海洋环境中的钢筋混凝土结构性能优化

海洋环境中的钢筋混凝土结构性能优化关键词：海洋环境混凝土腐蚀耐久设计加固温度疏水混凝土盖由于在耐久性设计进行的广泛的研究工作与混凝土结构在海洋环境的长期效果，以概率为基础的耐久性设计的新程序已证明可以为分析提供更真实可信的基础。这种新方法已经成功运用到了数个新型混凝土结构中。这些新结构对更可控的耐久性和使用寿命的要求是明确的。一般认为，钢筋混凝土结构在海洋环境中降解的主要机理是由于存在氯化物而产生的对加固材料的腐蚀。一种基于对适用性（耐用性）极限的核查的设计方法已被提出，其例子即是钢筋钝化，由于腐蚀造成的开裂和剥落，以及由于加固截面损失带来的崩溃.通过这种设计方法，失效概率，即不验证极限状态的概率可以确定为时间的函数。本论文中，一种以概率为基础的耐久性表现的分析被用来证明海洋环境中混凝土结构的耐久设计方法的重要性。另外，各种影响和控制海洋环境中混凝土结构耐久的耐久参数的灵敏度也被研究.结果显示，这种方法帮助耐久性设计决策取得进展的潜力非常大。基于呈现的过程，在延长结构的使用寿命的同时优化最终设计方案是可能的1.绪论在近年，进行了大量研究工作，以确定一种方法来实现环境活动影响下加固混凝土结构的长期性能。特别的，加固混凝土结构的耐久设计的新程序的发展已能为耐久性能分析提供更真实的基础.这种设计方法对获得更多新型混凝土结构的可控耐久性能极为重要;然而，它还提供了一个非常有价值的基础来评估现有的海洋环境中的混凝土结构。对于海洋环境中的钢筋混凝土结构，一般认为，主要的降解机理是由于氯化物存在带来的加固材料的腐蚀。本论文中，氯离子渗透的模型是基于菲克第二扩散定律（？），考虑到某些看上去更像真是现象的变型，如时间依赖扩散系数，不同表面氯离子浓度，温度的影响。因为所有混凝土耐久和环境暴露的参数通常都表现出高分散，一种以概率为基础的方法为耐久性能分析提供了非常强有力的基础。这种设计方法是基于确认极限状态的情况，耐久性极限状态的例子有加固的钝化，开裂和腐蚀造成的剥落，和由于截面加固损失造成的崩溃。用这种方法，失败的概率可由时间函数决定。对于新的混凝土结构，这为正被考虑的结构的整体耐久性标准的建立提供了恰当的基础。然而，对于现存的氯化物前沿尚未达到嵌入式钢的混凝土结构，这种方法可被用来测算一段时间后失败的概率。在本论文中，应用概率方法的海洋环境中钢筋混凝土结构的耐久性设计方法被描述和应用，以表现各项影响和控制的耐久性耐久性指标和模型参数的敏感性。此外，也表现出了产生帮助耐久性设计决策过程的重要信息的可能。2・耐久性能分析模型提出的该模型描述了钢筋混凝土结构在海洋环境中的性能，考虑到加固钝化和随之的由于氯化物存在导致的腐蚀开始的使用极限状态。有很多模型,有些相当复杂，用了不同的参数和不同的方法研究腐蚀的发生。然而，本文中的想法并不详尽地描述一个具体的模型，而是展现耐久性设计的程序和由此而有的好处。为此，使用了用更少参数的简单模型。对于选定的使用极限状态，氯化物侵蚀混凝土的模拟，特别是对海洋结构，根据菲克第二扩散定律进行dC(x,t)° d2C(x,t) ⑴dt C dx2其中C(x,t)是距混凝土表面距离x的氯离子在暴露一段时间t后的浓度C，DC是氯化物扩散系数。通过求解此边界条件设定的微分方程，接下来的方程由此得到(2)x(2)1—erf—7=—2y!D—tJ*c丿」其中CS为混凝土表面氯离子浓度，C0为混凝土混合物的最初氯离子浓度，erf为误差函数。自从takewaka提出一个方程模型的这种行为，扩散系数的时间依赖便已总所周知。在这个课题上已进行过大量的研究，而且，它表明，扩散系数的变化时间取决于各种因素，最重要的是混合的W=C比例，水泥类型及内容，和曝光条件。