作者简介:赵 娟(1977—),女(汉族),河南省开封市人,上海应用技术学院副教授、博士. E-mail:zhaojuan_sit@163.com
中文责编:坪 梓; 英文责编:之 聿
School of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,P.R.China
concrete; chloride ion penetration; temperature-moisture transfer; cross-sea bridge; life prediction; durability
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2015.06632
考虑氯离子渗透过程中同时发生的温湿耦合传导问题,完善温湿-氯离子耦合传导过程的控制方程及相关参数,提出综合考虑温湿耦合传导影响的氯离子渗透数值模型.将该综合模型应用于在建的全球最长跨海大桥——港珠澳大桥,预测了该大桥不同部位构件进入钢筋腐蚀状态的临界时间,系统分析了不同边界环境下影响腐蚀临界时间的关键因素.研究表明,处于潮汐影响区的混凝土是遭受氯离子侵蚀最显著的部位,混凝土水灰比以及保护层厚度是影响构件抗氯离子腐蚀寿命的控制因素.
Considering conduction problems coupled with temperature and moisture simultaneously in chloride penetration process, we propose a chloride penetration numerical model coupled with temperature and moisture transfer by improving equations and parameters of the coupled conduction process. The model is applied to the world's longest under construction cross-sea bridge—Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge for prediction of the initial critical time of steel corrosion in the different parts of the bridge, and the systematical analysis of the key factors affecting the corrosion critical time in different boundary environment. Results show that the tidal zone exposure of concrete results in a more severe attack on the reinforcement, and the concrete water-cement ratio and cover thickness as controlling factors in affecting concrete anti-chloride corrosion life should be prevented especially.
跨海大桥是中国海洋战略发展的生命线,安全、耐久是国家乃至全社会对每一项投资数百亿的跨海大桥工程建设的共同期许. 然而,由于长期受Cl-侵蚀,跨海大桥混凝土构件中钢筋锈蚀的现象非常普遍[1-2],目前相关研究[3- 6]均是引入Fick第二定律来描述氯离子在跨海大桥等海工混凝土结构中的扩散行为.Fick第二定律能较好地描述氯离子在混凝土中的扩散行为,但其以氯离子渗透作为单一对象,仅仅关注了温度、龄期和应力条件等因素单独作用对氯离子渗透系数的影响,孤立地探讨氯离子的渗透过程[7].而在实际海洋环境中,外界因素往往是多种耦合作用在结构上,因此难以准确预测海洋环境中跨海大桥的腐蚀寿命周期.本研究考虑氯离子渗透过程中同时发生的温湿耦合传导问题,通过完善温湿-氯离子耦合传导过程的控制方程及相关参数,提出一套综合考虑温湿耦合传导影响的氯离子渗透数值模型,并将该综合模型应用于在建的全球最长跨海大桥——港珠澳大桥,预测了该大桥不同部位构件进入钢筋腐蚀状态的临界时间,系统分析了不同边界环境下影响腐蚀临界时间的关键因素,以为耐久性设计及管理提供借鉴.
混凝土热量传导、水分扩散与氯离子渗透过程可由一组偏微分方程[8]表达为
{ρc(θ)/(t)=div(λ·grad θ)
(w)/(h)(h)/(t)=div(Dh·grad h)
(Ct)/(Cf)(Cf)/(t)=div[Dcl·grad Cf](1)
其中, θ为温度; h为混凝土孔隙内相对湿度; C为氯离子在混凝土中的质量分数; t为时间; ρ为混凝土密度,一般取为2 400 kg/m3; c为混凝土比热,一般取0.98~1.00 kJ/(kg·℃); λ为混凝土的导热率; w为可蒸发水量; w/h为混凝土的容水度; Dh为湿度扩散率; Ct与Cf分别为单位体积混凝土中的氯离子总量和自由氯离子含量, Ct/Cf为混凝土对氯离子的绑缚能力; Dc1为氯离子扩散系数.
传热过程中通常将其基本参数指标ρ、 c和λ视为常数,文献[9]研究发现,混凝土的导热率与其湿度状态有显著影响,且呈现一定的相关性,该相关性可描述为
λ(h)={λref, h≤0.6
λref(1.5h+0.1), 0.6<h≤1.0(2)
其中, λref为干燥环境中测得的混凝土基准导热率.
混凝土内的水分传导控制方程[4]为
(h)/(t)=(h)/(w)((Dh)/(h)·((h)/(x))2Dh(2h)/(x2))(3)
其中, h为混凝土孔隙内相对湿度; h/w为混凝土容水度的倒数,可表示为混凝土相对湿度、温度以及材料性能的函数.
本研究采用文献[10]建议的复合氯离子吸附等温线来表达氯离子渗透问题,它适用于解决变化的自由氯离子浓度条件下混凝土对氯离子的吸附问题,可表示为
{Cb=(αCf)/(1+βCf)
(Cb)/(Cf)=α/((1+βCf)2)
(Ct)/(Cf)=1+1/w·α/((1+βCf)2)
0≤Cf≤Ct,
Cb=αCβf
(Cb)/(Cf)=αβCβ-1f
(Ct)/(Cf)=1+1/w·αβCβ-1f
Cf>Ct(4)
其中, Cb为混凝土吸附氯离子的质量分数; α和β为经验系数,可由试验得到.
