氯盐环境下再生混凝土桥墩使用寿命预测

朱 华 明

(江苏东南工程咨询有限公司，江苏 南京 210016)

国内外研究表明，荷载作用对再生混凝土中氯离子侵蚀速率有较大影响，这为研究荷载作用对再生混凝土结构寿命的影响提供了理论帮助。然而目前，几乎没有实际工程应用再生混凝土，很难找到工程实例来分析荷载作用对再生混凝土使用寿命的影响。本文以韩口河大桥为实例，分析韩口河大桥桥墩的受力情况，介绍实际工程中在考虑压应力的影响情况下再生混凝土结构寿命预测方法，研究压应力对再生混凝土桥墩使用寿命的影响。

1 工程概况

韩口河大桥2014年建成通车，全长1 157.2 m，分左右两幅，为预制装配式简支箱型梁桥。由于临黄海而建，桥梁处于典型的海工环境。图1为韩口河大桥施工图以及桥墩的横、纵断面简图。

桥梁结构设计安全等级：一级。公路等级：一级。桥梁结构设计使用年限：100年。主梁形式：钢筋混凝土箱型简支梁。车道数：2×3。桥面总宽：32.5 m，双向六车道+人非系统断面，横断面组成为：0.3 m(人行栏杆)+4.2 m(人非系统)+0.5 m(防撞护栏)+11 m(行车道)+0.5 m(中分带)+11 m(行车道) +0.5 m(防撞护栏)+ 4.2 m(人非系统)+0.3 m(人行栏杆)。板式墩的截面尺寸：4 m×1.8 m。板式墩所用混凝土等级：C40。

2 桥墩轴向荷载计算

2.1 恒载的计算

钢筋混凝土容重：26 kN/m3；

沥青混凝土容重：24 kN/m3；

10 cm厚沥青混凝土桥面铺装柔性防水层：g1=0.1×16.25×24=39 kN/m；

8 cm厚C40防水混凝土桥面现浇层：g2=0.08×16.25×25=32.5 kN/m；

主梁及横隔板近似荷载：g3=[16.25×2-2×1/2×1.8×1.75-5×1/2×(1.75+1.25)×1.55-4×0.585×1.2+1.3×16.25+1.5×1/2×(16.25+4)]×25=1 283 kN/m；

每延米板宽自重：g=g1+g2+g3=39+32.5+1 283=1 354.5 kN/m。

2.2 活载的计算

本桥公路等级一级，以各车道及人行道均满布为最不利荷载布置，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，桥梁结构的整体计算采用车道荷载。

公路一级车道荷载中平均荷载qk=10.5 kN/m；

公路一级车道荷载中集中荷载pk=2×(40+130) =340 kN；

在计算剪力效应时集中荷载标准值应乘以1.2的系数，即pk1=340×1.2=408 kN；

该桥单侧采用三车道，横向车道折减系数取为0.78；

韩口河大桥计算跨径约为40 m时，人群荷载标准值mk取为3.0 kN/m。

2.3 桥墩所受压应力比的计算

按承载能力极限状态，结构重力对结构承载能力不利时计算剪力效应组合：Sud=1.2D自重+1.4S汽+0.8×1.4S人=1.2×1 354.5×40+1.4×(408+10.5×40)×0.78+0.8×1.4×3.0×40=66 054.6 kN；

墩柱截面所受压应力：σ=Sud/(bh)=66 054.6/(4×1.8)=9.2 MPa；

C40混凝土抗压强度设计值：fcd=18.4 MPa；

墩柱截面所受压应力比：λ=σ/fcd=9.2/18.4=0.5。

3 桥墩寿命预测

3.1 使用寿命定义

1982年，瑞典学者Tuutti[1]提出了钢筋混凝土锈蚀破坏预测模型，如图2所示。该模型将整个钢筋混凝土锈蚀过程分为两个阶段，分别为钢筋失钝或锈蚀引发期(即诱导期)和锈蚀发展阶段。第一阶段为诱导期T1，该阶段混凝土保护层对钢筋起保护作用，混凝土内部高碱度使钢筋处于钝化状态，钢筋未发生锈蚀，诱导期结束钢筋才开始锈蚀。大气中的二氧化碳或环境中的氯离子或两者共同作用都可以诱发钢筋锈蚀。当钢筋锈蚀是由环境中的氯离子引发时，混凝土诱导期的时长指的是从结构建成到环境中的氯离子扩散至钢筋表面且周围氯离子浓度富集到临界浓度，破坏钢筋表面钝化膜所需的时间。第二阶段为锈蚀发展阶段，该阶段是指从钢筋发生锈蚀直到结构发生严重破坏已经不能正常使用的阶段。第二阶段又可划分为三个时期：1)中期T2，即钢筋发生锈蚀到混凝土保护层开裂所需要的时间；2)后期T3，即混凝土结构开始发生破坏至保护层发生剥落所需要的时间；3)晚期T4，即钢筋混凝土结构发生严重破坏，结构已经不能正常使用所需要的时间。