据TANG和GULIKERS所言，如果扩散系数是基于短期速成实验室测试，修正条款必须引入菲克第二定律误差函数解决方法以获得适当的数学解决方案。DC的时间依赖性变化由以下方程引入D(t)=D(倖)n (3)C 0t其中D0是在给定时间t0内的扩散系数，指数n代表了扩散系数的时间依赖或者随着时间增长的混凝土抵抗氯化物侵蚀的能力。对高于冰点的温度水平，考虑到某些特定现象的比率，温度是一个决定性的因素。单单这个因素就让更温暖的气候比起温和气候更让人不舒服很多。水的粘度的温度依赖主要对诸如混凝土的电阻率和扩散过程有重要的影响。扩散过程强烈依赖温度。在氯化物扩散的案例中，情况尤为复杂，因为扩散过程中，氯化物和水泥浆体的物理和化学相互作用必须被纳入考虑。根据［22,23］，基于爱因斯坦关系式，扩散系数在环境温度中的值与标准温度中的值相关。TE(11-exp —294R1T294丿D (T)=DC 294K其中T为开尔文温度，EA为活化能(35kJ=mol),R为气体常数，D294K为参考温度(20,C)下的扩散系数。表格1灵敏度分析的参数值范围.参数基本情况数值范围D0(e-12m2/s)N(5.0,0.5)[1-20]CCR(%wt.conc.)N(0.5,0.15)[0.25-1.25]xC(mm)N(50.0,5.0)[40-90]cS(%wt.conc.)N(3.4,0.34)[1.0-7.0]t/t0(yrs/dys)50/28无变化nN(0.4,0.07)无变化通过将方程(3)和(4)代入方程(2)，一个氯化物基于时间和温度依赖的扩散系数的表达就得到了。得于:xI T一E(11)-rt)n5D - -exp——A—-0-12\ 294k294RIT294丿It丿1—erf丿(5)应该指出，氯离子渗透的比率也可能被诸如毛细管吸力，或裂纹穿透等其他机理控制。例如，fib'sBulletin34考虑到了混凝土盖存在一个对流区。这个区域，其中最主要的运输过程为毛细吸收，被从混凝土盖整体扣除。然而，基于现有知识和海洋环境中的相关混凝土结构，一般认为扩散室氯化物渗透的主要运输过程。然而，在很多用于耐久性设计的参数上，依然缺少相关的数据和信息。因而，设计过程的经验，取得结果的非批评阐释以及完整的工程判断很重要。为了展现概率分析方法的潜能，使用了蒙特卡洛模拟方法。物理过程的模拟直接利用修改的菲克第二扩散定律。唯一的要求是所有的模型参数要用概率密度函数来描述。一旦知道不同模型参数的概率密度函数，失败的概率，即腐蚀的发生，将以对极限状态函数的评估进行的大量试验为基础计算。由于蒙特卡洛方法的精度主要取决于进行试验的数量，进行了106次模拟。3・模型参数对耐久性能的影响灵敏度分析的目的在于理解耐久性参数对50年的使用周期后腐蚀开始的概率的影响。其完成是在保持其他参数值保持常值的情况下，在相关范围内变化模型参数。被分析的参数有扩散系数，D。；临界氯离子浓度，cCR;钢筋混凝土盖板,xC；表面氯离子浓度，cS。为了便于比较，给出了参考案例，如表一所示。另外，也给出了模型参数变化的上下限。图表一显示，当扩散系数增大，腐蚀开始的机率也随之增大。这是由于较高的扩散系数与大型渗透有关。如果扩散系数从10.0X10-12^"(对氯离子扩散温和抵抗)减少到2.0X10-i2m2/s(对氯离子扩散极高抵抗性)，腐蚀开始的概率可减少90%。扩散系数是一个很有影响的参数。一种可以有效控制扩散系数的方法