氯离子渗透系数则被描述成一个多因素控制指标,其中主要因素有材料特性、混凝土龄期和环境相关性[11-13]等.
本研究将海洋环境中混凝土构件表面遭遇的氯离子侵蚀边界条件区分为临空区、浪溅区、潮汐区和海水浸没区.
考虑到区域温度变化的季节更替性,以1个月为步长,得到式(5)作为温度时程边界条件:
θ(t)=θmean+(θrange)/2·sin((π)/6t+θθ)(5)
其中, θ(t)为温度; θmean为区域年平均气温; θrange为区域年温度变化幅值; θθ为温度调整相差,由具体区域气温环境分布特点而定,一般取恒值.
对于处于浪溅区的混凝土,由于其表面长时间暴露于自然环境中,阳光及海风促使雨水及海浪冲刷所残留在混凝土表面的水分迅速干燥,水分很难渗透至混凝土内部,因此该区域混凝土内部的湿度场分布趋于大气环境相对湿度,可表示为
H(t)=hmean+(hrange)/2·sin((π)/6t+θh)(6)
其中, H(t)为相对湿度; hmean为区域年平均大气相对湿度; hrange为区域年大气湿度变化幅值; θh为湿度调整相差,由具体区域气候环境分布特点而定,一般取为恒值.
对于潮汐区,混凝土周期性地浸泡在海水中,其湿度边界条件不同于外界大气环境相对湿度条件,研究发现,5~6 d后混凝土湿度从表层向内部逐渐趋于稳定,数值接近外界大气相对湿度与100%饱和混凝土湿度的平均值[14],可表示为
H(t)=(1+hmean)/2+(hrange)/2·sin((π)/6t+θh)(7)
图1和图2分别为1 m厚混凝土试件在气温年周期变化和大气相对湿度年周期变化条件下的分布模拟结果.
研究表明,混凝土氯离子表面浓度随时间的幂函数呈准线性增长,并在5 a后达到稳定[15-16],可表示为
Cs(t)={Cs_reftn, t≤5 a
Cs_ref5n, t>5 a(8)
其中, Cs(t)为混凝土氯离子表面浓度; Cs_ref为氯离子在混凝土中质量分数的基准值,可由现场测试获得或根据外界环境条件估算而得; n为经验系数,大多数情况下取为0.5.
港珠澳大桥工程规模宏大,全长近50 km,其中海中主体部分逾35 km,将超越现有的世界最长跨海大桥杭州湾跨海大桥. 该大桥设计根据香港标准,设计使用寿命是120 a. 另外抗16级台风、8级地震及3×105 t巨轮撞击等要求,均较杭州湾跨海大桥要高,成为中国之最.
港珠澳大桥横跨伶仃洋,位于北回归线之南,东经113°46'—114°37',北纬22°27'—22°52'之间,属亚热带海洋性季风气候,该地区的年平均温度为23.1 ℃; 年温差为12 ℃; 年平均相对湿度为78%; 年相对湿度差为11%.
港珠澳大桥所处地区夏季盛行偏南季风,携带大量从海洋蒸发至大气中的游离氯离子. 到了冬季,季风转从北偏东方向吹来,带来干燥的气流,导致空气中的氯离子含量明显降低. 因此,通过大气质量监测,控制在距离海岸地区60 m以外的区域大气中的氯离子质量分数为每天1.5 mg/dm2,一年内该数值的波动范围为每天0.5 mg/dm2. 则混凝土中氯离子的年平均质量分数为0.075%,年均波动范围为0.05%.
本研究选择港珠澳大桥中2种重要构件(桥面板以及桥墩)作为研究对象.
1)曝露在临空区桥面板的耦合(温湿-氯离子),边界条件为
{θ(t)=23.1+6sin((π)/6t+(5π)/4)
H(t)=0.78+0.075sin((π)/6t-(π)/3)
Cs=[0.075+0.025sin((π)/6t-(π)/3)]·t0.5(9)
2)曝露在临空区桥墩部分的耦合(温湿-氯离子),边界条件同1).
3)曝露在大气区桥墩部分的耦合(温湿-氯离子),边界条件为
{θ(t)=23.1+6sin((π)/6t+(5π)/4)
H(t)=0.78+0.075sin((π)/6t-(π)/3)
Cs=0.1 t0.5(10)
4)处于浪溅区桥墩部分的耦合(温湿-氯离子),边界条件为
{θ(t)=23.1+6sin((π)/6t+(5π)/4)
H(t)=0.78+0.075sin((π)/6t-(π)/3)
Cs=1.42(11)
5)处于潮汐区桥墩部分的耦合(温湿-氯离子),边界条件为
{θ(t)=23.1+6sin((π)/6t+(5π)/4)
H(t)=0.78+0.075sin((π)/6t-(π)/3)
Cs=1.47(12)
分别以不同的混凝土水灰比(质量比)、基本物理力学参数作为模型的可变指标,计算不同情况下钢筋混凝土达到腐蚀诱发开始的时间,从而确定该结构的寿命周期下限. 参数指标见表1和表2.
