焦俊婷，叶英华，杨荣华

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建 厦门 361021;2.北京航空航天大学土木工程系, 北京 100083)

考虑地方气候时氯盐侵蚀混凝土结构寿命研究*

焦俊婷1，叶英华2，杨荣华1

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建 厦门 361021;2.北京航空航天大学土木工程系, 北京 100083)

针对在气候环境和氯盐侵蚀共同作用下沿海混凝土结构诱导期寿命进行研究。基于现有混凝土结构氯盐寿命模型，同时考虑气候环境温度、相对湿度影响，分析了我国东南沿海部分城市混凝土结构诱导期寿命；并利用简单可靠度理论计算我国东南沿海部分城市混凝土结构诱导期寿命的概率分布。研究结果表明：① 地方气候相对湿度对诱导期寿命影响不容忽视；② 对诱导期寿命影响较明显的因素有：相对湿度影响系数f(h)、氯离子扩散延迟系数m、氯离子参考扩散系数Dref和混凝土保护层厚度X。研究成果对混凝土结构加固、维护、剩余寿命预测具有参考作用。

氯盐侵蚀环境；混凝土结构；温度；相对湿度；诱导期寿命

沿海地区氯盐侵蚀作用下混凝土结构寿命由诱导期、发展期和失效期三部分组成[1]。诱导期寿命ti指混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度所需的时间。现有研究成果认为：氯盐侵蚀混凝土结构诱导期寿命模型中氯离子扩散系数的确定是关键因素，氯离子扩散系数受时间、环境(温度、相对湿度)、混凝土材料性能等多个因素影响。

沿海、近海地区的混凝土结构直接或间接受海水侵蚀，同时与海风、海雾、海潮中携带的氯离子含量有关，与地方气候环境(温度、湿度等)有密切关系，其服役寿命远远低于设计寿命，沉重的重建与维修费造成巨大的经济损失[2-7]。提高一定气候环境沿海地区混凝土结构耐久性、延长其使用寿命，是工程亟待解决的问题。但结合地方气候环境对氯盐侵蚀作用下混凝土结构寿命预测的相关文献研究较少[8-10]。Allampallewar等[8]研究了印度沿海5个城市地方气候温度、相对湿度条件对氯离子侵蚀混凝土结构诱导期寿命的影响极其概率分布。Alhozaimy等[9]试验研究了海湾地区高温、高湿、氯离子侵蚀综合作用下混凝土的腐蚀，研究结果发现：当温度为50 ℃、相对湿度为85%时，混凝土内钢筋的腐蚀低于温度为40 ℃和30 ℃、相对湿度为85%的腐蚀。应敬伟等[10]结合我国广西地方气候环境研究了氯离子侵蚀混凝土结构中氯离子扩散系数的简化计算。可见结合地方气候温度和相对湿度环境，研究沿海混凝土结构ti是必要的、有实际意义的。鉴于此，本文采用以月为时间单位，考虑月平均温度、月平均相对湿度对氯离子扩散系数的影响，计算我国东南沿海地区混凝土结构的ti；并用简单概率方法，计算混凝土结构ti的概率分布；最后对混凝土结构ti影响因素进行敏感性分析，给出提高混凝土结构ti的设计建议。研究结果为这些地区混凝土结构加固、维护、剩余寿命预测具有参考作用。

1 沿海氯盐腐蚀混凝土结构的ti

1.1 混凝土结构氯离子扩散模型

基于Fick第二定律：

(1)

当边界条件C(0,t)=Cs,C(∞,t)=C0；初始条件C(x,0)=C0;Fick第二定律的解析解为：

(2)

式中，t表示时间；x表示混凝土结构内某处深度；C(x,t)表示t时刻混凝土结构内深度x处的氯离子浓度；Cs、C0分别表示混凝土结构表面和初始时刻内部氯离子浓度；erf表示误差函数；D表示氯离子扩散系数。

1.2 氯离子扩散系数

氯离子扩散系数D受时间、温度、相对湿度、混凝土材料性能(如水灰比、氯离子扩散延迟系数)等因素影响。计算C(x,t)时采用氯离子有效扩散系数Deff来代替D，且：

(3)

式中，Dref表示混凝土结构暴露于一定时间和一定湿度条件下氯离子的参考扩散系数；f(t)表示时间t对氯离子扩散系数的影响系数；f(T)表示环境温度T对氯离子扩散系数的影响系数；f(h)表示环境相对湿度h对氯离子扩散系数的影响系数。

1.2.1 氯离子参考扩散系数Dref文献[11]建议普通混凝土的Dref为：

(4)

