考虑荷载影响的桥梁混凝土结构耐久性设计.pdf
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1、考虑荷载影响 的桥梁混凝 土结构耐久性设计 邓春林 , 熊建波 , 王明军 , 王胜年 1 3 考虑 荷载 影响的桥 梁混凝土结构耐久性设计 邓春林 。 熊建波 , 王明军 , 王胜年 - ( 1 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 5 1 0 2 3 0 ; 2 中交四航工程研究院有限公 司, 广东 广州 5 1 0 2 3 0 ) 摘要 :为更好地指导海洋环境 昆 凝土 结构 耐久性使用寿命设 计 , 采 用试验研 究弯拉荷 载对混凝 土氯离子扩 散系数的影响 , 结合菲克第二定律提 出考虑荷 载影 响 的桥梁混 凝土结 构耐久 性设计 方法 。研究 结果表 明 ,
2、 承受弯 拉 荷载与不承受荷载试件扩散 系数 控制指标 的比值 D D。 与 应力水平 成 指数关 系。针对 国内某 大桥初步 设计 确定的典型构件及所处环境参 数等 , 引入弯拉荷载对混 凝土氯离子扩散系数 的影 响 , 建立 了“ 设 计使用寿命 一氯离 子扩散系数控制指标” 间的对应关系 , 给出了达到设计使用寿命要求 的 2 8 d氯离子扩散系数控制指标 。 关键词 : 桥 梁; 混凝 土结构; 氯 离子扩散 系数 ; 弯拉荷载 ; 应力水平 ; 耐久性设 计 中图分类号 : U4 4 5 5 7 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 3
3、) 0 1 0 0 1 3 0 4 1 前 言 现有桥梁混凝土结构耐久性研究主要集中在内 河桥梁l 1 , 随着大量跨海大桥的规划建设 , 迫切需 要研究海洋环境下基于氯盐腐蚀的混凝土结构耐久 性设计模型。但是 目前针对混凝土结构耐久性寿命 预测的模型大部分基于菲克第二定律 , 基本 没有考 虑荷载因素对结构耐久性 的影响口 。 钢筋混凝土结构长期承受弯拉荷载作用会诱导 微裂纹的形成与扩展, 为外界侵蚀介质提供便捷通 道, 加速氯离子渗透和钢筋锈蚀 , 导致结构提前失效 。 混凝土承受的拉应力越大, 混凝土氯离子扩散系数也 相应 增大 。本 文通 过 室 内试 验研 究 混凝 土 氯 离子 扩
4、散系数与弯拉荷载应力水平的关系, 结合基于菲克 第二定律的构件寿命预测模型, 进行 国内滨海环境某 大桥 混凝土结 构耐久性设计 。 2 弯拉 荷 载对 氯离 子扩 散 系数 的影 响 2 1 试 件成 型 桥梁混凝土结构较多采用 C 4 0 C 5 0等级的混 凝 土 7 , 水 胶 比一 般 为 0 3 2 0 3 6 。按 照水 胶 比 0 3 5 、 胶凝 材料用量 4 2 0 k g m。 ( 其 中粉煤灰 掺量 2 O , 矿 粉掺 量 4 0 ) 成 型 1 0 0 mmx 1 0 0 mm5 0 0 mm 的混凝土试件 , 测定弯拉荷载对混凝土氯离子 扩散 系数 的影 响 。
5、试验 原材料 : 水泥为广州市珠江水泥有 限公司 生产的粤秀 P4 2 5级硅酸盐水泥; 粉煤灰为沙 角电厂提供的 I级粉煤灰 ; 矿粉为韶钢嘉 羊 $ 9 5矿 粉 ; 细骨料为西江中砂 ; 粗骨料为惠州粲泰基石场生 产 的 5 2 0 mm 的粗 骨 料 ( 花 岗岩碎 石 ) ; 减水 剂 为 聚羧酸高效减水剂 , 减水率为 2 5 2 。 2 2 试 验方 法及 过程 为研究弯拉荷载与腐蚀介质耦合作用下 的混凝 土耐久性 , 设计如图 1 所示的加载装置 8 , 加载过程 如 图 2所 示 。弯拉 荷 载试 验 的试 件 采 用 i 0 0 mm i 0 0 mr n 5 0 0 mm