在通常情况下，诱导期远远长于锈蚀发展阶段，这意味着钢筋一旦发生锈蚀，诱导期结束，结构的使用寿命也即将结束。如果结构忽然没有任何征兆地产生破坏，将会给人的生命财产造成重大损失，所以一般结构的使用寿命结束是指结构达到了不能承受的极限状态，并不是指结构倒塌。对于钢筋混凝土锈蚀过程来说，不能承受的极限状态通常发生在混凝土保护层开裂(T2)这一阶段，一旦钢筋混凝土结构达到该极限状态，就必须对结构进行及时修补，以提高结构的安全性，延长结构的使用寿命，并且修补得越及时，引起的损伤也就越小，因此一般情况下钢筋混凝土的使用寿命是指第一阶段诱导期的时长(T1)[2]。本文以诱导期(T1)作为韩口河大桥桥墩的使用寿命。

3.2 氯离子侵入混凝土模型确定

尽管氯离子侵入混凝土的过程十分复杂，在多数情况下，氯离子主要是通过扩散的方式侵入混凝土。因此，诱导期的时长很大程度上取决于氯离子在混凝土中的扩散速率和此过程的浓度阈值。目前，通常用Fick第二定律来描述氯离子扩散侵入混凝土的过程[3]。Fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，可以用来估算混凝土结构钢筋锈蚀过程中诱导期的时长，即结构的使用寿命。Fick第二定律计算公式如下：

(1)

其中，C为氯离子的浓度;t为氯离子的侵蚀时间即结构暴露于氯离子环境中的时间;D为混凝土的氯离子扩散系数;x为氯离子的侵蚀深度即混凝土保护层厚度。

该计算模型的解决取决于各个问题的边界条件和初始条件。一般认为混凝土结构长时间的暴露于稳定的使用环境中，表面氯离子浓度基本达到饱和，可以视为定值；混凝土结构相对于暴露表面为半无限介质，在任意时刻，相对于暴露表面的无限远处的氯离子浓度值为初始浓度；此外一般情况下混凝土内氯离子初始浓度默认为0。根据边界条件及初始条件，Fick第二定律的解为：

(2)

其中,C(x,t)为t时刻x深度处的氯离子浓度;Cs为混凝土表面氯离子浓度;erf为误差函数。

3.3 氯离子侵入混凝土模型中的关键参数确定

1)临界氯离子浓度确定。

氯离子扩散至钢筋表面且富集到一定浓度时就会引起钢筋锈蚀，这个引起钢筋锈蚀的氯离子浓度称为临界氯离子浓度。氯离子临界浓度与混凝土材料、配合比，水泥类型、成分，外部环境温度、湿度等因素有关。因此，临界氯离子浓度理论上是一个随机变量，其应在大量统计的基础上进行取值。国内外学者对临界氯离子浓度进行大量研究，研究结果发现不同环境下临界氯离子浓度通常在0.1%～0.3%(占混凝土质量的比例)之间[4,5]。由于缺乏实测数据，考虑到韩口河大桥结构设计安全等级为一级，本文取对桥梁管理和养护有利的0.1%作为临界氯离子浓度进行寿命预测。

2)表面氯离子浓度确定。

混凝土表面的氯离子浓度并不是一成不变的，会随着时间的推移而逐步增长。大量研究表明，表面氯离子浓度大小受多种因素的影响，比如结构构件所处环境(包括氯离子浓度、温度、湿度、所处位置方向等)、混凝土自身材料特性(如孔结构、密实性以及氯离子结合能力)等。国内外学者对表面氯离子浓度进行大量研究，发现对于水下区，混凝土结构表面氯离子浓度一般与海水中氯离子浓度接近。而对于浪溅区，混凝土表面氯离子浓度会随着构件所处位置、朝向、相对最高潮位的高度变化而变化。我国近海大气区混凝土表面氯离子浓度受到多种因素的影响，其值可在混凝土质量的0.04%～1%范围内变化[6]。由于表面氯离子浓度在短时间内会有所变化，但在较长的时间段内可认为是恒定的，一般可以通过反推氯离子浓度随着深度变化曲线的方式得到实际工程混凝土结构表面氯离子浓度。本文缺乏实测氯离子分布曲线，在预测韩口河大桥桥墩大气区的使用寿命时采用偏安全的混凝土表面氯离子浓度1%来预测。

