氯鹽侵蝕下預(yù)應(yīng)力混凝土中氯離子擴(kuò)散的因素

一、預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕“鹽害”是我國東南沿海城市高度建設(shè)所必需的混凝土結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外都陸續(xù)出現(xiàn)了一些因氯離子侵蝕引起的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性失效問題。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下,并且結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境十分惡劣(如氯離子侵蝕),導(dǎo)致主筋的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象十分突出;同時(shí)預(yù)應(yīng)力筋較普通鋼筋應(yīng)力高而且脆(特別是高強(qiáng)鋼絲),斷面小,即使腐蝕輕微,斷面損失率也較大;故預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生銹蝕時(shí),極有可能在無任何預(yù)兆的情況下發(fā)生脆性斷裂。因此,以氯鹽侵蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力筋開始腐蝕作為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)。在課題組的試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,提出以混凝土保護(hù)層厚度、氯離子擴(kuò)散速度以及表面氯離子濃度為隨機(jī)變量,采用可靠度理論對海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性分析和基于可靠度水準(zhǔn)的壽命預(yù)測。二、混凝土的氯離子路徑氯離子侵入到混凝土中的途徑主要有內(nèi)外氯離子濃度差引起的擴(kuò)散作用、在干濕條件下的毛細(xì)管吸入以及水壓力作用下的滲透,其中擴(kuò)散作用是最主要的侵入方式因此在大多數(shù)研究中都假設(shè)氯離子在混凝土中的侵入滿足Fick第二擴(kuò)散定律,其一維擴(kuò)散方程表達(dá)式如下:式中,C為t時(shí)刻距混凝土表面x處的氯離子濃度,Dcl為氯離子擴(kuò)散系數(shù)。1.拉壓應(yīng)力及表面氯離子濃度對混凝土抗?jié)B性的影響對引起鋼筋銹蝕的氯離子類型目前有較大的爭議。一些文獻(xiàn)認(rèn)為,只有自由氯離子才能引起鋼筋銹蝕,因此臨界值應(yīng)以自由氯離子含量為標(biāo)準(zhǔn);而另一些研究則認(rèn)為應(yīng)以混凝土中總的氯離子含量為標(biāo)準(zhǔn)。為安全起見,以總的氯離子含量為標(biāo)準(zhǔn),故不計(jì)混凝土的氯離子結(jié)合能力。雖然預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在卸載時(shí)混凝土微裂縫會自動閉合,但是在使用過程中其內(nèi)部難免會出現(xiàn)一些微裂縫和缺陷等結(jié)構(gòu)損傷,這些損傷會對氯離子擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響。同時(shí),考慮到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)混凝土長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下,壓應(yīng)力能使微裂縫自動愈合,提高混凝土的抗?jié)B性;拉應(yīng)力會助長這些微裂縫和缺陷的產(chǎn)生,降低混凝土的抗?jié)B性。因此,用名義拉壓應(yīng)力來描述結(jié)構(gòu)損傷對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響是合理的具體表達(dá)式如下式中:σ為名義拉(壓)應(yīng)力值(N/mm2);Ac/t為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),受壓時(shí)Ac為-0.00136,受拉時(shí)At為0.0186?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土水化時(shí)間有著密切的關(guān)系,若假設(shè)水化齡期在時(shí)刻t0的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Dcl,0,在時(shí)刻t為Dcl,t,則兩者的依賴性關(guān)系為式中:m為常數(shù),文取值為0.64;Dcl,1為水化齡期為1年時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)(mm2/年)。