是，选择合适的水泥类型和水胶混合比。图表1.50年使用寿命后扩散系数对腐蚀开始概率灵敏度的分析图表2.50年使用寿命后混凝土盖对腐蚀开始概率灵敏度的分析在图表2中，显示了不同混凝土盖对腐蚀开始概率的影响。对于少于60毫米的混凝土盖，看起来腐蚀开始的概率急速增加，表明混凝土盖也是一个影响耐久性的参数。很明显，混凝土盖增大了氯化物扩散到达加固材料的距离。然而，为了取得足够的性能，大型的混凝土盖是必要的。同时增大大于60毫米的混凝土盖带来腐蚀开始概率很小的增加，从40毫米到60毫米的提高导致了腐蚀开始概率50%的减少。表格3显示，当表面氯化物浓度增加，腐蚀开始的概率也增大。混凝土表面

高浓度的氯化物将为氯化物扩散产生很高的驱动，因而预示着更短的扩散时间。从图表4可以看出，当开始腐蚀所需的氯离子浓度增加时，腐蚀开始的概率降低了。为了使加固材料附近达到更高浓度需要更多的时间。临界氯离子浓度主要取决于粘结剂类型及水胶比。这个分析说明，氯离子浓度的临界水平是一个敏感的耐久性参数，因而粘结剂的选择十分重要。从灵敏度分析可得，某些特定参数对耐久性能的影响得到了更好的理解。对这些几何，材料或者环境参数的理解对于钢筋混凝土结构的耐久性能的结构有着直接影响。100腐蚀开始概率(％)純3070100腐蚀开始概率(％)純3070表面氯化物浓度（％wt.cement）表腐蚀开始概率(％)图50表腐蚀开始概率(％)图50年使用寿命后表面氯化物浓度对腐蚀开始概率灵敏度的分析图表4. 50年使用寿命后临界氯化物浓度对腐蚀开始概率灵敏度的分析4设计方案的耐久性能为了展现设计方法的潜在好处，我们研究了几种设计情景。设计师应当选择合适的混凝土混合和足量的混凝土覆盖以满足既定的使用极限状态。为保证决策制定过程有必要的信息，对于50年的使用寿命，我们研究了耐久性能设计方案的四种不同变化的影响。腐蚀开始的使用极限状态被定义为0=1.3，或是PF=10-i。材料，几何和环境参数基于已出版的文献。对例一来讲，混凝土覆盖是多样的。在例二中，对用于混凝土混合物中的水泥进行了分析，而在第三例，对温度的影响进行了分析。最后一个例子，分析了使用表面疏水图层的效果量化模型数据■关于执行这个方法主要的困难是模型参数的量化。这些参数具有随机性,因而更值得注意。相关信息的缺乏有时会影响分析，然而，对于一些已提出的参数的建议可以再文献中找到。研究人员必须依靠他们的经验，从现有结构和已发表的数据中得来的数据，来量化必要的参数。因此，耐久性分析的模型参数的量化应考虑到；使用寿命(海洋环境中的暴露时间)设为50年；表面氯化物浓度基于周围结构的测量。考虑到水泥重量的变化系数(CoV)为10%，正态分布的平均值为3.4%。根据EC2,XS3暴露环境条件下，额定的钢筋混凝土盖为60毫米。然而，考虑到工艺的质量，一个正态分布的混凝土盖平均为50毫米，采用10%的变化系数。扩散系数以加速的实验室试验为基础决定，使用混凝土为CEMI42水泥,5R,密度约为420千克每立方米，水胶混合比0.45，用时28天。平均为10.5X10-2m2/s和10%的变化系数的正态分布；对于选定的水泥类型，临界氯离子浓度基于现有的经验，正态分布值为平均0.48%的混凝土重量和标准偏差为0.15%的混凝土重量；扩散系数的时间依赖指数基于现存文献。对于选定水泥类型，采用了平均0.4和0.07的标准偏差；■参考温度被认为具有确定性，数值为20°C。混凝土盖的影响曾进行过一项耐久性分析，以了解增加混凝土盖厚度使其高于额定最低要求60毫米的效果，分析了50(基本情况)，60，70和90毫米深度的混凝土。从图表五可以看出，混凝土盖对腐蚀开始的概率极为重要。一个额定为50毫米的只能提供大约5年的使用寿命，而一个有效的额定90毫米的混凝土盖可以提供超过26年的使用期。