式中，D28表示混凝土结构暴露于28 d、相对湿度为100%条件下氯离子的参考扩散系数，单位：m2/s；w/c表示混凝土材料的水灰比。

1.2.2 时间影响系数f(t)文献[12]给出时间t影响氯离子扩散的函数D(t)：

(5)

式中，tref表示混凝土龄期，tref=28 d；m表示氯离子扩散系数延迟。

1.2.3 温度影响系数f(T)文献[11]给出温度T影响氯离子扩散的函数D(T)：

(6)

式中，Tref表示混凝土养护时的标准温度293 K,即20 ℃；T表示混凝土环境温度；U表示混凝土扩散过程的激活能常数,U=35 000 J/mol；R表示气体常,R=8.314 J/(mol·K)。

1.2.4 相对湿度影响系数f(h)文献[13] 给出环境相对湿度h影响氯离子扩散的函数D(h)：

(7)

式中，hc表示混凝土所处环境临界相对湿度，hc=75%；h混凝土结构所处环境实际相对湿度。

1.3 混凝土结构ti计算

1.3.1ti的计算公式 依据ti的定义知：当混凝土结构钢筋保护层厚度为X，则C(X,ti)=Cth。其中，ti表示混凝土为第i个月龄期，即：

ti=i×(365/12)=i×30.417(d)

依据式(2)可得[8]：

(8)

其中，

(9)

(10)

式中，Deff,i表示第i个月氯离子的有效扩散系数。

当i=1时，C(X,t1)为

(11)

1.3.2ti的计算过程

1)首先计算i=1时，由式(3)-(7)计算氯离子有效扩散系数Deff,1；由式(11)计算C(X,t1)。

2)然后分别计算i=2、3…时，由式(3)-(7)计算氯离子有效扩散系数Deff,i；按式(8)-(10)，计算C(X,ti)；直到C(X,ti)≥Cth停止，此时的ti即为混凝土结构诱导期寿命。

1.3.3ti计算算例 以我国东南沿海海口、深圳、厦门、温州和宁波等5城市混凝土结构为例，当考虑地方气候温度、相对湿度时计算各城市混凝土结构的ti。假定混凝土材料水灰比为0.5、m=0.52；钢筋保护层厚度X=50 mm；氯离子临界值Cth=0.037%、混凝土结构表面氯离子浓度Cs=0.5%、混凝土结构氯离子初始含量C0=0。5个城市月平均温度见表1、月平均相对湿度见表2，表1、表2数据取自文献[14]。

表1 我国东南沿海5城市月平均温度1)

1)A—海口，B—深圳，C—厦门，D—温州，E—宁波

表2 我国东南沿海5城市月平均相对湿度1)

1)A—海口，B—深圳，C—厦门，D—温州，E—宁波

由式(4)计算得：Dref=1.198 mm2/d；由式(6)计算得f(T)见表3；由式(7)计算得f(h)见表4。

最后计算得到海口、深圳、厦门、温州和宁波5城市混凝土结构的ti分别是：6.46、11.33、12.42、11.67和12.58年。计算结果表明：① 地方气候环境的温度、相对湿度对混凝土结构的ti有一定影响；② 海口的ti明显小于其它城市的ti；③ 深圳和温州的ti相接近，厦门和宁波的ti相接近。可见，考虑地方气候的温度、相对湿度环境研究混凝土结构的ti是十分有必要的。

表3 月平均温度影响系数f(T)1)

1)A—海口，B—深圳，C—厦门，D—温州，E—宁波

表4 月平均相对湿度影响系数f(h)1)

1)A—海口，B—深圳，C—厦门，D—温州，E—宁波

2 基于可靠度的沿海混凝土结构ti分析

2.1 沿海混凝土结构ti的概率密度函数

(3)忠诚顾客。作为庐山民宿主要消费者的80及90后人群，是受过良好教育的一代，追求新奇，敢于体验不同样的事物，他们认同社群文化和粉丝经济并且很容易被召集起来，庐山民宿的发展离不开这些消费人群。经营者在对外销售的同时，可以利用“粉丝经济”，通过互联网社区与这些年轻消费者保持沟通与交流，并且从中了解他们的需求，对民宿进行相应的改造和完善，从而创造出一批忠诚顾客，使他们保持一定的再住率，成为相对稳定的客源市场。忠诚顾客对于消费市场的扩展也有很大帮助，利用老顾客的口碑宣传，带来新的住客，再将新住客发展成又一批的忠诚顾客，形成客源市场的可持续良性扩张。

文献[15]建议：① 混凝土结构ti的概率密度函数服从对数分布函数，如式(12)所示，其中a=ln(ti)，

(12)

