海域环境对桥梁墩柱腐蚀的影响及耐久性预测

文／孙丹丹 中铁十五局集团有限公司 上海 200040

1、项目情况

1.1 工程概况

杭甬滨海枢纽互通立交项目占用海域面积613.03亩，是亚洲规模最大的海上互通立交桥，杭甬复线 宁波一期工程S3合同段主要工程内容为滨海互通立交、滨海高架桥。上部结构为等截面单箱单室斜腹板预应力混凝土连续箱梁结构，下部结构形式为现浇片墩+现浇承台+钻孔灌注桩。桥梁墩柱结构形式有直墩、花瓶墩、圆柱墩、圆柱花瓶墩等结构形式，主线和匝道墩柱总量810个，其中滨海互通区631个。

1.2 墩身所处的环境

项目位于浅海及滩涂区，海洋III类环境（海洋氯化环境），具体构件及分区见下表。由表1可见，主线和匝道区墩身主要处于浪溅区，主要破坏形式为干湿循环、碳化、盐结晶和海浪冲击。

表1 桥梁构件及所处区域

图2 桥梁下部结构及所在海洋区域示意图

1.3 气候水文情况

本项目区属于北亚季风气候区，温暖湿润，雨量充沛，光照强，四季分明。项目区年平均日照时数2038小时，年日照率47%。年平均气温16.6℃，历史最高气温38.5℃，最低气温-9.3℃，最热月平均气温28.2℃（7月），最冷月平均气温3.8℃（1月）；年平均相对温度79%，月平均最低相对湿度60%，月平均最高相对温度90%；根据宁波市环境公报，项目区属于重酸雨区，PH值4.58，酸雨率92.1%。同时，根据浙江海洋预报，杭州湾南岸海水盐度大约31.15‰，海水中各离子浓度为：

2、混凝土氯盐侵蚀劣化研究

有害离子通过扩散、渗透、毛细管吸附和电化学迁移等方式进入混凝土内部后，离子与水泥水化产物以及钢筋之间的侵蚀开始逐渐发生，由氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀膨胀是影响海洋环境中钢筋混凝土力学性能和耐久性降低的主要原因。通常，当金属或合金通过化学、生物化学或电化学的方式与周围环境相互作用时，会发生表面物质的损失，损失的表面物质会转化为热力学更稳定的氧化物，如氢氧化物或碳酸盐，此过程称为腐蚀。当混凝土内钢筋的表面存在电势差异时，混凝土内形成电化学电池，由钢筋表面的阳极和阴极区域组成，硬化水泥浆中的孔隙水则为电解质。此时流经系统的电流会对金属（即阳极）造成侵蚀破坏作用，而阴极则保持完整。一旦水泥开始发生水化反应，混凝土钢筋表面就会形成一层钝化保护层，钝化层由ɣ-Fe2O3组成，厚度大约10-3～10-1 µm。钝化保护层的出现阻碍了氯离子在钢筋和混凝土之间的移动，一定程度上降低了腐蚀速率。但大量研究表明，钝化保护膜需要在较高pH值的环境中才能稳定存在（pH=12-14）。

嵌入到混凝土中的钢筋在初始状态时保持惰性状态，当周围混凝土开始“变质”，钢筋会由“惰性”转变为“活性”，诱发腐蚀的产生。氯离子从周围环境中逐渐进入到混凝土内部，穿过保护层到达钢筋表面，随着氯盐的不断堆积，钢筋表面的碱度也会不断增加。引发钢筋脱钝起锈所需的氯离子含量即为氯离子含量的临界值，若钢筋表面的氯离子浓度超过该阈值，则钝化膜局部将发生破坏作用。钢筋表面为阳极，钝化表面为阴极。电化学反应生成的铁锈具有较高的孔隙率，且其体积是钢筋的6-10倍，钢筋表面的锈蚀和膨胀进而会导致开裂和剥落的产生。一旦钝化膜破坏，在水和氧气存在的条件下，腐蚀便开始发生。