環(huán)境溫度也是影響擴(kuò)散系數(shù)的一個(gè)重要因素,Stephen等建立了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與環(huán)境溫度之間的關(guān)系:式中:Dcl,T,Dcl,T0分別為溫度T,T0(K)時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù);q為活化常數(shù),其值與水灰比有關(guān),w/c為0.4,0.5,0.6時(shí),相應(yīng)的q值分別為6000K,5450K,3850K?；炷帘砻媛入x子濃度也是影響結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素。雖然,表面氯離子濃度不會對氯離子擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響,但是它對一定深度處的氯離子積累作用很大。就拿氯離子擴(kuò)散系數(shù)很小的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來說,當(dāng)表面氯離子的濃度很高時(shí),距表面一定深度處仍有較多的氯離子積累。綜上所述,可以認(rèn)為在氯鹽環(huán)境中,氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及表面氯離子濃度是影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的兩個(gè)重要因素。2.預(yù)應(yīng)力混凝土中氯離子擴(kuò)散方程設(shè)Dcl,1為水化齡期t0=1年,溫度為T0時(shí),不考慮應(yīng)力狀況以及環(huán)境溫度情況下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。則在綜合考慮應(yīng)力狀況σ、時(shí)間t及環(huán)境溫度T的影響下,混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)可表示為:因此,預(yù)應(yīng)力混凝土中氯離子擴(kuò)散方程表達(dá)式在式(1)的基礎(chǔ)上調(diào)整為式中:Cs為混凝土表面氯離子濃度;C0為混凝土內(nèi)氯離子的初始濃度;erf(z)為誤差函數(shù),其表達(dá)式為:三、預(yù)應(yīng)力筋表面處的氯離子含量混凝土中氯化物臨界濃度是指剛好引起鋼筋去鈍化時(shí)的鋼筋周圍混凝土空隙液中游離Cl-的濃度。如果預(yù)應(yīng)力筋表面處的氯離子含量超過氯離子臨界濃度Ccrit時(shí),只要其它必要條件已經(jīng)具備,預(yù)應(yīng)力筋就會發(fā)生很嚴(yán)重的鋼筋腐蝕。由于擴(kuò)散到預(yù)應(yīng)力筋表面的氯離子含量Cd,t與時(shí)間、混凝土表面氯離子濃度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等眾多因素有關(guān),因此預(yù)應(yīng)力筋表面處的氯離子含量為一隨機(jī)變量。實(shí)測結(jié)果表明,某一時(shí)刻t0時(shí)預(yù)應(yīng)力筋表面處的氯離子含量較好地服從正態(tài)分布,其一維概率密度函數(shù)為:式中μc和σc分別為預(yù)應(yīng)力筋表面處氯離子含量的平均值和方差,μc一般用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的平均值來表示。式中:αc為氯離子擴(kuò)散計(jì)算模式不定性參數(shù);σαc為計(jì)算模式不定性參數(shù)方差;σCs為表面氯離子濃度的方差;σDcl,1為水化齡期為1年時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方差。四、氯鹽侵蝕下預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析1.高強(qiáng)熱處理預(yù)應(yīng)力筋對應(yīng)力腐蝕的影響在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕斷裂需要具備以下條件:1)足夠大的拉應(yīng)力;2)侵蝕性介質(zhì)的存在;3)預(yù)應(yīng)力筋表面存在局部腐蝕坑或缺陷(如凹坑、裂紋等)?？梢詮囊韵聝蓚€(gè)方面來降低應(yīng)力腐蝕的危害,一是對預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力值進(jìn)行限制;二是采用對應(yīng)力腐蝕敏感度較低的預(yù)應(yīng)力筋。實(shí)踐證明:高強(qiáng)熱處理鋼筋對應(yīng)力腐蝕更具敏感性;而冷拔鋼絲、鋼絞線能較好地抵抗應(yīng)力腐蝕。2.前,增加了競品,建議用前充意用前表示混凝土中氯離子的濃度通常用與水泥質(zhì)量的百分比表示,也可用與混凝土質(zhì)量的百分比表示,這里用前者表示。美國混凝土學(xué)會ACI201,ACI318規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土中氯離子濃度的臨界值為0.06%,而ACI222則是0.08%;我國近年制定或修訂的標(biāo)準(zhǔn)中也逐步采用預(yù)應(yīng)力混凝土中氯離子臨界濃度0.06%的指標(biāo)。