6、 的试模成型 , 由于加载是采用钢 连杆 , 在 试 模 侧 面距 两 端 5 0 mi D 中 心 处 预 留 2个 2 O mm的圆孔 , 成 型时穿插 1个 内径为 1 8 mm 的 塑料管。共成型 5组混凝土试件 , 每组 2 块 , 混凝土 标养至 2 8 d , 用环氧树脂密封试件的 5面 , 留 1 个暴 露 面用 于试验 。 J = , L _广 _rJ 一 : 一 卅 , 0 _ L 且 巨 : 1 二 试块 图 1 加 载装 置示意 弯拉荷载采 用 四点抗弯加载方式 , 应力水 平 分别 为 2 8 d抗 折 强 度 的 0 9 6 、 1 0 9 6 、 3 0 、 4
7、0 、 5 O 。试件加载后移人海水模拟 试验箱进行 6 0 d 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 6 1 4 基金项 目: 国家十一五科 技支撑计 划项 目( 2 0 1 1 BA G0 7 B 0 4 ) 作者简介 : 邓 春林 ( 1 9 8 2 一) , 男 , 工 程师 , 2 0 0 4年毕业于武汉理工大学材料科学与工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 7年 毕业于华南理工 大学材料学专 业 , 工 学硕 士( E ma i l : d c h u n l i n g z p c c c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 世
8、 界 桥 梁 2 0 1 3, 4 1 ( 1 ) 图 2加 载 试 验 照 片 暴露试验 , 试验结束后在试件 中心i 0 0 m m区段位置 ( 纯弯段的受拉区) 沿渗透方向按 1 , 2 , 3 , 4 , 6 , 8 , 1 0 , 1 2 mm分 8层钻取粉样, 测试混凝土中氯离子含量。 2 3 试 验结 果 应 力水 平 刁为 0 、 1 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的 试 件各层混凝土氯离子浓度测定值如图 3所示 。由图 3可 知 , 混 凝 土 中氯 离 子 浓 度基 本 上 随 着 应 力水 平 的增大而增大 , 利用最小二乘法回归拟合氯离子扩 散系数 , 结 果
9、 分别 为 0 9 1 1 0 , 1 1 1 1 0 。 , 1 4 7 1 0 一 , 1 7 9 1 0 一 , 2 1 7 1 0 一 m。 s 。 图 3各 层 混 凝 土 中 氯 离 子 浓 度 表 1 列 出 了不 同应力 水平 下 氯离子 扩散 系数 的 拟合 值 。分析 可知 , 相 比无荷 载作 用 时 , 应力 水平 为 1 0 、 3 0 、 4 0 、 5 O 9 6 时 , 氯 离子 扩散 系数 分别 为无 荷载 时 的 1 2 2 , 1 6 2 , i 9 7 , 2 3 8倍 。 因此 , 为 了满 足一定的使用寿命 , 混凝土承受弯拉荷载时, 氯离子 扩散系
10、数的控制指标应当分别为无荷载时控制指标 的 0 8 1 9 , 0 6 1 9 , 0 5 0 8 , 0 4 1 9倍。 以 D D 。为因变量 , 应力水平 7 为 自变量 , 经 过拟合, 荷载作用下扩散 系数 的控制值 与无荷载作 用时的控制值的关系如式( 1 ) 所示。弯拉荷载应 力 水平对混凝土氯离子扩散系数的影响如图 4所示。 D Do一 0 9 9 5 e 。 ( 1 ) 表 1 弯拉荷载应力水平对氯离子扩散系数的影响 1 D1 0 一 1 T I s 一 D Do 式 中, 7 为弯拉荷载应力水平 ; D 为 作用时混凝土 氯离子扩散系数指标 ; Do为无荷载作用下混凝土氯