3)保护层厚度确定。

混凝土的保护层一方面可以阻止外界腐蚀介质、氧气和水分的侵入，另一方面由于水泥水化导致的混凝土内部高碱度可使钢筋表面形成钝化膜，从而对钢筋起到保护作用。保护层的保护效果主要受混凝土的密实性和保护层的厚度这两个因素的影响，适当加大混凝土保护层厚度被认为是提高混凝土结构耐久性、延长混凝土结构使用寿命的最有效措施。国内外的混凝土规范都对不同环境下混凝土结构的最小保护层厚度作了明确规定。韩口河大桥桥墩保护层厚度设计值为55 mm，使用该设计值进行寿命预测。

4)混凝土氯离子扩散系数确定。

压力荷载对混凝土氯离子扩散系数有着显著的影响。由于韩口河大桥桥墩一直处于压力荷载下，无法测试到无应力下桥墩的氯离子扩散系数，同时考虑到韩口河大桥桥墩与浇筑的普通混凝土强度等级均达到C40，用本文所浇筑的普通混凝土在不同压力荷载下的氯离子扩散系数来代替韩口河大桥桥墩实测氯离子扩散系数。压应力比为0，0.5时，90 d普通混凝土氯离子扩散系数分别为4.374×10-12m2/s，3.730×10-12m2/s。选用90 d的氯离子扩散系数进行寿命预测的原因是混凝土氯离子扩散系数在90 d后趋于稳定，变化幅度不大。

假定韩口河大桥桥墩所用材料为再生混凝土，应用试验[7]所测得的考虑荷载作用的再生混凝土氯离子扩散系数对其进行寿命预测。90 d龄期的再生混凝土在持续压应力比分别为0，0.5时氯离子扩散系数分别为9.754×10-12m2/s，6.217×10-12m2/s。

3.4 韩口河大桥桥墩寿命预测

使用以上韩口河大桥桥墩氯离子侵入混凝土模型中的关键参数来计算在持续压应力比分别为0，0.5情况下普通混凝土桥墩和再生混凝土桥墩的使用寿命，其预测结果如表1所示。

表1 韩口河桥梁桥墩耐久性寿命预测

对比表1中数据可知，普通混凝土的使用寿命均超过韩口河大桥的结构设计使用年限100年，而再生混凝土桥墩的使用寿命远远没有达到100年，不能满足韩口河大桥设计要求。这说明再生混凝土耐久性远远低于普通混凝土，尚不能够直接应用于实际工程中，必须对其进行改性以提高耐久性。

此外，由表1还可以看出压应力对普通混凝土和再生混凝土结构使用寿命均有较大影响，不同压应力比下桥墩的使用寿命相差较大。但是预测结果表明当持续压应力比为0.5时，桥墩使用寿命比无应力下桥墩的使用寿命长，这意味着混凝土在压力的作用下耐久性并未发生劣化。这与实际情况显然存在较大的出入，可能是由于实际情况下桥墩是在多向荷载、疲劳荷载等复杂荷载作用下工作的，并不是单向静压力下工作的。因此关于如何预测实际工程中混凝土结构的使用寿命需要进一步研究。

4 结论

本文以连云港韩口河大桥桥墩为实例，假定韩口河大桥桥墩所用材料为再生混凝土，将室内试验所研究的压应力对再生混凝土氯离子扩散系数的影响规律应用于桥墩的寿命预测中，对比分析了普通混凝土和再生混凝土在同等工程条件下的使用寿命，并研究了压应力对桥墩使用寿命的影响，结论如下：

1)再生混凝土桥墩的使用寿命远远小于普通混凝土的使用寿命，不能满足韩口河大桥设计要求。这说明再生混凝土耐久性远远低于普通混凝土，尚不能够直接应用于实际工程中，必须对其进行改性以提高耐久性。

2)压应力对普通混凝土和再生混凝土结构使用寿命有较大影响，不同压应力比下桥墩的使用寿命相差较大。因此，开展荷载作用对混凝土氯离子扩散系数的研究及寿命预测分析具有十分重要的现实意义。此外，韩口河大桥桥墩的寿命预测结果表明压应力比为0.5下的桥墩使用寿命比无应力下桥墩的使用寿命长，压力作用下混凝土耐久性并未发生劣化，这与实际情况显然存在较大的出入，可能是由于实际情况下桥墩是在多向荷载、疲劳荷载等复杂荷载作用下工作的，并不是单向静压力下工作的。因此关于如何预测实际工程中混凝土结构的使用寿命需要进一步研究。