3.氯鹽侵蝕下的耐久性由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)從主筋腐蝕到結(jié)構(gòu)破壞時(shí)間間隔較短,且容易發(fā)生脆性破壞,所以在氯鹽侵蝕環(huán)境下,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)方程應(yīng)該表示為:式中:Ccrit和C0為混凝土氯離子的臨界濃度和初始濃度,αc為氯離子擴(kuò)散計(jì)算模式不定性參數(shù),C(d,t)為時(shí)刻t擴(kuò)散到預(yù)應(yīng)力筋表面的氯離子濃度,d為混凝土保護(hù)層厚度。則結(jié)構(gòu)的失效概率為:可靠度指標(biāo)式中μCd,t,σCd,t分別為Cd,t的均值與方差。選取幾個(gè)對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽侵蝕下的耐久性影響最重要的參數(shù),分別是混凝土保護(hù)層厚度d,混凝土表面氯離子濃度Cs以及氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcl,1(綜合反映混凝土強(qiáng)度等級、水灰比、澆注質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)情況等因素),把它們作為分析變量,來考察預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽侵蝕環(huán)境下耐久性可靠度指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系,如圖1所示。從圖中可以看出,三種情況下結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)在早期下降較快,隨后相對較慢,這主要是氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期降低的緣故;同樣可知,混凝土保護(hù)層厚度對氯鹽侵蝕下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性影響最為顯著,其它兩者的影響相對要小一些。4.氯離子擴(kuò)散速度對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的影響根據(jù)式(6),(7)可以求出預(yù)應(yīng)力混凝土中預(yù)應(yīng)力筋開始腐蝕時(shí)間tp,此時(shí)x=d,C(d,tp)=Ccrit-C0;tp值也為一隨機(jī)變量,具體表達(dá)式如下:式中α=1-(Ccrit-2C0)/(Cs-C0)?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068—2001)沿用ISO2394(1998)標(biāo)準(zhǔn),給出了對于可逆的正常使用極限狀態(tài),其可靠指標(biāo)為0,而對于不可逆正常使用極限狀態(tài),其可靠指標(biāo)為1.5。根據(jù)ISO2394(1998)中的定義,所謂可逆極限狀態(tài)是指產(chǎn)生超越狀態(tài)的作用被移掉后,將不再保持超越狀態(tài)的一種極限狀態(tài)。因此,可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)正常使用的耐久性極限狀態(tài)為可逆極限狀態(tài),其可靠指標(biāo)取為0。當(dāng)氯離子擴(kuò)散速度Dcl,1為1.75mm2/s,表面氯離子濃度Cs為0.3%時(shí),可得可靠指標(biāo)為0的混凝土保護(hù)層厚度與耐久壽命tp之間的關(guān)系,如圖2(a)所示?？梢钥闯?保護(hù)層厚度從40mm開始每增加5mm(增10%左右),對應(yīng)的耐久年限為10.88,20.93,37.59,63.83,103.50年,增長速度在1.8倍左右。同樣可以得到,當(dāng)氯離子擴(kuò)散速度Dcl,1為1.75mm2/s,保護(hù)層厚度為50mm時(shí),表面氯離子濃度Cs從0.4%開始每下降0.05%(降10%左右),可靠指標(biāo)為0的耐久年限分別為22.09,27.98,37.59,55.38,96.65年,增長速度為1.5倍左右;當(dāng)保護(hù)層厚度為50mm,表面氯離子濃度Cs為0.3%時(shí),氯離子擴(kuò)散速度Dcl,1從2.25mm2/s開始每減少0.25mm2/s(降16%左右),可靠指標(biāo)為0的耐久年限分別為19.67,26.30,37.59,58.41和96.27年,增長速度為1.5倍左右(圖2(b),(c))。由此可見,對耐久年限影響最大的是混凝土保護(hù)層厚度,氯離子表面濃度、氯離子擴(kuò)散速度次之。所以設(shè)計(jì)合理的保護(hù)層厚度是提高氯鹽侵蝕下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性的最有效措施;同時(shí),也不能忽視影響保護(hù)層的水灰比、混凝土強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)條件等一系