11、离子扩散系数控制指标; 拟合相关系数 R 一0 9 9 5 7 。 xa 0 6一 籁 2 O 3 O 4 0 5 0 应力水平 n 图 4 弯拉荷载应力水平对混凝土 氯离子扩散 系数的影响 由图 4可 知 , D D。与应 力 水平 具有 很 好 的 指数相关性 , 即随着应力水平的提高 , 混凝土氯离子 扩散系数的变化率呈指数降低 。 3 基于 菲克 第二定 律 的构 件 寿命预 测模 型 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 , 见式 ( 2 ) 。 一 D 舅 a f a z 、- 式中, c为混凝土 中的氯离子浓 度( 占胶凝 材料质 量 ) ; 为氯离子在混凝土
12、中的扩散时间( 年) ; z为 离混凝土表面的厚度( ram) ; D 为氯离子在混凝土 中的有效 扩散 系数 ( ram 年) 。 假定混凝土表面氯离子浓度 C 、 混凝土中初始 氯离子浓度 C 。 , 取? 昆 凝土中钢筋表面的氯离子浓度 达 到临界 浓度 C 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 , 氯离 子有效 扩散 系数 D 的控 制值 , 见式 ( 3 ) 。 Ca 4 ( 一 ) ( 3 ) 式中, c 为混凝土保护层厚度 ; e r f 为误差函数。 根据 l i f e 一 3 6 5研究成果 , 混 凝土
13、试件 氯离子 扩散系数 D 与有 效扩散 系数 D, 之 问的关 系见 式 ( 4 ) 。 一 D ,e x p - 1 ( 去 一 ) ( t rvm 嘶 蛎 们 邪 O O O O 0 O O O 0 O 0 9 6 ( 卿蟋 爨 一 世矮 罐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 考虑荷载影响 的桥梁混凝 土结构耐久性设计 邓春林 , 熊建波 , 王 明军 , 王胜年 1 5 式中, D为根据 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验 方法 标 准 ( GB 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ) 测 定 的 龄 期 t ( 本文为 2 8 d ) 时氯离子扩散系数(
14、 m。 s ) ; U为混凝 土氯离 子 扩散 过程 的活 化 能 , 为 3 5 0 0 0 J mo l ; R 为 理想气体常数 , 为 8 3 1 4 J K mo l ; T o为参考温度 , 为 2 9 3 K; T为混凝 土 的温 度 , 取 2 5 ; t 。为氯 离 子 扩散系数的衰减周期 , 参考值为 2 5年 ; m 为扩散系 数的龄期衰减系数 , 当掺入 2 O 粉煤灰和 4 0 矿粉 时, 衰减系数 的取值为 0 5 9 。 4 某大 桥 主要构 件 耐 久性 设计 4 1 基 本参 数 的选 取 4 1 1 表 面氯 离子 浓度 某大桥处于咸淡水交汇的滨海 区域 ,
15、 为 了确定 构件表面的氯离子浓度 C , 对附近类似工程进行了 调研 , 测定了处于水位变动 区的承 台 昆 凝 土中氯离 子分布情况 , 并利用菲克第二定律进行 曲线拟合 , 得 到承台理论表面氯 离子浓度 C 为 0 4 9 6 ( C I 一占混 凝土质量百分 比) 。大桥 的承 台处于水变 区 , 而桥 塔 、 墩柱处于水上区, 理论上表面氯离子浓度应 比承 台表面低 , 但为了保障耐久性设计 的安全性 , 表面氯 离 子浓 度 C 统一 取 0 4 9 6 。 4 1 2 临 界氯 离子 浓度 根据我 国华南地 区海港码头调查结果l 】 , 参考 国外相关 资料 , 浪溅 区的 C
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