氯离子侵蚀环境下桥梁混凝土构件耐久性评价与寿命预测研究

林宜光

（福建第一公路工程集团有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

沿海地区混凝土桥梁受海洋环境氯离子侵蚀影响，早期破坏现象非常普遍，在既有海洋潮汐环境中，部分混凝土桥梁投入使用10 年左右便开始出现钢筋锈蚀等病害，耐久性下降，不能满足使用寿命与安全运营要求。在海洋潮汐氯离子（Cl-）侵蚀环境下，部分混凝土桥梁构件由于抗氯离子侵蚀能力不足而过早产生钢筋锈蚀等病害。氯离子会诱发钢筋锈蚀，对混凝土中的水泥水化产物造成腐蚀，这是海洋潮汐环境中混凝土构件耐久性降低的主要原因[1]。

1 氯离子诱发钢筋锈蚀的机理

海洋环境中氯离子诱发混凝土中钢筋锈蚀的机理主要有四个方面：一是破坏钝化膜；二是形成腐蚀电池；三是阳极去极化作用；四是导电作用。

沿海海潮影响区混凝土桥梁耐久性现状调查汇总如表1 所示，从中可以看出，在该区域内混凝土桥梁耐久性不足主要表现为钢筋锈蚀，同时局部存在水、盐侵蚀导致的混凝土酥化、表层脱落等病害。

表1 沿海海潮影响区混凝土桥梁耐久性现状

2 抗氯离子侵蚀耐久性评价与寿命预测模型

在海洋潮汐环境中，氯离子侵蚀混凝土结构的主要途径是氯离子扩散。

根据Fick 第二定律，在t时刻，x深度处，混凝土中氯离子浓度表达式为：

式（1）中：Cs为暴露于混凝土构件表面处的氯离子浓度；Dc为氯离子扩散系数；erf(·)为误差函数，erf(u)=。该式即为预测钢筋混凝土构件抗氯离子侵蚀耐久性评价与寿命预测的基础模型。

通过现场模拟试验得到的混凝土中氯离子扩散系数能够反映混凝土的自身材料性能和在外界环境作用下的抗氯离子侵蚀性能，包括混凝土的胶凝材料类型和用量、水灰比、表面微裂缝的影响、养护时间，以及环境温度、应力、使用年限、硫酸盐侵蚀等对混凝土性能的影响，与试验室得到的单一影响因素不同。

用Fick 第二定律拟合氯离子含量的侵蚀曲线，拟合曲线与试验点比较吻合。将Fick 第二定律看作是一条拟合曲线，曲线中的参数有比较明确的物理含义，但氯离子在混凝土中的扩散并不完全符合Fick 第二定律。

Fick 第二定律在初始条件为t=0、x＞0 时，C(x,t)=0；边界条件为x=0、t＞0 时，C(x,t)=Cs时，表达式为：

式（2）中：Cs为暴露于混凝土构件表面处的氯离子浓度；erf(·)为误差函数，erf(u)=。

3 氯离子侵蚀环境下桥梁混凝土构件耐久性检测方法

3.1 钢筋锈蚀电位检测方法

钢筋锈蚀电位检测是在每一测区采用Cu/CuSO4为参考电极的半电池点位法进行检测，可取网格测点，混凝土边缘与测点的距离应大于50mm。如果两相邻测点的自然电位测试值相差超过150mV，宜在其间加密测点。测试值读取时，应保证测点读数变动不超过2mV，重复测试相差不超过10mV。

3.2 结构混凝土中氯离子含量检测方法

通过钻取混凝土粉样或钻芯磨取粉样测试氯离子在混凝土中的分布曲线。取样位置是依据钢筋锈蚀状况的检查结果，选择钢筋锈蚀活动性较强部位或其他需要检测的部位。采用钻头直径为20mm 的冲击钻钻孔分层取粉，钻孔深度分层为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm 等，以超过钢筋深度10mm 为准。一般在同一构件测试表面布置4 个测位，每个测位上分布的测区网格尺寸大小为20cm×20cm，测位的编排顺序是按路线里程增长方向，从右到左进行编号。同一测区应布置3 个测孔，呈“品”字形分布，测孔应避开钢筋。将3 个测孔同一层深度的粉末装于同一塑料袋内封口密封保存，作为该深度的取样，并注明测孔编号、部位、测区及深度。每层的粉样量不少于30g。

4 氯离子侵蚀环境下桥梁混凝土构件耐久性评价方法

4.1 混凝土中的氯离子扩散系数

混凝土中的氯离子扩散系数并不是理论上的扩散系数，而是利用Fick 第二定律的表达式通过拟合人为赋予的物理含义，它能够反映混凝土的自身材料性能和在外界环境作用下的抗氯离子侵蚀性能，具有相对比较性[2]。

4.2 抗氯离子侵蚀耐久性评价与寿命预测

4.2.1 耐久性极限状态

整个寿命计算分两个阶段：第一阶段为氯离子从混凝土保护层表面侵入钢筋表面并达到临界浓度值的初始期；第二阶段为钢筋开始锈蚀到混凝土表面，胀裂缝宽度为0.3mm 的发展期。至此，认为结构耐久性已经完全失效，开始进入加速破坏期。在氯离子侵蚀环境下，第二阶段非常短，通常只有5～10 年。

