海洋环境下混凝土墩柱的耐久性模拟.pdf
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1、2 0 1 3年 第 7期 (总 第 2 8 5期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 0 4 海洋环境下混凝土墩柱的耐久性模拟 李根涛 ,方从启 ( 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学 院,上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要: 海洋环境条件下混凝土墩柱的耐久性配合比和构造一直是耐久性设计的重点 , 因耐久性设计不足给国
2、家和社会带来 了严重损失。 基于全寿命成本分析软件 l i f e 3 6 5 , 通过分析保护层厚度 、 水灰比、 掺合物、 扩散系数对氯离子侵蚀期的影响 , 得到了 如下结论 : 保护层厚度 的增加能极大地延长氯离子侵蚀期, 有效地延迟 了钢筋锈蚀发生的时间。 降低水灰比可以提高氯离子 侵蚀期 , 但增幅相对有限。 掺合料的种类和掺和量对氯离子侵蚀期的长短影响显著 , 添加掺合料对提高混凝土构筑物的耐久性 有着极大意义。 海洋环境下混凝土墩柱的耐久性不仅与扩散系数有关 , 还与水化系数有关 , 仅通过判断特定时间点氯离子扩散 系数大小无法判断其耐久性性能的优劣。 关键词 : 海洋环境 ;混
3、凝土墩柱 ;氯离子 ;侵蚀期 ;耐久性 中图分类号: T U5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 1 1 0 4 Du r a b i l i t y s i m u l a t i on o f c o n c r e t e pi e r s u n d e r t h e m a r i n e e n v i r on me n t LIGe nt a o, F ANG Co n gq i ( S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e , O c
4、 e a na n d C i v i l E n g i n e e r i n g , S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i ty , S h a n gha i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a ) Abs t r a c t : I t i s a l wa y s a f oc us po i n t o n t h e mi xt u r e r a t i o a nd s t r u c t u r e d e s i g n f o r t h e d u r a bi l i t y d e s i g
5、n wo r k s of c on c r e t e pi e r s u nd e r ma r i n e e n v i r o n me n t A h u g e l o s s h a s ma d e t o o u r c o u n t r y a n d s o c i e ty a s a r e s u l t o f l a c k i n g d u r a b i l i t y d e s i g n B y a n a l y z i n g t h e t h i c k n e s s o f t h e p r o t e c t i v el a
6、ye r , W C r a t i o, a d mi x t u r e s , d i f f us i o n c o e ffic i e n t S e f f e c t o nt h e c hl o rid ei o ne r o s i o np e r i o db a s e do nthel i f e c y c l e c o s ta na l ys i s s o f t wa r e l i f e - 3 6 5 , s o me c o n c l u s i o n s h a s b e e n o b t a i n e d a s f o l l
7、 o w: I n c r e a s i n g t h e t h i c k n e s s o f p r o t e c t i v e l a y e r c o u l d i m p r o v e t h e c h l o ri d e i o n e r o s i o n pe riod, whi c h me an t t he s t e e l c or r o s i o n t i me ha s be e n d e l a ye d Re d u c i n g t h e W C r a t i o a l s o c o ul d i nc r e a
8、 s e t h e c h l o r i de i o n e r o s i o n, b u t i t wa s v e ry l i mi t e d Adm i x tu r e t y p e s and a mo u n t s ma d e a g r e a t s i gni fi c a n c e t o i m p r o v e t h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s T h e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e p i e
9、r s d u r a b i l i ty i n t h e ma ri n e e n v i r o n me n t wa s n o t o n l y h a d a r e l a t i o n s h i p wi t h t h e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t , b u t a l s o r e l y i n g o n t h e h y d r a t i o n c o e ffic i e n t Aj u d g m e n t o f i t s d u r a b i l i ty p e r f o r