这依然不够满足要求的50年使用寿命，因此其他设计方案必须转为提高耐久性能。从实用性来讲，很难使用超过70毫米的混凝土盖。用不锈钢筋加固来部分替代常规加固材料可以取得有效混凝土盖的稳固增强。因为耐久性设计，我们可以变更混凝土盖，因此，结构设计的重新计算也有了必要。水泥类型的影响为了研究水泥类型的效果，我们分析了四种不同的水泥。基于四种水泥的混凝土混合物的耐久性指示物(扩散系数)取自现有文献。水泥的种类包括一种高性能的波特兰水泥(CEMI52.5)，一种混合粉煤灰水泥(CEMII/A-V42.5),—种约70%炉渣的高炉炉渣水泥(CEMIII/B42.5),以及混合了10%硅粉的高性能波特兰水泥(CEMI52.5)。根据观察到的扩散系数，水泥类型的效果展示在表格2中，其中也包括了寿命因素(a)的采纳值。从图表6可以看出，水泥类型对腐蚀开始的概率有重要的影响。高煤炉渣水泥和纯波特兰水泥对于氯化物渗透抗性的极大差异与以往经验相符。腐蚀开始概率(％)使用期（年）图表5.混凝土盖对腐蚀开始概率的影响腐蚀开始概率(％)使用期（年）图表5.混凝土盖对腐蚀开始概率的影响对于纯波特兰水泥，腐蚀开始的概率超出将在大约四年以内的时间。而对于高煤表格2对于纯波特兰水泥，腐蚀开始的概率超出将在大约四年以内的时间。而对于高煤不同类型水泥的参数水泥类型D0(lO-i2m2/s)N(-)CEMIN(10.5;0.7)aN(0.37;0.07)CEMIII/BN(5.3;0.6)N(0.60;0.15)CMII/A-VN(10.1;0.8)N(0.51;0.07)CEMI+SFN(4.7;0.5)N(0.40;0.07)

炉渣水泥，腐蚀的危险水平超出将有42年的时间。相对的，对于混合煤灰水泥和波特兰水泥和硅粉的混合，腐蚀的相应风险超出将在大约13和17年的十年内。对于同样的混凝土混合，只讲水泥类型由波特兰水泥改为高煤炉渣水泥，50年后，在腐蚀开始的概率上获得了85%的提高。4.4.温度的影响绝大多数物理和化学现象上的降解机制的依存关系，其反过来即是温度依赖性，应该在耐久性设计过程中纳入考虑。曾进行过一个耐久性分析，以了解海洋环境中温度对于混凝土结构耐久性能的影响。纳入考虑的三个地方的年度平均气温为：立陶宛维尔纽斯，8°C；葡萄牙波尔图，18°C；巴西累西腓，25°C。这些参数用于确定性的分析。腐蚀开始概率(％)腐蚀开始概率(％)使用期（年）图表7.温度对腐蚀开始概率的影响腐蚀开始概率(％)4030■M50WithoutAppliedIwiccSLS^LSift-ICy1)腐蚀开始概率(％)4030■M50WithoutAppliedIwiccSLS^LSift-ICy1)fAppliednnee使用期（年）图表8.疏水涂层对腐蚀开始概率的影响图表7展示了温度对于腐蚀概率的影响。考虑到不同环境（以不同温度范围为条件）中质量相同（在同等条件下性能相同）的混凝土，性能的的变化显著地不同。考虑到耐久性，以参考温度条件设计一种加固混凝土结构可能导致结构的性能低下，和使用寿命缩短的结果。另一方面，对于较凉爽的气候，设计可能会导致过度的性能，而毫无必要的增加建造花费。4.5.表面疏水的影响表面疏水对耐久性影响的研究是在假设疏水涂层的效力在7到10年内有效的情况下进行。为了模拟这种表现，研究模拟了表面涂层渗透性的逐渐减弱。研究分析了两种情况：第一种情况中，用了单一涂层；第二种情况中，一个涂层使用七年后，用了第二个涂层。从图表8可以看出，疏水涂层为耐久性能的有效期延迟了降解。这种额外的方法和其他方法一起，可能最终会对达到要求的使用寿命非常有用。5•总结本论文中描述的耐久性设计方法是应用于假设情形中，然而，其参数是基于已发