DuraCrete 模型预测大连湾海底隧道混凝土氯离子浓度时系数Ke 取值的统计分析

李冰黎，刘丹忠，孙文豪，3

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.长江武汉航道工程局，湖北 武汉 430010；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

我国经济正处于高速发展阶段，大量的海洋混凝土结构如跨海大桥、海底隧道、海洋钻井平台等开始兴建，这些结构长期处于恶劣的海洋环境下，其结构的耐久性能已成为工程界关注的重点[1-2]。按照GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计规范》的规定，大连湾海底隧道工程所处环境作用等级为：水下区属于海洋氯化物III-C 级（中度），海洋浪溅区/潮汐区为冻融II-E 级（非常严重）和海洋氯化物III-E 级（非常严重）[2-4]。因此，氯离子侵入诱发钢筋锈蚀是导致大连湾海底混凝土结构耐久性劣化的主要因素[5]，预测和控制混凝土中氯离子浓度则是评价大连湾海底隧道混凝土耐久性的基本要求。

混凝土中氯离子含量预测研究包括混凝土中氯离子的传输机理和计算模型、钢筋腐蚀条件下氯离子阈值的选择等多种研究内容，其中菲克第二定律是最早用于描述混凝土中氯离子传输的简单模型[6]。该模型由Collepardi 等人在20 世纪70年代提出，以其简单的形式和方便应用性，广泛获得业界的认同和采纳。受限于水泥均匀性和各向同性等基本假设，以及考虑的影响因素过少等模型先天不足原因，使得菲克第二定律的预测精度存在一定问题[6]。为此，基于菲克第二定律对氯离子传输模型，国内外研究人员进行了富有成效的改进与完善。DuraCrete 模型作为较成熟的氯离子传输计算模型，首先由Mejlbro 提出，补充了菲克第二定律中对多因素和时间依赖性的缺失，被欧洲及我国等多国的耐久性规程采纳。大连湾海底隧道混凝土耐久性分析以DuraCrete 模型为基础，因此对DuraCrete 模型中相关参数的研究成为大连湾海底隧道耐久性研究的主要任务之一。

1 计算模型分析

1.1 DuraCrete 模型

DuraCrete 模型用于预测混凝土内部氯离子浓度时变规律和一维空间分布特征，一般解析表达式可简写为[6]：

式中：C（x，t）为t 时刻距离混凝土表面x mm 位置处的氯离子浓度，kg/m3；Cs为表面氯离子浓度，kg/m3；Ke为环境对氯离子扩散劣化效应系数；Kc为混凝土养护方法对氯离子扩散劣化效应系数；Km为测试方法对氯离子扩散系数的影响参数；t0为参考时间，一般取0.076 7 a（对应于28 d）；m 为衰减系数参数；D0为时刻t0时氯离子扩散系数。

1.2 环境对氯离子扩散劣化效应系数

氯离子扩散的劣化效应系数Ke是混凝土在实际使用过程中与在实验室条件下的氯离子扩散系数数值之比，反映了实际使用环境中氯离子扩散系数的放大倍数。DuraCrete 模型中，影响混凝土氯离子扩散系数的环境系数Ke，即大连湾海底隧道建设工程项目模型中的劣化效应系数Ke。鉴于相关规范中该系数取值面向全国，与大连湾区域存在一定的差别，因此需要对大连地区海洋混凝土结构进行跟踪调查及混凝土试件的暴露试验，才能确定合理的Ke值。

2 试验方案

试验分为两个部分，分别为实际海洋工程结构中混凝土氯离子扩散的长期劣化效应试验和高性能混凝土在大连地区海洋暴露环境下氯离子扩散的劣化效应系数试验[7]。

1）为了计算大连地区海洋混凝土结构的氯离子扩散系数的劣化系数Ke值，将混凝土内部不受外界影响的芯样浸泡在实验室的海水中，按照自然扩散法测定氯离子扩散系数，在考虑温度修正（按照室内实验的 20 ℃修正到现场环境的平均10 ℃）与长期服役时间修正（按照时间依赖性指数m=0.630 4），则可计算出实际结构内部混凝土的长期氯离子扩散系数，之后将其与海洋工程暴露环境中结构表面混凝土的实测氯离子扩散系数进行比较，得到海洋结构中不同环境区域混凝土的劣化效应系数[8-9]。

