韩 意，解东升，张 伟，吴伟东，马 露

(1.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233100；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

引 言

混凝土的耐久性是指混凝土在不同的使用环境下，抵抗由于内部材料或者外部环境所造成的侵蚀或者破坏，保持正常使用的能力[1]。氯离子侵蚀是钢筋混凝土结构中最为突出的耐久性问题[2]。氯离子主要通过破坏钢筋混凝土表面的钝化膜，形成点蚀，然后形成腐蚀电池，加速腐蚀，最终使钢筋混凝土结构劣化破坏，耐久性降低[3]。

1 钢筋混凝土材料中氯离子引发钢筋锈蚀机理

交通行业历次调查显示，我国1986年以前建设的港口工程，大多在建成后5 a左右，构件表面积出现轻微锈蚀裂缝，一般15 a左右即发展到非常严重的程度。1987年后，随着标准规范的不断完善，对材料和构造方面提出了具体要求，结构耐久性破坏现象得到明显改善。但是氯离子与应力的联合作用依然为我国码头混凝土耐久性的主要影响因素[4]。因此对于港工建筑物，研究氯离子引发的混凝土耐久性降低尤为重要。

氯离子引发钢筋锈蚀的机理主要有以下几种[5-6]：

(1)破坏钝化膜。氯离子的增加可以使钢筋混凝土周围环境的pH值降低，从而破坏使钝化膜保持稳定的碱性环境，进而发生点蚀。

(2)形成“腐蚀电池”。当发生点蚀后，未腐蚀的钝化膜和外露的铁基体形成腐蚀电池的阴阳极，使腐蚀面积迅速扩大。

(3)去极化作用。由于形成的腐蚀电池阳极生成的FeCl2溶解性很强，与混凝土孔隙溶液中的OH-离子结合后，进一步发生氧化反应生成多孔疏松Fe(OH)3或Fe2O3，同时释放出氯离子，最终引起钢筋的膨胀性腐蚀。

综上，氯离子并不会直接腐蚀混凝土材料本身，但会激发和加速混凝土中钢筋的锈蚀，使构件强度降低，正常使用寿命缩短，耐久性降低[2]。

2 海港工程混凝土耐久性设计要求

2.1 对混凝土材料的要求

混凝土材料选择是提高混凝土耐久性的关键一步，因此需要重点关注：水泥质量；水灰(胶)比；水泥用量；碱含量等。

2.2 对外加剂的要求

混凝土的外加剂主要包括粉煤灰、硅灰和矿渣。混凝土中的硅灰对提高混凝土的密实度、降低氯离子的扩散速率极为有利[7]。但是，硅灰会提高混凝土的水化热，对于大体积混凝土的施工是极为不利的，为了降低由于水化热造成的混凝土温度裂缝出现的风险，常常需要掺入一定量的粉煤灰[8]。

硅灰通过影响氯离子的扩散速率，进而影响混凝土抗渗性能以及耐久性，计算如(1)式。

DSF=DPCe-0.165SF

(1)

式中，DSF为掺入硅灰后钢筋混凝土中氯离子的扩散速度；DPC为水泥中氯离子扩散系数；SF为硅灰与胶凝材料的质量比值。

粉煤灰主要通过影响氯离子的扩散系数衰减指数m间接影响混凝土的耐久性，计算如(2)式。

m=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

(2)

式中，%FA表示粉煤灰与胶凝材料的质量比值；%SG表示矿渣与胶凝材料的质量比值。

2.3 保护层厚度的要求

混凝土保护层厚度可以提高腐蚀介质到达钢筋表面的时间，同时可以抵抗钢筋腐蚀形成的胀裂力。但是过大的保护层厚度一方面可以增加施工成本，另一方面可以增大裂缝。我国从耐久性角度出发，在《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)中对混凝土保护层厚度做了具体规定。

2.4 限裂措施

对处于海洋环境中的混凝土结构，裂缝的出现将加速氯离子的渗透，从而缩短钢筋开始锈蚀的时间。但钢筋开始锈蚀后，裂缝宽度与锈蚀速度之间的关系尚存在不同见解。由于目前关于两者之间关系的长期试验不多，结论不统一，所以工程设计时仍需按照规范要求对混凝土裂缝的宽度进行严格控制。

2.5 防腐蚀附加措施

国内外大量试验和调查研究证明，在恶劣的海洋环境中，不能仅仅依靠混凝土本身抵挡氯离子的渗入对混凝土造成的损害，必须采用防腐蚀措施以保证混凝土结构具有足够的耐久性。工程实践证明，涂层防腐辅助措施，可以较为有效的阻隔氯盐渗入混凝土，延长氯离子侵入混凝土所需要的时间。同时，这种防腐涂层可以通过阻隔空气，提高混凝土的电阻率，起到防止混凝土碳化的作用。

