朱建鋒

(中鐵十六局集團置業(yè)投資有限公司 北京 100018)

1 引言

港灣區(qū)作為重要的區(qū)域運輸樞紐，是我國對外經(jīng)濟的窗口，也是對外貿(mào)易發(fā)展的中轉(zhuǎn)站，對我國經(jīng)濟建設(shè)和對外開放發(fā)展而言意義重大。為更好地促進我國港灣區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展，2011年國家出臺了多項政策措施大力推進港灣區(qū)發(fā)展[1-2]。然而港灣區(qū)的發(fā)展離不開基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)由于受到交變荷載及海水侵蝕的雙重影響，往往存在嚴重的耐久性問題，直接影響了當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施耐久性壽命。因此，對港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究一直是工程師們關(guān)注的重點。

目前針對海水腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要集中在兩個方面:一方面學(xué)者們就腐蝕環(huán)境對混凝土耐久性影響展開了大量理論研究，李金永[3]進行了混凝土樁在拉荷載-氯鹽侵蝕協(xié)同作用下的服役壽命預(yù)測；李永強[4]研究了浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕性受干濕循環(huán)條件的影響；劉學(xué)勇[5]歸納總結(jié)了港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要誘因；馬乾[6]則制定了海港混凝土工程耐久性定量設(shè)計方法并進行了工程應(yīng)用。另一方面則集中于研究不同摻合料對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響，劉文斌[7]分別對摻加了粉煤灰、硅灰的混凝土在腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響進行研究。在上述研究基礎(chǔ)上，工程師們結(jié)合國內(nèi)外大型工程進行了耐久性壽命預(yù)測以及如何提高耐久性壽命的措施進行探討。譚國宏等人[8]開展了馬爾代夫中馬友誼大橋耐久性設(shè)計；王飛[9]]對港珠澳大橋混凝土耐久性進行了深入探討；徐彧[10]則采用現(xiàn)場調(diào)研和試驗研究探討了大連港和秦皇島港混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

上述研究雖然取得了大量理論成果和有效經(jīng)驗，但耐久性能的研究多于耐久性壽命預(yù)測研究，而港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命對當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè)更具實際指導(dǎo)意義。因此，本文在對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型研究基礎(chǔ)上，就華北、華東、華南三地代表性港灣區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)不同部位在不同荷載-氯鹽腐蝕耦合作用下進行耐久性壽命預(yù)測。研究成果可為我國港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和保護措施提供理論支持。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型

在氯鹽侵蝕環(huán)境中，不同荷載形式作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性壽命ti預(yù)測模型見式(1)～式(3)。

恒定荷載作用:

低頻率交變荷載作用:

高頻率交變荷載作用:

式中，x為混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的保護層厚度，mm；ke，cl、kη，cl分別為混凝土環(huán)境系數(shù)、荷載影響系數(shù)，按文獻[11-12]取值；kc，cl為試驗方法轉(zhuǎn)換系數(shù)，采用RCM 方法時，取0.5；Dcl，0為混凝土氯離子擴散系數(shù)試驗值，10-12m2/s；t0為試驗混凝土氯離子滲透性試驗臨期，年；t為混凝土氯離子擴散系數(shù)衰減至恒定值的時間，年，通常取30年；n為擴散系數(shù)的衰減值(按表1取值)；η為混凝土結(jié)構(gòu)所處應(yīng)力水平；cs、ccr分別為混凝土表面氯離子濃度、臨界區(qū)氯離子濃度(按表2和表3分別取值)，%；c0為混凝土初始氯離子濃度，根據(jù)實際工程所在地多年實測數(shù)據(jù)取值。

表1 擴散系數(shù)衰減值n的建議取值

表2 混凝土表面氯離子濃度cs取值

表3 不同典型地區(qū)臨界氯離子濃度ccr取值

3 結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測

港灣區(qū)的海工混凝土結(jié)構(gòu)受荷載-氯鹽侵蝕耦合作用影響可細分為浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、大氣區(qū)。不同部位處結(jié)構(gòu)的耐久性壽命略有不同。本文選取我國天津港(華北)、上海港(華東)、深圳港(華南)三地代表性港灣區(qū)，采用荷載-氯鹽耦合作用下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型分別開展不同地區(qū)、不同部位海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測，深入探討荷載-氯鹽侵蝕對我國不同港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

3.1 天津港結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測

天津港地處渤海灣西端，是我國京津冀的海上門戶，是二十一世紀海上絲綢之路的戰(zhàn)略要點。該港口區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12℃，波浪以風(fēng)浪為主、涌浪為輔，多年實測氯離子平均濃度為18.7 g/L。采用荷載-氯鹽耦合作用下的壽命預(yù)測模型計算得出該地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命，見圖1。

圖1 天津港混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命

浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命計算結(jié)果表明:在恒定荷載、低頻交變荷載以及高頻交變荷載作用下，天津港浪濺區(qū)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)承受50%應(yīng)力水平時的耐久性壽命分別較10%應(yīng)力水平下降58%、81%和91%，可見其耐久性壽命隨荷載的增大呈顯著下降趨勢，且在中應(yīng)力區(qū)，高頻交變荷載作用下的結(jié)構(gòu)耐久性壽命小于恒定荷載和低頻交變荷載作用。在這三類荷載作用下，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力水平超過41%、31%和12%時，結(jié)構(gòu)耐久性壽命低于普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，存在明顯的耐久性問題。而港口區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)往往承受海浪等交變荷載作用，承受50%應(yīng)力水平高頻交變荷載的混凝土結(jié)構(gòu)其耐久性壽命僅為5.1年。因此為保證天津港浪濺區(qū)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，必須采取有力的防腐蝕措施。

