辽宁地区混凝土桥梁构件氯离子渗透特征研究

温宇宁

(辽宁新发展公路科技养护有限公司 沈阳市 110103)

0 引言

氯离子渗透特征是从高含量区到低含量区渗透，氯离子渗透的原动力是含量差。在普通氯盐环境，氯离子由高含量区域向低含量区域渗透，而在海洋环境浪溅区，氯离子则依靠干湿交替的表面吸收并通过混凝土内部孔隙向里渗透[1]。混凝土各截面的氯离子含量不是静态的固定值，而是动态变化的，因为氯离子在混凝土内部渗透过程中，部分氯离子被硅酸盐水泥硬化浆体吸收，当混凝土碳化后，碱度降低，部分被吸收的氯离子变成自由氯离子[2]，导致混凝土各截面氯离子含量动态变化。

目前判别混凝土氯离子腐蚀因素归纳有：表面氯离子含量、氯离子渗透深度、氯离子扩散系数。目前氯离子含量渗透规律，多数采用修正Fick第二定律。由于混凝土材料非匀质性，而且混凝土构件所处地理位置、气候条件和强度等级不同，因此氯离子含量渗透离散性较大，在对辽宁公路在役桥梁实测氯离子含量统计分析的基础上，结合Fick第二定律，总结出辽宁地区混凝土桥梁氯离子含量分布特征，为以后的桥梁新建和养护提供参考。

1 辽宁地区实测氯离子含量分布

(1)实测氯离子含量符合指数分布

对不同在役年限的桥梁进行氯离子含量试验发现，氯离子含量随混凝土深度变化有4种状态：

①氯离子含量随混凝土表层向内部逐渐减小。

②氯离子含量随混凝土表层向内部逐渐增大。

③氯离子含量随深度增加变化不大。

④氯离子含量随深度增加先增大后减小。

一般盐冻腐蚀条件下，混凝土表面没有严重腐蚀，其氯离子分布基本符合指数分布。其拟合相关系数在0.75～0.95之间。

C(t,x)=C0e-mx

(1)

式中：C(t,x)为代表时间为t时，x深度处的氯离子含量(%)；C0为混凝土表面氯离子含量(%)；x为距表面深度(m)；m为参数，-mx<0，表示氯离子含量随x深度增加而减小，m越大减少斜率越大，含量减少越快。当-mx>0时，表示氯离子含量随x深度增加而增加。

距表面0.05m处氯离子含量：C0.05=Coe-m0.05

(2)当混凝土达到临界含量0.058%时截面深度x1

(2)

(3)截面深度保护层厚度0.05mt时扩散系数

(3)

式中：t0为混凝土结构开始接触氯盐环境时的龄期(通常取28d)；k为冻融影响系数。

(4)保护层为0.05m钢筋表面达到临界含量0.058%所需时间

(4)

式中：D0为代表t0时的扩散系数(m2/s)；α为龄期系数，按下式计算：

式中：%FA为粉煤灰在胶凝材料中的百分比；%SG为矿渣在胶凝材料中的百分比。

不考虑时间因素：

(5)

2 除冰盐地区桥梁构件氯离子含量分布拟合

2.1 防墥墙氯离子含量分布

辽宁部分地区防墥墙氯离子含量分布见表1。

2.2 桥面混凝土铺装氯离子含量分布

辽宁部分地区桥面氯离子含量分布见表2。

2.3 主梁氯离子含量分布

辽宁部分地区主梁氯离子含量分布见表3。

表1 辽宁部分地区防撞墙氯离子含量分布

表2 辽宁部分地区桥面氯离子含量分布

表3 辽宁部分地区主梁氯离子含量分布

3 特征值之间关系

(1)当表面氯离子含量C0>0.058%时，临界含量截面深度x1经拟合符合式(6)，参数A、B见表4。

x1=AeBC0

(6)

表4 参数A、B

(2)当表面氯离子含量C0>0.058%时，x=0.05发生临界含量时所需时间tcr经拟合符合式(7)。

tcr=EeFC0

(7)

参数E、F见表5。

(3)碳化深度x0、混凝土强度M、使用年限t、表面氯离子含量c0与参数G、H、I、J关系经拟合基本符合式(8)，参数G、H、I、J见表6。

表5 参数E、F

C0=0.114+0.00433t+0.003938(G、H、I、J)-0.00296x0-0.00609M

(8)

表6 参数G、H、I、J

(4)扩散系数时效性

扩散系数大小与混凝土水胶比、胶凝材料品质与掺量以及环境条件多种因素有关，并随环境氯离子作用时间的增长而降低。Life-365提出，作用时间大于25年后氯离子不随时间增长而降低。为便于对混凝土耐久性评估需要，经统计防撞墙保护层深度0.05m平均扩散系数D0.05与时间t关系符合指数分布如表7。

表7 防撞墙保护层深度0.05m平均扩散系数D0.05与时间t关系

当t>8年时：

D0.05=70.699e-0.1872t

(9)

4 考虑盐冻组合Fick第二定律修正

4.1 考虑冻融氯离子扩散系数修正

(10)

式中：t为混凝土表面受环境氯离子作用时间(a)；C(x,t)为经过t时间氯离孒侵蚀到离表面深度为x处的氯离子含量；erf为误差函数； x为距离表面深度(m)；k为考虑混凝土冻融损伤系数；D0为t0时的扩散系数(m2/s)； CS为混凝土初始氯离子含量。

