邓春林，王胜年，熊建波，范志宏，涂启华

（中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室，广东 广州 510230）

0 引言

对于海工混凝土结构，混凝土保护层非常重要的功能是维护结构的耐久性，保护层太薄，空气、水及氯离子易渗入，其结果可能引起钢筋锈蚀并膨胀，从而使混凝土遭受破坏[1-2]。我国港口工程规范近30 a的修订很大程度上体现了行业内对保护层问题的重视，规范关于海港工程浪溅区保护层厚度的规定见表1。

表1 港口规范浪溅区保护层厚度的规定Table 1 The thickness of concrete cover in splash zone required by port specifications

20世纪80年代海港码头调查结果表明：我国于80年代前建成的高桩码头混凝土结构大部分仅5～10 a就出现锈蚀破坏，即使加上钢筋锈蚀开裂的时间，耐久性寿命也就是20 a左右[7]。20世纪90年代末期，对执行JTJ 228—1987规范的部分港口进行了调查，调查时结构已使用了10 a左右，基本上未出现严重破坏现象[8]，说明87规范对混凝土耐久性指标的修订，对提高海港工程混凝土耐久性效果是显著的。根据耐久性预测推算，按87规范设计施工的海港码头使用寿命可达30 a[9]。2000年颁布的《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》对南方地区处于浪溅区的混凝土最小保护层厚度提出了更高要求，从原来的60 mm增加至65mm。2012年颁布的《海港工程高性能混凝土质量控制标准》将北方地区浪溅区的最小保护层厚度从50 mm提高到60 mm。近30 a来，规范对浪溅区混凝土保护层最小厚度的规定从40～50mm增加到60～65mm。为调查规范的执行效果，中交四航工程研究院有限公司等单位对近30 a来设计施工的港口码头进行了大量调查[10]，分析了保护层厚度设计值、标准差的变化趋势，研究了标准差与保护层厚度设计值的关系，并将研究结果引入结构耐久性寿命预测模型，可供海港工程耐久性设计和评估参考。

1 码头保护层厚度统计分析

1.1 检测数据

根据北海救助基地码头（1999年）、霞海501码头（1993年）、赤湾港泊位（1986年）、湛江港305（1978年）、湛江港400（2003年）、湛江港407-409（1994年）、湛江港410-411（2003年）、盐田港区二期码头（1999年）、盐田港三期码头（2004年）等工程的实际保护层厚度调查资料，按正态分布对混凝土保护层厚度进行了统计分析[11]，共58组数据，每组数据的平均值、标准差等数据约由100～300个实测保护层数据统计分析，如表2所示[12]。

表2 码头构件保护层厚度Table 2 The thickness of concrete cover of wharf component

1.2 保护层厚度发展趋势

从表2中数据可以看出，近30 a来，所调查的码头工程混凝土构件的保护层厚度介于45～100mm之间，保护层厚度的标准差介于3.933～9.488之间，平均值为5.782。实测保护层厚度平均值有些大于设计值，有些小于设计值，总体看，所有调查工程的保护层的实测值比设计值大1.7 mm。2000年以后建设的码头，偏差主要是正偏差，正偏差的平均值为3.5mm。

1.2.1 保护层厚度绝对值的变化趋势

根据表2的调查分析数据，对近30 a的工程保护层厚度设计值进行统计的结果如表3所示。

表3 近30 a保护层厚度设计值、实测值的变化趋势Table 3 Variation tendency of design value and measured value of the thickness of concrete cover in the past30 a

从表3的数据可看出，近30 a来，保护层厚度设计平均值总体趋势是逐渐提高，从1978年的50mm提高到2004年的75mm，保护层厚度实测平均值也逐年提高，从1978年的51.1mm提高到2004年的78.0mm，变化趋势见图1所示，保护层厚度的设计、实测值与同期规范的规定值的变化趋势基本相当。可以说，相关规范对保护层厚度的规定在设计和施工环节得到了较好的执行。