天津港水位變動區(qū)及大氣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命規(guī)律與浪濺區(qū)基本一致:結(jié)構(gòu)耐久性壽命隨荷載的增加而顯著下降，其中以高頻交變荷載最為明顯，水位變動區(qū)及大氣區(qū)下降幅度高達90%。結(jié)構(gòu)水位變動區(qū)承受應(yīng)力水平超過46%、34%和13%時，耐久性壽命低于設(shè)計使用年限，而大氣區(qū)則為60%、41%和18%。

此外，對比天津港混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命可知，在相同應(yīng)力水平、相同類型荷載作用下浪濺區(qū)<水位變動區(qū)<大氣區(qū)，因此浪濺區(qū)部位和水位變動區(qū)部位應(yīng)該尤為重視，須采用行之有效的防腐蝕措施。

3.2 上海港結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測

上海港位于中國大陸海岸線中部、長江入?？谔帲沁B通世界大洋和我國內(nèi)湖流域的重要港口，2018年貨物吞吐量已排名世界第二。該港口區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫16℃，全年溫暖多雨，多年實測氯離子平均濃度為5.6 g/L。經(jīng)計算，上海港混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命見圖2。

上海港混凝土結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)、水位變動區(qū)以及大氣區(qū)耐久性壽命計算結(jié)果表明:在恒定荷載、低頻交變荷載以及高頻交變荷載作用下，上海港的混凝土結(jié)構(gòu)承受50%應(yīng)力水平時的耐久性壽命均有明顯下降，下降幅度達到69% ～90%，且在中應(yīng)力區(qū)，高頻交變荷載作用下的結(jié)構(gòu)耐久性壽命小于恒定荷載和低頻交變荷載作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)承受應(yīng)力水平超過45%、33%和13%時，耐久性壽命低于設(shè)計使用年限，而水位變動區(qū)為50%、36%和14%，大氣區(qū)則為63%、43%和19%。此外，對比上海港混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命可知，在相同應(yīng)力水平、相同類型荷載作用下浪濺區(qū)<水位變動區(qū)<大氣區(qū)，因此為保證上海港混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，必須采取有力的防腐蝕措施，尤其應(yīng)該重視浪濺區(qū)部位和水位變動區(qū)部位。

圖2 上海港混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命

3.3 深圳港結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測

深圳港地處廣東省珠江三角洲南部，是珠江三角洲地區(qū)重要出?？谥唬俏覈喜康闹行母?。截止2018年10月，深圳港開通的航線已覆蓋世界十二大航區(qū)，為東南亞及歐美等國家進出口貨源服務(wù)。該港口常年受季風(fēng)影響，年平均氣溫22.4℃，多年實測氯離子平均濃度為15.3 g/L。經(jīng)計算，深圳港混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命見圖3。

圖3 深圳港混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命

深圳港混凝土結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)、水位變動區(qū)以及大氣區(qū)耐久性壽命變化規(guī)律與天津港、上海港基本一致，即結(jié)構(gòu)耐久性壽命隨荷載的增加而顯著下降，其中以高頻交變荷載最為明顯；在中應(yīng)力區(qū)，高頻交變荷載作用下的結(jié)構(gòu)耐久性壽命小于恒定荷載和低頻交變荷載作用。當(dāng)浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力水平超過42%、32%和12%時，耐久性壽命低于設(shè)計使用年限，而水位變動區(qū)為48%、35%和14%，大氣區(qū)則為61%、42%和18%。因此為保證深圳港浪濺區(qū)內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，同樣必須采取行之有效的防腐蝕措施。

橫向?qū)Ρ忍旖蚋?、上海港以及深圳港三地代表性港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命可知:混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題隨著當(dāng)?shù)芈入x子濃度的增加而愈加顯著，上海港實測氯離子濃度最低(5.6 g/L)，在相同應(yīng)力水平、相同類型荷載作用下的混凝土相同部位其耐久性壽命均高于天津港和深圳港。因此，針對我國海域遼闊、各港灣區(qū)水文條件各不相同的實際情況，在采取相應(yīng)防腐措施時需因地制宜。

4 結(jié)論

本文針對港灣區(qū)存在的氯鹽侵蝕情況，采用荷載-氯鹽腐蝕耦合作用下耐久性壽命預(yù)測模型開展了天津港、上海港和深圳港的混凝土結(jié)構(gòu)在不同荷載類型、不同應(yīng)力水平下不同部位的耐久性壽命預(yù)測。

(1)在恒定荷載、低頻交變荷載以及高頻交變荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的耐久性壽命均隨荷載的增大呈顯著下降趨勢。

(2)在中應(yīng)力區(qū)，高頻交變荷載作用下的結(jié)構(gòu)耐久性壽命小于恒定荷載和低頻交變荷載作用。

(3)港灣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命常低于設(shè)計使用年限，其中浪濺區(qū)和水位變動區(qū)尤為嚴重。

(4)高頻交變荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命最短，下降幅度也最為明顯。

(5)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題隨當(dāng)?shù)芈入x子濃度的增加而愈加顯著。