离表面深度为x处的氯离子扩散系数：

(11)

式中：x为距离表面深度(mm)；t为时间(a)；CS为混凝土初始氯离子含量。

4.2 冻融影响系数k

设相对冻融较少在x=0.05m检测时扩散系数Dt1、氯离子含量c0.05，表面含量为C01。则满足方程：Dt1=x2/(4×t×[erf-1(1-c0.05/c01)]2)。

经冻融在表面氯离子含量C02作用下，在x=0.05m检测时扩散系数Dt=k×Dt1、具有相同冻融较少氯离子含量c0.05。

则冻融影响系数k：

k=[erf-1(1-c0.05/c01)]2/[erf-1(1-c0.05/c02)]2

4.3 辽宁地区冻融影响系数k

由于同一个构件、在同一深度具有相同氯离子含量且表面氯离子含量不同，而且要求一个能代表是盐腐，而另一个能代表盐冻，目前这类检测数据尚少。为此目前仅能根据满足上述条件的不同桥梁构件进行拟合，因此k系数有待今后进一步完善。

表8 冻融影响系数k

5 结论

5.1 防撞墙

防撞墙是直接接触除冰盐的桥梁构件，撒布除冰盐的数量和频率直接影响防撞墙中氯离子含量。从试验结果来看，铁岭、本溪、沈阳地区的防撞墙中氯离子含量较大，因为这些地区的防撞墙外观质量较差，多数防撞墙处于混凝土表层松散、钢筋外露锈蚀的状况。回弹值较高的防撞墙，其氯离子含量较少，这与室内试验的结果基本一致。对于同一桥梁的防撞墙，取样位置不同，其氯离子含量也略有差异。防撞墙盐冻破坏的高度大致是距离地面0～50cm范围，该区域的防撞墙混凝土氯离子含量要比其他区域高得多。

若对防撞墙进行防护处理，或采用高性能混凝土，能很有效地预防氯离子的侵蚀渗透。沈四线的防撞墙基本都做了涂刷防腐涂料处理，因此，该地区的防撞墙内部氯离子含量要远小于其他高速公路的防撞墙。

5.2 桥面铺装

桥面铺装是水平面直接接触除冰盐的桥梁构件，撒布除冰盐的数量和频率以及沥青混凝土的表观状况和防水层好坏均影响桥面铺装中氯离子含量。

从数据结果来看，若沥青层出现病害(如沥青混凝土修补、沥青混凝土纵缝等)，对应的顶层桥面混凝土氯离子含量会较大；若沥青混凝土层未出现病害，对应的桥面混凝土氯离子含量会较小。从现场调研来看，行车道的沥青混凝土破损最为普遍，该区域的桥面铺装混凝土的氯离子含量也较其它位置要大，因为行车道行驶的车辆较多，并且重车均在行车道行驶，铺装容易破损促进氯离子的渗透。

在北方地区，桥面铺装混凝土必定会受到氯离子的盐蚀，只是盐蚀程度各有不同。除冰盐主要对钢筋混凝土带来两方面的不利影响[3]：钢筋锈蚀和混凝土剥蚀破坏。沈本线太子河桥和李家山桥，桥面铺装混凝土顶层已经盐酥5cm左右，大大影响了结构安全和行车安全，沈本线的大峪二号桥的桥面铺装就因为盐蚀过重，重车行驶时，将桥面板局部压露。改进铺装结构如采用复合混凝土替代沥青混凝土作为上面层，将会有效地防止氯离子对桥面铺装的侵蚀，同时也会提高桥面耐久性。

5.3 主梁

由于主梁混凝土一般标号较高，并且主梁不直接接触盐类，因此主梁混凝土中氯离子含量相对其它构件要少。

从试验数据来看，辽宁北方地区主梁氯离子含量要大于辽宁南部。海湾大桥虽处于海洋环境，并且建桥时间也较长，但混凝土标号较高，因此仅仅表层混凝土氯离子含量较高，内部混凝土氯离子含量较低，因此，提高主梁混凝土标号是抵抗氯离子渗透最有效的手段。

对于空心板主梁，如果底板和腹板均有盐冻病害，往往底板氯离子含量要高于腹板。以沈环线养竹中桥为例，该桥边梁底板有数条纵缝，并且底板裂缝附近混凝土明显盐冻破坏，该边梁底板盐冻破坏处的混凝土氯离子含量要远高于腹板盐冻破坏处的混凝土氯离子含量，究其原因，由于底板出现了裂缝，空气中的二氧化碳和板内的水分使板底混凝土更容易劣化，这样，氯离子的侵入就更容易。对养竹中桥边板主筋进行调查，对于同一根主筋，板底纵缝位置处钢筋已经锈蚀，螺纹已经锈没，而无裂缝位置处的钢筋没有锈迹。

位于伸缩缝梁端以及边梁泄水孔附近截面氯离子含量高、混凝土盐冻破坏严重，沈本线李家山桥边梁泄水管附近预应力钢绞线锈断，影响桥梁承载能力。

对于伸缩缝梁端及泄水口孔附近边梁宜采用涂层防腐。