表2 杭州湾南岸海水中主要离子浓度（g/L）

3、动水作用下混凝土内氯离子传输模型的建立

3.1 波浪引起的动态水压计算

真实海洋环境中，波浪的波形比较复杂，由各种不同相位和振幅的正弦波叠加组成，可以通过利用傅里叶级数将其分解成多种不同的正弦波，因此正弦波是波浪的基础波形。薄面上水颗粒作半径为a的圆周运动，a即为波的振幅（等于波高的一半），波浪沿着y方向传播。水颗粒以圆圈或椭圆形表示的运动只能由作用在这些颗粒上的力引起，在这种情况下，力由波浪产生的压力梯度提供的。波浪运动时的速度势方程可表示为：

其中：

根据图1，项目桥梁墩柱不同部位遭受不同的波浪侵蚀形式。一方面，相比于受海浪波动影响微弱的完全浸没区、以及遭受干湿循环的高潮区和飞溅区等区域，低潮区的研究相对较少，但该区域对混凝土的强度和耐久性产生重要影响；另一方面，低潮区混凝土结构完全浸没在海水中，且其波浪波形相对规则，有利于动水下的研究，因此选用低潮区混凝土结构进行动水研究。在波浪引起的压力作用的影响下，氯离子的传输被加速。通过将速度势方程代入伯努利方程，可以得到波浪产生的压力的解析表达式为：

图1 杭甬高速公路复线滨海互通平面布置图

其中ρ和z代表海水的密度和研究对象所处的深度，当z低于静止水位时，z＜0。ω代表波的频率，k代表波数。

式右边第一项为静水压力，第二项取决于动态波浪，表示由波浪引起的压力，表示为pwave，即：

其中，

3.2 动态水压对混凝土内离子传输的影响

浸入低潮区的混凝土结构由于受到循环水压力的影响，使得溶液中的氯离子通过平流的方式运输到混凝土结构中。根据达西定律，流体的压力梯度与流体速度成正比，可以表示为

其中κ和μ分别代表渗透率和动态粘度。

为与静水侵蚀下的氯离子传输模型相对应，在研究水压作用对氯离子传输的影响中，模型仍选用相同混凝土试样，且试样上表面暴露于氯离子侵蚀溶液中，同时溶液还带来周期性的流体压力作用于试块表面。除了顶面，其他面与氯离子和流体隔绝。此外，在与静水侵蚀对比时，仅考虑波浪引起的循环水压力，忽略静水水压的作用。

4、数值计算方法及结果

模型采用的边界条件和初始条件如下：

在混凝土试样的上表面（y = 0），游离氯离子浓度：

循环流体压力：

其中P=2ρga，P=0, a代表波的振幅，f代表循环流体压力的频率。

t = 0时：

控制方程由有限元软件COMSOL Multiphysics求解，求解器中相对公差为10。根据收敛结果，模型中选用最大和最小单元尺寸为0.007和0.00043的三角形网格，可得到合理稳定的数值解。模型采用2D和3D模型相结合的方式，对骨料进行随机分布，并建立2D有限元模型。

结语：

（1）本文建立了考虑氯离子可逆结合的离子传输方程及循环动态水压作用下氯离子传输过程的典型特征；

（2）单一氯离子侵蚀影响墩柱混凝土寿命在4-9年范围内，但该结果随着墩柱钢筋保护层厚度、腐蚀海域环境、温度、水位潮差的变化情况等发生改变。

图3 数值模型及波浪作用下纯氯离子对混凝土耐久性的影响

（3）开发的数值模型可以预测遭受一定浓度的氯离子侵蚀时，混凝土结构内氯离子浓度的时空分布，以及在保护层位置达到氯离子腐蚀起始阈值并引起钢筋锈蚀膨胀的起始时间。

（4）海洋波浪的存在，会加速墩柱的腐蚀速率，降低游离氯离子在保护层位置达到临界阈值的时间，总体来讲降低了腐蚀年限37%-55%左右。

海域环境中桥梁墩柱的腐蚀是影响桥梁服役寿命的重要因素，而海域腐蚀过程又是一系列复杂、多变的物理化学作用引起的。后期需要针对浪溅区干湿循环作用、碳化腐蚀破坏以及多种环境因素耦合作用下对墩柱混凝土的损失破坏机理作系统研究，同时对裂纹的产生与拓展作深入的探讨，结合现场实际环境参数，以期精准墩柱的耐久性。