港珠澳大橋最早可能發(fā)生氯離子鋼筋腐蝕的部位出現(xiàn)在處于潮汐區(qū)的橋墩部分，該區(qū)域混凝土表面長(zhǎng)期處于干濕循環(huán)狀態(tài)，且氯離子濃度較其他區(qū)域更為嚴(yán)重;

3)潮汐區(qū)與浪濺區(qū)由于與海水的直接接觸，海洋中自由氯離子易沉積在該區(qū)域的混凝土表面，由此決定著這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的混凝土較曝露在大氣環(huán)境中的構(gòu)件會(huì)更早地發(fā)生氯離子腐蝕破壞;

4)浪濺區(qū)構(gòu)件混凝土表面因被海水不斷拍打，導(dǎo)致表層受到磨蝕和剝蝕等多重物理作用，一定程度上加速鋼筋腐蝕，然而，本研究主要評(píng)估氯離子的傳輸過程對(duì)混凝土抗腐蝕壽命的影響，尚未考慮多重物理作用的因素，這將是后續(xù)研究的目標(biāo);

5)跨海橋梁構(gòu)件混凝土水灰比和保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋腐蝕誘發(fā)時(shí)間起到關(guān)鍵控制作用，需在耐久性設(shè)計(jì)時(shí)加以重視.

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