海洋环境中混凝土桥梁耐久性分析

海洋环境中混凝土桥梁耐久性分析

在一般环境中，混凝土中的钢筋侵蚀主要是由于混凝土中的钢筋表面对钢筋表面的机械影响，以及在碱性环境中识别钢筋表面的硬化膜。而在海洋大气环境中,混凝土桥梁钢筋腐蚀基本上是由氯离子侵蚀造成的。混凝土除遭受氯离子侵蚀以外,同时遭受碳化作用。在近海区域混凝土碳化与氯离子侵蚀引起钢筋混凝土结构耐久性失效的差别究竟多大,一直是一个困扰工程师们的难题。本文根据大量实际检测结果,建立在海潮影响区混凝土碳化可靠性模型和混凝土抗氯离子侵蚀可靠性模型,从结构部位、混凝土质量、距离海岸线距离等3个方面,计算了碳化与氯离子侵蚀导致的耐久性失效概率,从定量的角度对比了在海潮影响区碳化和氯离子侵蚀对结构耐久性的影响程度。为了使氯离子侵蚀与混凝土碳化对结构耐久性的影响有对比性,氯离子侵蚀和混凝土碳化在相同的区域进行检测,即在氯离子取样完毕后,将钻孔内的粉样吹净,然后用酚酞酒精溶液检测混凝土碳化深度。1氯离子侵蚀模式不确定性系数kp混凝土中氯离子扩散深度一般采用Fick第二定律进行计算。采用Fick第二定律主要是基于理论和经验的总结。在混凝土初始氯离子浓度为0、混凝土表面氯离子浓度为Cs时,Fick第二定律解的表达式一般表示为:C(x,t)=Cs[1-erf(x2√Dct)](1)C(x,t)=Cs[1−erf(x2Dct√)](1)式中:C(x,t)为在t时刻、距离混凝土表面x深度处的氯离子浓度;Cs为混凝土表面氯离子浓度;Dc为氯离子在混凝土中的扩散系数;erf(·)为误差函数,erf(z)=∫z0z0exp(-x2)dx。将计算得到的Cc(xi,t)与实测得到的Cm(xi,t)的比值kΡ=Cm(xi,t)Cc(xi,t)(2)kP=Cm(xi,t)Cc(xi,t)(2)定义为氯离子侵蚀模式不确定性系数。通过分析,发现氯离子侵蚀模式不确定性系数是一个随机变量,服从对数正态分布。表1是根据现场实测结果统计分析得到的氯离子扩散模式不定性系数kp的统计参数。那么,x深度t时刻混凝土的氯离子浓度表示为:C(x,t)=kΡCs[1-erf(x2√Dct)](3)C(x,t)=kPCs[1−erf(x2Dct√)](3)由式(3)计算的氯离子浓度不再是一个确定值,而是一个随机变量,其随机性由氯离子侵蚀模式不确定性系数kP反映。在海潮影响区,t时刻钢筋混凝土桥梁结构中钢筋脱钝的概率可表示为:Pf=P(Z<0)=P(Ccr-C(x,t)<0)(4)式中:Ccr为氯离子临界浓度。2混凝土驳岸结构参数b混凝土碳化深度与时间的平方根成正比,一般表示为:X=kc√t(5)X=kct√(5)式中:X为混凝土在t时刻的碳化深度;kc为混凝土碳化速度系数,kc=afc-bkc=afc−b;a、b为回归分析得到的相关参数。将实测得到的碳化深度Xm与计算碳化深度Xc比值kΡ=XmXc(6)kP=XmXc(6)定义为混凝土碳化模式不确定性系数,经统计分析得知混凝土碳化模式不确定性系数是一个随机变量,服从对数正态分布。表2是根据现场实测结果统计分析得到的混凝土碳化模式不定性系数kp的统计参数。那么,t时刻混凝土的碳化深度X为:X=kΡkc√t(7)X=kPkct√(7)由式(7)计算的碳化深度不再是一个确定值,而是一个随机变量,其随机性由kP反映。t时刻混凝土碳化到钢筋表面的概率可表示为:Pf=P(Z<0)=P(c-kPX<0)(8)3氯离子侵蚀与混凝土钙化导致的钢筋侵蚀概率的比较3.1土桥柱氯离子侵蚀引发的耐久性失效概率图1是离海岸线很近的桥1梁板和混凝土柱的混凝土碳化失效概率和氯离子侵蚀失效概率的对比。从图1中可以看出以下几点。(1)在相同使用年限内,无论对于梁板,还是混凝土桥柱,氯离子侵蚀导致的耐久性失效概率远远大于碳化失效概率,在早期的使用年限中,氯离子侵蚀诱发的结构耐久性失效概率是混凝土碳化诱发结构耐久性失效概率的上百倍,甚至上万倍。(2)由于混凝土桥柱因氯离子侵蚀而导致耐久性失效概率大于梁板的失效概率,就氯离子侵蚀而导致的失效概率与碳化导致的失效概率的比值而言,混凝土柱的倍数比值更大,其耐久性对于碳化更加不敏感。(3)随着使用年限的增加,二者引发的耐久性失效的概率都在增加,但两者的比值在减小,说明碳化诱发结构耐久性失效的相对权重在增加。3.2混凝土结构耐久性失效概率比对曲线的影响图2是海岸线附近的桥1和距海岸线2km左右的桥5的氯离子侵蚀与碳化导致的结构耐久性失效概率对比曲线。可以看出,随着距海岸线距离的增加,氯离子导致结构耐久性失效概率与碳化导致结构耐久性失效概率的比值减小,说明在诱发钢筋锈蚀的因素中,氯离子侵蚀诱发的概率降低,而混凝土碳化诱发的概率增加。表明距离海岸线越远,氯离子侵蚀效应减弱,而碳化作用增强。3.3盖梁混凝土耐久性无论在海洋环境下,还是在一般大气环境中,混凝土质量是保证结构耐久性的最主要的技术指标。图3是桥1盖梁氯离子与碳化导致结构耐久性失效概率。虽然处于海潮区,氯离子侵蚀在耐久性破坏中占主导地位,但是混凝土碳化导致钢筋耐久性降低的概率也比较高,与氯离子侵蚀导致的结构耐久性失效概率几乎相当,见表3和图4。根据检测发现,盖梁混凝土保护层厚度比较薄,仅30mm左右,混凝土质量均匀性非常差,变异系数在0.5左右。由此可见,在混凝土保护层薄、质量比较差的情况下,虽然氯离子侵蚀占主导地位,但是,混凝土碳化对结构耐久性的影响也是不可忽视的。4混凝土耐久性分析在海潮区混凝土桥梁由于氯离子侵蚀而导致的失效概率是混凝土碳化导致耐久性失效概率的上百倍,甚至上万倍,说明在海潮影响区氯离子侵蚀是混凝土耐久