2）利用实验室制备的系列高性能混凝土，在室内与大连湾海洋现场两个暴露条件下分别获得氯离子扩散规律。其中，海洋暴露区域分为：大气区、浪溅区、潮汐区和水下区。试验得到不同高性能混凝土在不同海洋暴露环境中的表观氯离子扩散系数，并与相应的室内表观氯离子扩散系数进行对比，确定高性能混凝土在大连海洋环境中的氯离子扩散系数的劣化效应系数。

3 试验结果分析

3.1 实际海洋工程结构中混凝土氯离子扩散的长期劣化效应

3.1.1 实际海洋工程结构中混凝土氯离子扩散系数

将大连地区多种海洋工程混凝土结构的长期服役条件下氯离子扩散系数Dat，按照海洋大气区、潮汐区和浪溅区进行分类汇总，建立大连地区海洋混凝土结构的长期服役条件下Dat的大致规律，见图1。

图1 海洋环境中混凝土氯离子扩散系数分布图Fig.1 Distribution of chloride ion diffusion coefficient of concrete in marine environment

1）对于实际环境Dat发展趋势，潮汐区混凝土Dat发展曲线先减小后增大，浪溅区潮汐区混凝土Dat发展曲线同样先减小后增大，大气区混凝土Dat先增大后减小。

2）在11～50 a 服役期内，潮汐区及浪溅区混凝土Dat相差较小，分别为0.01、0.06、0，拟合曲线基本一致，表明大连地区实际海洋环境下潮汐区与Dat扩散在11～50 a 服役期内基本相同。

3）潮汐区及浪溅区混凝土Dat前期虽然相差较小，但服役82 a 条件下，潮汐区混凝土Dat相较浪溅区大1.21，具有较为明显的抬升。从整体看，潮汐区Dat总是不小于浪溅区混凝土Dat。

4）大气区混凝土Dat变化趋势与潮汐区或浪溅区截然不同，为先快速增大后迅速降低，初期（服役11 a）时，大气区混凝土Dat较潮汐区（或浪溅区）混凝土Dat均小，约小0.28。其后服役期混凝土Dat均较潮汐区（或浪溅区）混凝土Dat大，最小偏差0.22。

3.1.2 芯样室内试验混凝土氯离子扩散系数

将混凝土结构内部不受外界影响的芯样浸泡在实验室的海水中，按照自然扩散法测定氯离子扩散系数，在考虑温度时间修正后，按照海洋大气区、潮汐区和浪溅区进行分类汇总，建立大连地区海洋混凝土结构的室内试验混凝土氯离子扩散系数（Da）的大致规律，见图2。

1）各区域混凝土Da发展曲线，随着服役时间增加而降低。

图2 海洋环境结构混凝土室内试验氯离子扩散系数分布图Fig.2 Distribution of chloride ion diffusion coefficient in laboratory test of concrete in marine environment

2）大气区海洋结构混凝土Da较其他区域普遍较大，可能原因之一为潮汐区及浪溅区混凝土受海水侵扰，海水中矿物质将混凝土毛细孔甚至细小裂缝封堵，使得混凝土结构致密不易受氯离子侵蚀。

3.1.3 混凝土氯离子扩散的劣化效应系数

将计算得到的混凝土扩散系数的劣化效应系数Ke值，按照海洋大气区、潮汐区和浪溅区进行分类汇总，建立大连地区海洋混凝土结构的劣化效应系数Ke值的大致规律，见图3。

图3 海洋环境中混凝土氯离子扩散的劣化效应系数分布图Fig.3 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in marine concrete

1）由图3 可见，这些海洋工程混凝土结构多属于普通混凝土，强度等级不高，而且年代、原材料、配合比及施工工艺均不相同，虽然海洋结构中混凝土的氯离子扩散劣化效应是存在的，但各数据离散性较大，因此对于某固定组分混凝土结构，应该参照对应混凝土结构。