2.6 结构形式与构造

合理的结构形式和构造可以减轻服役环境对工程的影响，提高耐久性。对于复杂的结构形式和构造，可能在实际施工过程中导致钢筋位置、保护层厚度等难以保证，混凝土构件的质量也就难以满足要求。混凝土结构在进行设计时，在满足使用功能和环境条件的前提下，应尽量选择简单平顺，无棱角和突变位置的结构形式。

2.7 施工质量要求

许多施工方面的因素会造成混凝土耐久性不足。例如钢筋比较密集的构件，可能造成钢筋定位困难，设计的混凝土保护层厚度不容易保证，混凝土浇筑也难以振捣密实，从而对混凝土耐久性产生影响。可见，可靠的施工质量是保证混凝土结构耐久性极其重要的环节。

2.8 维护要求

工程后期的维护对混凝土耐久性也起着十分重要的作用。主要包括日常检查、定期检测评估和适时维修。日常检查主要包括混凝土表面缺陷、构件表面损伤和耐久性监测系统的完好性；定期检测评估主要包括钢筋锈蚀、冻融等劣化外观检测和专项检测，根据检测结果对结构耐久性现状进行评估和预测；对于评估预测耐久性不满足设计使用年限要求的结构，应进行耐久性再设计并采取耐久性维修措施。

3 基于Life-365的氯离子扩散机理

混凝土耐久性研究的前提是如何定量预测混凝土的使用寿命，现今运用比较广的有三种模型。一是欧盟的DuraCrete模型；二是基于MATLAB考虑概率分布的寿命预测模型；三是美国的Life-365模型。Life-365采用的是全概率法预测混凝土结构的使用寿命，计算简单。

本文主要采用第三种方法预测混凝土构件使用寿命。Life-365是根据全寿命经济分析法LCCA，于1998年由加拿大多伦多大学M.D.AThomas和E.C.Bentz教授提出的，对于腐蚀破坏而言，就是实施以防为主的战略方针，使得长期效益最大化。仲维亮、芦志强等认为Life-365是针对氯盐环境下港口工程使用寿命的计算软件，并将其运用于波斯湾地区港口工程设计中，计算结果表明Life-365十分适合该地区港口工程结构使用寿命的计算分析。

Life-365软件使用手册(2008/01/08)对Life-365软件的使用方法及计算原理进行了详尽的介绍。其主要的输入参数包含外部环境参数(主要是温度和构件表面氯离子浓度)、构件尺度参数(主要是构件尺寸和保护层厚度)及混凝土配合比参数。临界氯离子浓度是Life-365软件中比较关键的参数，在实际工程中，需要对工程周边环境进行充分调研，结合混凝土材料本身的属性进行确认。在Life-365模型中，混凝土构件的使用寿命主要包含下述的两个阶段。

3.1 使用寿命界定

耐久性是结构混凝土在服役环境中，抵御外部侵害，保持使用性能的能力。以往对于耐久性的评价仅仅是定性评价，如优良、好或不好。发展到混凝土结构使用寿命预测时，耐久性才依附于构件或者工程才可以定量评价。

为了研究港工工程混凝土结构使用寿命，我们人为将工程历时进行划分。第一个阶段ti是从施工开始至钢筋表面氯离子浓度达到临界值所需要的时间，简单称为筋锈蚀诱发展期。第二个阶段tp是从氯离子浓度达到临界值到不能接受的破损时间，或者到第一次维修需要的时间，简单称为扩展期。使用寿命t则按照下式(3)进行计算。

t=ti+tp

(3)

实际在进行使用寿命定量计算时，扩展期tp的量化是比较困难的，因为扩展期不仅仅由钢筋腐蚀速度确定，还决定于业主对于“不能接受的破损”的界定。tp在Life-365中默认取值为6 a.，对于高性能混凝土，其取值一般大于6 a[9]。保守起见，本工程中取值为6 a。

3.2 现场环境条件

本工程是国内某海港工程，属Ⅲ类服役环境即海水氯化物引起钢筋锈蚀极端严重的近海环境。工程所在地高温期长，最高温度高，最高日均温达46 ℃，温差大。

基于施工过程中时间跨度较长、经历冬夏季节变化等，结合当地的气候条件，本工程采用高强混凝土C40，同时掺合粉煤灰和硅灰。具体配合比见下表1。

表1 混凝土配合比

3.3 氯离子扩散系数

28 d龄期普通硅酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数按公式(4)进行计算：

(4)

其中，单位为：m2/s，w/B为水胶比。

同时需要考虑氯离子扩散系数随时间的变化关系，并且用龄期系数n来修正，修正公式如(5)式。

(5)