1)大气环境中的桥面板.
考虑到港珠澳大桥所在区域的温湿度场波动范围较稳定,幅值较小(θrange=11 ℃; hrange=15%), 可以推断气候指标中起到主要控制作用的是该地区的年气温平均值与年大气相对湿度值.
大气温度年平均值或相对湿度年平均值越高,可能诱发氯离子的腐蚀初始临界时间就越短,同时,湿度变化对腐蚀发生所起的影响效果要明显强于气温变化的影响[17-18].
大气区中氯离子含量水平的增减对港珠澳大桥氯离子诱发腐蚀的临界时间有影响. 假设冬季时大气环境中游离的侵蚀性氯离子含量仅为夏季海洋性季风期的一半,则一年中夏季空气中的最高氯离子水平将对整座桥梁的使用寿命起至关重要的作用.
2)处于浪溅区的桥墩部分.
对于海浪不断拍击跨海大桥桥墩,该区域内的混凝土表面由于直接接触海水,吸附了更多的侵蚀性氯离子,故对于浪溅区桥墩部分的混凝土,相比于氯离子表面浓度条件,大气温度和湿度对腐蚀诱发时间的影响变得不再显著. 对比大气区以及浪溅区内的桥墩部分,分别对模型施加年最高气温或最大相对湿度作为环境边界条件的影响,混凝土表面的氯离子浓度均为实测水平,结果发现大气区相应的腐蚀临界时间分别为7 a或3 a,而浪溅区仅各缩短了1 a时间,腐蚀临界时间分别为6 a和2 a.
3)处于潮汐区的桥墩部分.
处于潮汐区的桥墩部分,由于混凝土与海水以及侵蚀性氯离子接触时间更长,导致该区域内混凝土表面的氯离子更易向内部渗透,发生钢筋腐蚀的风险较其他区域更大. 相比于浪溅区的混凝土,由于潮汐区混凝土表面湿度水平更高,使该处混凝土更接近于水饱和状态,以致外界的气候条件影响几乎可以忽略,而表面氯离子浓度将成为影响腐蚀诱发时间的唯一环境因素. 同时,前述的表面饱和氯离子浓度假说在潮汐区依旧存在,由此可将该推论推广到各类环境条件. 这一论断与大多数由于氯离子渗透学说的核心思想相统一.
4)构件及其材料物理特性影响.
依据温湿-氯离子耦合渗透数值模型,各项混凝土基本物理参数,如水灰比水平、水泥品种、混凝土养护龄期、混凝土骨料所占比例、混凝土泊松比以及混凝土构件保护层厚度等,均将影响数值模拟结果.本研究通过大量数值仿真计算发现,混凝土水灰比以及混凝土保护层厚度对钢筋腐蚀开始时间的影响较为显著.表4列出了港珠澳大桥在不同的混凝土水灰比以及保护层厚度条件下的腐蚀发生时间预测结果.
从表4可知,当混凝土保护层厚度由50 mm增加至75 mm时,钢筋发生腐蚀的初始时间显著延后,基本达到之前的2倍.同时在给定了保护层厚度为75 mm的前提下,如果将混凝土的水灰比水平从0.5缩减到0.3,则桥面板的寿命周期将从8 a提高至86 a.这些数据表明,有效地控制混凝土的水灰比水平以及加厚混凝土保护层厚度,对提升跨海桥梁构件抗氯离子耐久寿命有突出效果.
通过本研究发现:
1)由于该模型综合模拟了海洋环境中构件表面及内部温-湿度场以及氯离子浓度的耦合时程变化,实现了对混凝土遭受氯离子侵蚀过程的多参数仿真;
2)通过港珠澳大桥寿命预测仿真发现,外界环境对桥梁构件遭受氯离子腐蚀风险影响显著,整个港珠澳大桥最早可能发生氯离子钢筋腐蚀的部位出现处于潮汐区的桥墩部分,该区域混凝土表面长期处于干湿循环状态,且氯离子浓度较其他区域更为严重;
3)潮汐区与浪溅区由于与海水的直接接触,海洋中自由氯离子易沉积在该区域的混凝土表面,由此决定着这两个区域内的混凝土较曝露在大气环境中的构件会更早地发生氯离子腐蚀破坏;
4)浪溅区构件混凝土表面因被海水不断拍打,导致表层受到磨蚀和剥蚀等多重物理作用,一定程度上加速钢筋腐蚀,然而,本研究主要评估氯离子的传输过程对混凝土抗腐蚀寿命的影响,尚未考虑多重物理作用的因素,这将是后续研究的目标;
5)跨海桥梁构件混凝土水灰比和保护层厚度对钢筋腐蚀诱发时间起到关键控制作用,需在耐久性设计时加以重视.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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主 编 阮双琛
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