2）海洋大气区：在11～50 a 服役期内，Ke=0.70～6.08，平均值2.71，标准差2.27；海洋潮汐区：在 11～82 a 服役期内，Ke=0.34～6.85，平均值2.44，标准差2.17；海洋浪溅区：在11～82 a 服役期内，Ke=0.45 ～4.73，平均值 1.73，标准差1.17。

3） 对于明确使用高性能混凝土的滑道码头（2005 年建），经过实测其抗压强度在 40 ～45 MPa，经单独统计，该高性能混凝土结构在大连地区服役11 a 后氯离子扩散系数的劣化效应系数Ke值，明显小于普通混凝土。按照拉伊达异常数据剔除准则，得到以下统计规律：

海洋潮汐区：Ke=1.15～1.46，平均值1.32，标准差0.16，变异系数12.1%。

海洋浪溅区：Ke=1.17～1.70，平均值1.52，标准差0.26，变异系数17.3%。

海洋大气区：Ke=0.70～1.02，平均值0.85，标准差0.16，变异系数18.6%。

对于使用高性能混凝土的滑道码头（2005 年建），其氯离子扩散系数的劣化效应系数值规律与DuraCrete 规定具有一定的可比性，而且其变异系数不超过20%，适合大连湾海底隧道耐久性模型使用。

4）对于高性能混凝土的滑道码头（2005 年建）劣化效应系数值进行细部分析，统计表见表1。由表1 可以较为明显地看到：浸泡40 d，潮汐区＞浪溅区＞大气区；浸泡111 d，浪溅区＞潮汐区＞大气区；浸泡231 d，潮汐区＞大气区＞浪溅区。

表1 滑道码头（2005 年建）Ke 值统计表Table 1 Glide pier(built in 2005)Ke values statistical table

浸泡时间越长，Ke值普遍降低，且231 d 浸泡时间下，Ke值分布规律与DuraCrete 规定具有较高的一致性，可能是较为准确的劣化效应系数值，但从安全性角度考虑，不推荐使用。

3.2 高性能混凝土在大连地区海洋暴露环境下氯离子扩散的劣化效应系数

高性能混凝土在大连海洋环境中的氯离子扩散的劣化效应系数见图4，经过数理统计，对于高性能混凝土，在大连湾海洋暴露环境下的Ke平均值分别为：潮汐区1.38、浪溅区1.46、水下区1.55。标准差分别为：潮汐区0.85、浪溅区0.84、水下区0.80。从统计的平均值来看，高性能混凝土的Ke值明显小于现场试验在役普通混凝土结构Ke值。

图4 高性能混凝土氯离子扩散的劣化效应系数分布图Fig.4 Distribution of degradation effect coefficients of chloride ion diffusion in high performance concrete

比较使用高性能混凝土的某码头（2005 年建）服役11 a 后的Ke值（潮汐区1.32、浪溅区1.52，变异系数不超过20%），新制备的高性能混凝土的Ke值是可靠的，与现场长期服役数据是相当的。按照不利原则，大连湾海底隧道结构寿命设计分析推荐采用的Ke值取值为：水下区1.55、潮汐区1.38、浪溅区1.52、大气区0.85。

4 结语

为研究确定大连湾海底隧道混凝土结构耐久性DuraCrete 模型中氯离子扩散劣化效应系数，分析了大连湾区域既有海工混凝土氯离子扩散劣化效应，结合拟采用的高性能混凝土室内外对比试验，分析不同区域氯离子扩散劣化效应系数，主要结论及建议如下：

1）大气区海洋结构混凝土Da较其他区域普遍较大，可能是因为潮汐区及浪溅区混凝土受海水侵扰，海水中矿物质将混凝土毛细孔甚至细小裂缝封堵，使得混凝土结构致密不易受氯离子侵蚀，结论有待进一步的研究探索。

2）高性能混凝土结构氯离子扩散系数的劣化效应系数Ke值小于普通混凝土。

3）大连湾海底隧道沉管隧道结构耐久性设计分析推荐采用的Ke取值为：水下区1.55、潮汐区1.38、浪溅区1.52 和大气区0.85。