图1 近30 a保护层厚度变化趋势Fig.1 Variation tendency of the thickness of concrete cover in the past30 a

1.2.2 保护层厚度标准差变化趋势

根据表2的调查分析数据，对近30 a工程保护层厚度实测数据按正态分布进行统计分析，得到近30 a保护层厚度标准差的变化趋势见表4。

表4 近30 a保护层厚度标准差的变化趋势Table 4 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover in the past30 a

根据表4的数据，由于1978年的数据较少，代表性不强，剔除该年的数据后保护层厚度标准差的变化趋势见图2。可以看出，近15 a来，保护层厚度的标准差与上世纪80年代相比，略微有降低的趋势，体现了近15 a来保护层厚度的控制水平有一定的提升。

图2 保护层厚度标准差变化趋势Fig.2 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover

1.3 标准差与设计值的关系研究

标准差的绝对值对耐久性评估和设计中保护层厚度的取值至关重要，标准差越大，在保证率相同的情况下，保护层厚度的计算取值就应降低，也就是说构件的寿命就会降低。笔者根据大量港口码头的保护层厚度的调查数据，研究了标准差与设计值之间的关系，如表5所示。

表5 保护层厚度标准差与设计值的关系Table 5 Relation between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

图3 保护层厚度标准差与设计值的比值关系拟合Fig.3 Fitting of the ratio between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

由表5的数据可知，随着保护层厚度设计值的增大，标准偏差与保护层厚度的设计值的比值逐渐减小，见图3所示。根据拟合的关系：

式中：σ为保护层厚度的标准差；cd为保护层厚度的设计值。

2 保护层厚度偏差在结构寿命预测模型的应用

菲克第二定律被广泛用来模拟氯离子在混凝土中的迁移规律，在环境、构件参数一定的条件下，构件满足设计使用年限t年的混凝土氯离子扩散系数的控制指标见式（2）[6，12]。

式中：c为混凝土保护层厚度，mm；t为构件的设计使用年限，a；erf为误差函数；Cs为混凝土表面氯离子浓度；C0为混凝土中初始氯离子浓度；Ccr为钢筋发生锈蚀的临界浓度；Drcm为根据GB 50082—2009测定的龄期trcm时氯离子扩散系数，m2/s；U为混凝土氯离子扩散过程的活化能，35000 J/mol；R 为理想气体常数，8.314 J/K/mol；T0为参考温度，293 K；T为混凝土的温度，南方地区一般取25℃；trcm为混凝土扩散系数的测试龄期，a；t0为氯离子扩散系数的衰减周期，参考值为25 a；m为扩散系数的龄期衰减系数，取值参照《海港工程高性能混凝土质量控制标准》。

取外层钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度Ccr为耐久性设计极限状态（设计使用寿命），可以计算出具体构件满足设计使用寿命t年时，混凝土试件氯离子扩散系数Drcm的控制值。

式（2）中的c目前一般按保护层厚度的设计值进行计算，但根据本文第1节的分析，施工时保护层厚度会出现较大偏差，根据统计规律发现，保护层厚度按照正态分布，按照95%的概率保证率，保护层厚度的计算值应小于设计值，计算值cc=cd-1.645σ，代入式（1）可得：

式中：cc为混凝土保护层厚度计算值，mm；cd为混凝土保护层厚度设计值，mm。

根据式（3）对式（2）进行修正，可以看到，考虑保护层厚度偏差的影响，公式修正为：

3 结语

1）港口码头保护层厚度设计值和实测值从1978年的50mm左右增加到2004年的75mm左右，保护层厚度的设计和实测值与同期规范的规定值的变化趋势基本相当，相关规范对保护层厚度的规定在设计和施工环节得到了较好的执行。

2）得出了保护层厚度标准差与保护层厚度设计值之间的统计关系，并将研究结果引入结构耐久性寿命预测模型，供海港工程耐久性设计和评估参考。

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