10、ma n c e c o u l d n t b e g o t j u s t f r o m a c e r t a i n t i me S d i f f u s i o n c o e ffic i e n t Kayw or ds : ma r i n e e n v i r o nm e n t ; c o nc r e t ep i e r s; c hl o r i d ei o n; e r o s i o npe r i o d; d u r a b i l i t y 0 引言 海洋环境下 , 氯盐的侵蚀会导致钢筋混凝土墩柱的钢筋 锈蚀 , 由此产生的锈胀最终将导致保护
11、层混凝土剥落 , 大大 加速内部钢筋的锈蚀速度 , 从而降低桥墩的承载能力, 导致 其出现耐久性破坏田 。 由于忽视 了前期的耐久性设计 , 不少设 计使用寿命 7 5 、 1 0 0 年的桥梁工程在使用 1 0 2 0 年便出现了 各种问题12 1 。 2 0 世纪 9 0 年代 , 中交四航局研究 院对华南地区 的湛江港 、 深圳赤湾港 、 惠州港等 2 0多个泊位码头进行调 查 , 发现仅经 1 0 年左右 , 不少钢筋混凝土设施 中便 出现 了锈 蚀裂缝 。 其中最严重的是修建于 1 9 9 2 年的惠州港油气码头 , 虽然仅使用 了 8 年 , 但锈蚀严重 , 不得不考虑停产修复网
12、。 因 此 , 海洋环境条件下钢筋混凝土桥墩的耐久性设计考虑不足 将会给工程的后期运营带来严重的维修与养护负担。 提高混凝土耐久性能的方法有很多 , 如选择高性 能混 凝土 、 添加阻锈剂 、 对构件进行表面涂层 、 钢筋表面涂抹环 氧树脂等。 这些方法既有其相应 的优点, 又需要一定的费用 , 确定耐久性设计最优策略 的最好方法就是采用全生命周 期费 用分析方 法 ( 1 i f e c y c l e c o s t a n a l y s i s , L C C A) 以减 少工 程使用寿命期间的总体 费用。 1 9 9 8 年 1 1 月 , 美 国国家标准及 技术研究所 ( N I
13、S T ) 、 美 国土木工程协会 ( A C I ) 和美 国材料试验协会 ( A S T M) 联 合赞助了一个名叫“ 钢筋混凝 土使用寿命 和寿命周期成本 预测模型” ( Mo d e l s f o r P r e d i c t i n g S e r v i c e L i f e a n d L i f e Cy c l e C o s t o f S t e e 1 R e i n f o r c e d C o n c r e t e ) 的工作室网 。 该 工作室发 布的 l i f e 3 6 5 预测模型不仅可以帮助工程师选择具有更好 抗侵蚀性能的混凝土 , 还为业 主
14、提供了各种提高混凝土使 用寿命 的成本分析方案 。 为了提高混凝土构筑物的耐久性水平, 我国颁布了一 系列的规 范和标准 , 本研究 以文献 6 为依据 , 结合课题 组铁道部项 目“ 高速铁路跨海大桥桥墩耐久性设计与安全 监测关键技术研究” , 基于全寿命分析软件 l i f e 一 3 6 5 计算氯 收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 1 1 7 基金项 目:国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 2 6 4 ) ; 铁道部科技研究开发计( J 2 0 1 1 G 0 0 3 ) l1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 离子环境下混凝土构件从服役到
15、内部钢筋产生锈蚀所需 时长的功能 , 通过分析保护层厚度 、 水灰 比、 掺合料用量对 氯离子侵蚀期的影响, 对海洋环境下混凝土墩柱 的耐久性 设计配合比进行优化模拟 。 1 氯 离子侵蚀相 关模型 1 1 氯 离子扩散模 型I 8 - 9 1 大量研究表 明 ,氯离子在混凝土 中的扩散 满足 F i c k 第二定律 : ! = D ( 1 ) a f a 式 中: C ( x , t ) 时刻 x 深度处氯离子浓度 , ; D扩散系数 , m2 s 。 t 时刻 深度处的氯离子浓度 C ( x , ) 满足 : c ( f )= c s _ l _ e 矿 l ) _ ( 2 ) 式中:
16、C ( , t ) f 时刻 处氯离子浓度 ; C 表面氯离子浓度 ; e ) 标准误差 函数。 最新研究表明, 扩散系数会 随着水化反应 的进行而 逐渐降低 , 满足 : D ( ) = D 衙 【 ) ( 3 ) 式 中: D ( t ) 时刻扩散系数 ; D f 2 8 d ) 时刻的扩散系数 ; m水化系数或扩散衰减系数 , 与掺合料品种和掺 合量有关。 水灰 比对扩散系数的影响: D : s = 1 0 ( 嘶 ( 4 ) 式中: D 2 8 2 8 d 时扩散系数 , m 2 s ; C 水灰比。 粉煤灰和矿粉掺合料对 2 8 d时的扩散系数无影 响, 但 粉煤灰和矿粉 的加入会使
17、水泥的水化反应变缓慢 , 从而影 响了扩散衰减系数 m: m= 0 2 + 0 4 ( F A 5 0 + S G 7 0 ) ( 5 ) 式中: F A粉煤灰用量 , ; S G矿粉用量 , 。 F A用量不超过 5 0 , S G用量不超过 7 0 ,因此 m不 大于 0 6 。 硅灰对扩散系数 的影 响为 : D D P c e m ( 6 ) 式 中: D 普通混凝土的扩散系数 ; S F 硅灰用量 , 。 反应不会一直进行 , l i f e 一 3 6 5 假定混凝 土浇筑 2 5 年后水化 反应停止, 扩散系数不再降低, 即 2 5 年后 m = O 。 另外 , 温度对也对扩散
18、系数有一定影 响。 。 c ,= D 耐 e (去 一 c7 式 中: D ( ) 时刻温度为 时的扩散系数 , m2 s ; D 时 2 9 3 K) 下的扩散系数 , m2 s ; 扩散过程中的活化能 , 3 5 0 0 0 J m o l ; R气体常数 , 8 - 3 1 4 J ( m o l K) ; 绝对温度 , K。 为 了简化分析 , 在此不考虑温度 的影响 , 假设全年 温 度保持 2 0 不变 。 1 2 墩柱表面氯离子浓度变化 对混凝土墩柱来说 , 其表面氯离子达到最大浓度需要 一 定的时间, 主要与其所处环境有关 。 其模 型如图 1 所示 。 时间 年 图 1 混凝
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