σ是ti的标准方差；② 用随机变量均值计算概率分布时的概率为50%; ③ti是随机变量Dref、m、f(T)、f(h)、X、Cs、Cth和C0的函数，即：

(13)

对式(13)在随机变量为均值时线性化得：

(14)

对式(13)在随机变量为均值时计算ti的方差得：

(15)

2.2 我国东南沿海混凝土结构ti的概率分布

以我国东南沿海海口、深圳、厦门、温州和宁波等5城市为例计算混凝土结构ti的概率分布。设随机变量Dref、m、f(T)、f(h)、X、Cs、Cth和C0的变异系数为0.2、0.1、0.07、0.22、0.083、0.25、0.2和0.0(因一般混凝土C0=0.0，故假设C0的变异系数为0.0)。其它参数同前，计算结果见表5-表9。

表5 海口 ti 概率特征值计算

表6 深圳 ti 概率特征值计算

表7 厦门 ti 概率特征值计算

表8 温州ti概率特征值计算

表9 宁波 ti 概率特征值计算

2.2.1 混凝土结构ti的概率密度函数 5个城市混凝土结构ti的概率密度函数如图1所示。由图1可知，海口ti的概率密度函数与其他4城市不同；其他4城市ti的概率密度函数也略有差异。

2.2.2 混凝土结构ti的概率分布函数 5个城市混凝土结构ti的概率分布函数如图2所示。由图2可知，海口ti的概率分布函数与其他4城市差异明显；其他4城市ti的概率分布函数略有差异。建议研究各地沿海混凝土结构ti宜考虑地区气候温度、相对湿度的影响。

图1和图2表明环境相对湿度、温度对氯离子的扩散有不可忽视影响，海口相对湿度影响系数和温度影响系数均高于其他4城市，其概率密度函数、概率分布函数均与其它4常识有明显差异。

图2 5个城市ti概率分布函数Fig.2 The probability distribution function at five cities

3 混凝土结构ti敏感因素分析

3.1 敏感因素分析

为了解混凝土结构ti对各影响因素的敏感程度，进行因素方差分析[16]。基于表5-表9计算，各因素对ti影响的方差及敏感性分析结果如表10所示。由表10可知，① 不同城市ti对各影响因素的敏感程度不同。② 相对湿度对5个城市ti的影响均在前3名，表明该因素的影响不容忽视。③ 温度对5个城市ti的影响排列均较靠后，表明该因素的影响不明显。④ 对ti的影响较明显因素有：f(h)、m、Dref和X。

3.2 提高混凝土ti措施

综合前述分析，建议提高凝土结构ti的主要措施：① 从材料配比以及制备方面，注意采用适当的水灰比、养护条件，以便混凝土结构具有较好的Dref和m；② 由于保护层厚度对ti有明显的影响效果，选择合适的保护层厚度X；③ 考虑相对湿度的影响系数f(h)对ti有明显的影响，建议在设计混凝土结构耐久性寿命时应合理的考虑该因素的影响。

表10 各因素对ti影响方差及敏感性分析1)

4 结 语

本文结合地方气候温度和湿度环境，研究沿海混凝土结构的ti。计算了我国东南沿海5个城市混凝土结构的ti、其概率分布及其敏感性因素。研究结果表明：① 相对湿度对5个城市ti的影响不容忽视；② 温度对5个城市ti的影响均排列较靠后，表面明该因素的影响不明显；③ 对ti的影响较明显的因素有：f(h)、m、Dref和X；并给出提高混凝土ti技术措施。

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The initiation time for reinforced concrete members under chlorine salt erosion and climate

JIAOJunting1,YEYinghua2,YANGRonghua1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China；2. The department of Civil Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083, China)

The initiation time for reinforced concrete (RC) members were researched along coast under chlorine salt erosion and climate. Based existing chlorine erosion life model, as temperature and relative humidity were considered, the initiation time for RC members were calculated. Then the probability distribution of the initiation time was given for RC members along coast in southeast china by using simplified probability analysis. The results showed:① The effect on initiation time from relative humidity should not be ignored; ② The factors, such as relative humidity influence coefficientf(h), chloride ion diffusion delay coefficientm, chloride ion diffusion reference coefficientDref, and concrete cover thicknessX, had more obvious influence on initiation time. This would be useful for structure strengthening, maintenance, and remaining life prediction.

chlorine salt erosion; concrete structures; temperature; relative humidity; initiation time

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.01.015

2015-03-10

国家自然科学基金资助项目(51178020，51478404)；福建省教育厅A类资助项目(JA14241)

焦俊婷(1968年生)，女;研究方向：钢筋混凝土结构非线性与耐久性;E-mail:jtjiao@xmut.edu.cn

TU 528.01

A

0529-6579(2016)01-0085-06