4.2.2 氯离子扩散模型

对于没有裂缝的混凝土结构而言，氯离子侵蚀的主要途径是氯离子的扩散。因此用Fick 第二定律来拟合氯离子含量的侵蚀曲线。

Fick 第二定律在初始条件为t=0、x＞0 时，C(x,t)=0；边界条件为x=0，t＞0 时，C(x,t)=Cs。在t时刻，x深度处，氯离子浓度表达式为：

式（3）中：Cs为暴露于构件混凝土表面处的氯离子浓度；Dc为氯离子扩散系数；erf(·)为误差函数，erf(u)=。该式是用来拟合氯离子在混凝土中扩散的表达式，式中的Dc作为混凝土中氯离子扩散系数，是通过拟合方法得到的。

利用逐层磨粉的方法，测试各层粉样中的氯离子含量，得到氯离子含量的侵蚀曲线，利用Fick 第二定律拟合氯离子分布曲线，可得到氯离子在混凝土中的扩散系数和混凝土表面的氯离子浓度。在已知钢筋锈蚀临界氯离子浓度的情况下，即可通过式（3）得出氯离子渗透到钢筋表面且达到锈蚀临界浓度的时间，即结构的脱钝年限。

4.2.3 抗氯离子侵蚀耐久年限估算

桥梁构件在氯离子侵蚀环境中的剩余耐久年限估算方法为：

式（4）中：t为氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀的剩余耐久年限（a）；tI为钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度，使钢筋表面脱钝的年限（a）；tII为普通钢筋混凝土构件从钢筋脱钝到开裂0.3mm 宽度的年限，一般取3～5 年，根据环境恶劣程度取值；对于预应力混凝土构件而言，tII=0；t0为构件已使用年限（a）。

钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度，使钢筋脱钝的年限（a）按如下劣化模型法进行估算：

式（5）中：c为混凝土保护层厚度（mm）；kD为氯离子侵蚀系数。

氯离子侵蚀系数应按如下方法进行计算：

式（6）中：kD为氯离子侵蚀系数；D为混凝土有效扩散系数（mm2/a）；Ccr为氯离子临界浓度（%，占混凝土质量）；Cs为表面氯离子浓度（%，占混凝土质量）；γs为混凝土的地下水抽取系数（单位：年）。

现场模拟试验得到的混凝土中氯离子扩散系数能够反映混凝土的自身材料性能和在外界环境作用下的抗氯离子侵蚀性能。由于混凝土中氯离子扩散随着时间变化，混凝土内部孔结构也会逐渐发生变化，在发生这种变化之后的氯离子扩散系数Dc就不是一个常数，而是随时间变化的随机变量。当混凝土桥梁已经使用达到10 年时，混凝土内部的水化过程基本结束，氯离子扩散基本趋于稳定，可认为氯离子扩散系数Dc是一个定值。因此，当结构使用10 年及以上时，混凝土中氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度可通过不同深度氯离子浓度扩散分布曲线按如下方法拟合得出：

式（7）中：Cx,t为龄期t时在x深度处的氯离子浓度（%，占混凝土质量）；C0为混凝土中初始氯离子浓度（%，占混凝土质量）；Cs为表面氯离子浓度（%，占混凝土质量）；erf(·)为误差函数，erf(u)=；x为距离结构表面的深度（mm）；Dt为结构暴露于环境时间为t年时的实测氯离子扩散系数（mm2/a）；t为混凝土暴露于环境的时间（a）。

5 海洋氯离子侵蚀环境下桥梁混凝土构件耐久性提升与补强策略

5.1 桥梁结构钢筋锈蚀修补

桥梁结构出现的严重耐久性病害为钢筋锈蚀，在海洋氯离子侵蚀环境中，更易使混凝土结构中保护层较薄部位的钢筋发生锈蚀。钢筋锈蚀引起体积膨胀，约为原来的2.5 倍，从而使混凝土开裂、剥落，破坏混凝土结构的受力性能，影响桥梁的使用寿命。对于锈蚀而出现的微小裂缝，可以采用粘贴2 层玻璃布的方法进行修补。对于钢筋出现轻微锈蚀、表面混凝土发生锈涨开裂的情况，先将构件出现钢筋锈蚀的混凝土表面凿除并进行打磨清理，将渗透型钢筋阻锈剂涂抹在混凝土表面，再采用专用修补砂浆进行表面修复。

5.2 不锈钢钢筋补强

在海洋潮汐环境中，氯离子会对钢筋混凝土桥梁构件表面产生侵蚀破坏，当渗透至钢筋表面且达到临界氯离子浓度时，即会破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋的迅速锈蚀，在3～5 年内发生严重锈蚀开裂，使桥梁结构出现严重病害。海洋环境中桥梁混凝土构件最主要的劣化问题为氯离子诱发的钢筋锈蚀[3]。不锈钢钢筋具有优异的耐腐蚀性能、良好的抗疲劳性能和抗震性能，且强度高、塑性高，可有效地改善建筑结构的耐久性，减少维修费用，延长其使用寿命，因此在国内外海洋建筑工程中得到广泛应用。

6 结语

综上所述，要想提升氯离子侵蚀环境下桥梁混凝土构件的耐久性，延长其使用寿命，必须加强对混凝土构件耐久性评价与寿命预测的研究，从桥梁结构钢筋锈蚀修补、不锈钢钢筋补强等方面入手，提高混凝土构件的耐腐蚀性能、抗疲劳性能和抗震性能，从而实现提升桥梁使用性能的目标，为我国交通运输事业作出应有的贡献。