其中，t代表时间，单位为: a；D(t)是时间为t时氯离子的扩散系数；n为龄期系数。

公式(5)中当时间t大于10后，氯离子扩散系数D(t)变化极小[9]。Life-365软件中t值默认为25 a。

3.4 临界氯离子浓度

如前所述，引起钢筋锈蚀的临界氯离子浓度和很多因素有关，如混凝土构件服役环境；水胶比；混凝土构件外部防腐措施；保护层厚度；外加剂等。根据使用寿命的定义，临界氯离子浓度设置的数值越大，氯化物积累到开始腐蚀的时间就越长，发展期ti就越大，使用寿命t就越大。在Life-365软件中，对于一般海洋环境，氯离子浓度(占混凝土质量的百分比)的默认值为0.05 %。

3.5 模拟结果

根据以上参数的设置，最终使用Life-365计算结果如下。以下Conc.是chloride ion concentration的英文缩写，表示氯离子浓度。

(1)图1和图2直观的表明本构件的使用寿命为50.2 a，满足业主50 a使用寿命要求。其中钢筋表面氯离子浓度达到临界值所需要的时间是44.2 a。

图1 Life-365计算结果

图2 耐久性预测年限

(2)图3、图4和图5表明同一时间混凝土构件氯离子浓度随深度增加不断减小；构件同一位置，随着时间增长氯离子浓度在不断增加。计算结果与采用模糊可靠度计算方法计算结论一致[10]。

图3 ti=44.2 a时构件氯离子浓度分布Fig.3 Concentration in the structure when ti equals to 44.2 a

图4 ti=20 a时构件氯离子浓度分布

图5 氯离子浓度随深度变化曲线Fig.5 Changing of concentration versus depth

(3)图6表明在构件60 mm深度，时间为44.2 a时氯离子浓度达到临界浓度，钢筋开始锈蚀。

图6 构件60 mm位置氯离子浓度随时间变化曲线

(4)图7表明随着时间的推移，混凝土变硬，氯离子浓度扩散系数逐年降低，从第8 a时趋于平缓，但是存在由于温度的年度变化引起的年度震荡。

图7 氯离子扩散系数随时间变化曲线Fig.7 Changing curve of chloride diffusivity versus time

(5)图8表明氯离子浓度随时间的变化关系，由于本项目为海港工程，按照规范，属于浪溅区，表面氯离子浓度是即时达到最大。

图8 表面氯离子浓度随时间变化曲线

3.6 敏感性分析

实际工程中，港工工程的耐久性影响因素很多，究竟哪些因素的变化对计算结果影响比较大，需要采用敏感性分析。为了简化计算，下面分别对影响混凝土构件耐久性的保护层厚度、水胶比、粉煤灰含量、硅灰含量四个因素进行单因素敏感性分析，计算结果如表2和图9所示。

图9 各影响因素敏感性分析曲线

表2 敏感性分析

根据以上单因素敏感性分析可以看出，四个影响因素中保护层厚度是最敏感因素，其次是水胶比，因此在进行构件耐久性设计的过程中需要重点关注这两个因素。

同时，根据规范本工程属于浪溅区，混凝土表面氯离子浓度瞬时达到最大值，实际工程中一定会有防腐涂层，所以即使工程服役环境是浪溅区氯离子浓度也不会瞬时达到最大。假定由于防腐材料的保护，构件5 a以后表面氯离子浓度达到最大值，计算结果则为56.8 a，计算的使用寿命提高了13.1 %。因此在使用Life-365进行混凝土耐久性计算过程中要考虑工程实际情况。

4 结语

对于高氯盐环境下混凝土耐久性研究是一项重要工作，同时高氯盐环境下港工建筑物使用寿命预测也是一项极其复杂的工作。Life-365是一种可以针对氯盐环境下混凝土使用寿命进行预测的软件。同时，Life-365模型采用的是全概率法预测混凝土结构的使用寿命，考虑了保护层厚度、水胶比、阻锈剂、环氧涂层、氯离子临界浓度、氯离子扩散系数等对使用寿命的影响。因此Life-365可以很好的运用于此类环境中。

同时，由于影响混凝土耐久性的因素较多，但是对于保护层厚度属于此类工程使用寿命预测中的敏感因素，所以实际工程耐久性预测过程中需要给与较多的关注。同时，即使对于浪溅区的工程环境，也应该根据工程实际情况设定表面氯离子达到最大值的时间。

在实际港口工程中，为提高水工混凝土构件耐久性，比较有效的措施是增加保护层厚度和降低水胶比。但是过度增加保护层厚度会导致构件计算裂缝宽度增加，从而增加钢筋使用量，降低经济性；而水灰比过小会使混凝土凝结过程中水化热较大，导致混凝土开裂，同时使混凝土的和易性较差，不利于施工。适量增加硅粉含量既可以降低水胶比，又可以提高混凝土密实度，对提高混凝土耐久性比较有效。