10-刘秉京-桥梁混凝土结构使用寿命设计1

桥梁混凝土结构使用寿命设计中港二航局科研所刘秉京公路桥梁、海岸或跨海桥梁受到除冰盐或海盐侵蚀很容易遭到破坏。桥梁、建筑物，停车场和海工结构物的破坏机理，说明桥梁和海工结构物环境中氯盐侵蚀作用是结构破坏的主要原因。许多措施用来减轻钢筋锈蚀的破坏，但基本措施是钢筋与外界环境之间有一定厚度的保护层且保护层混凝土性质优良，这就是要采用掺高效减水剂和混合材的高性能混凝土。硬化水泥石由于化合作用和物理吸附具有结合氯离子的能力。氯离子与未水化铝酸盐相反应生成菲德尔盐，同时氯离子能与CSH相互作用。水泥石结合氯离子的能力很大程度上取决于CSH凝胶的数量，也受到CSH比表面积的大小的影响，比表面积大的CSH结合较多的氯离子。孔隙溶液中阳离子性质影响其吸附作用。水泥石组分上的钙离子增加表面正电荷，由于表面平衡需要导致氯离子的富集。水泥石的凝胶孔隙增加显著降低扩散系数，即水泥石中C—S—H相的增加会降低氯离子的扩散速度，混凝土中集料既会使氯离子的路径弯曲在集料颗粒周围形成的界面相变区又易于离子和液体的流动，试验指出界面区的有效扩散系数要比水泥石体大6-12倍。钢筋表面有钝化膜厚30~40A，如果把钝化膜叫做第一界面，那么在钢筋与水泥石之间还存在第二界面，主要是CSH，还有氧化铁和氢氧化铁，厚度大于200A，高性能混凝土能改善第二界面，减少了氯离子的侵入，保护钝化膜，减少对钝化膜的攻击，界面区反应性SiO能引起钝化膜整合硅酸铁，增强了对氯离子攻击的抵御，当然高性能混凝土也降低了氯离子在保护层中的扩散。如果混凝土电阻很高，会缩小坑蚀之间的距离，阴极区面积减少，会降低腐蚀的速度，由于坑蚀数量增加，高性能混凝土会减少钢筋的腐蚀量，钢筋断面减少的严重性也会降低。高性能混凝土对引发锈蚀和锈蚀扩展和作用是：1、由于改善了钢筋与混凝土的界面，特别第二界面层的质量，发生坑蚀的数量会减少。2、由于混凝土电阻增高，形成的坑蚀较小。过去为提高混凝土耐久性，避免结构过早破坏，大部分规范规定了允许的最大水灰比、最小水泥用量，并规定保护层厚度，以及粗集料最大粒径等。这样可以保证混凝土结构使用较长的时期，但只是更耐久了，缺乏使用年限的概念，根据环境对结构的影响、破坏机理和随着时间的推移结构材料的衰减过程，就可以以概率和性能为基础计算其大致的使用年限。Duracrete耐久性设计的根据是：１、根据结构破坏型式实际的和充分准确的定义环境作用（大环境，侵蚀级别）。２、混凝土和钢筋的材料参数。３、结构破坏过程的数学模型。４、以极限状态表示的现场性能。５、可靠度。在结构设计中结构抗力和荷载都不是随时间而变的，但这不是实际情况,侵蚀荷载随着时间而变化，而承载能力也有衰减的变化，考虑这种影响作用，使用寿命概念可以写成下式：PfT=P(R—S＜0)T＜PTarget=φ(-β)式中：PfT—在T期间内结构破坏的概率Ptarget=可接受的破坏概率的最大值φ—标准正态分布曲线β—可靠度系数T—设计使用年限。侵蚀荷载与抗力变量荷载变量抗力变量Cs=表面氯离子浓度X（t）=要求的混凝土保护层D=DRCM,0KeKc(t0/t)n=扩散系数Ccr=临界浓度下图表示与钢筋锈蚀有关的混凝土的性能（破坏曲线）和相应的极限状态，一般来说，脱钝和开裂表示服务能力或使用可靠性的极限状态，剥落和坍塌表示终极极限状态，其中剥落和耐久性与安全性均有关。耐久性设计需要分析结构所处的环境作用及其破坏机理。需要有数学模型描述破坏过程，抵抗破坏过程的的结构材料抗力的变化。最重要的与耐久性设计有关的是要确定材料和结构在环境作用下的性能的变化。氯离子的入侵是一个复杂的过程，普遍认为它主要是扩散过程，在许多情况观察到的混凝土氯离子分布曲线能够用扩散理论拟合，用fick第二定律求解“表观扩散系数”，进而求解使用年限或要求的保护层厚度，氯盐引起的锈蚀可用下述模型表示锈蚀的发生。nceORcMtttKkDKtX0,2)(scrCCerfK11式中：X（t）—要求的保护层厚度DRCM，0—试验室快速氯离子迁移试验确定的扩散系数Ke—环境系数（实际环境等级）KC—养护系数（实际养护龄期）t—要求的使用年限n—龄期系数（依使用年限确定）Ccr—临界氯离子浓度Cs—表面氯离子浓度荷兰西谢尔德(Scheldt)隧道由两个直径为10.3m的管道组成，隧道长6.5km，1999年兴建，2003年开放交通，耐久性设计要求使用寿命100年，在Duracrete设计方法的基础上进行使用寿命设计，在结构设计的极限状态的条件下，要结合考虑碳化和氯盐腐蚀，进一步加上了减少修复概率的极限状态，减少修复的定义是防止锈蚀的发展,减少修复的概率的极限状态认为是可服务的极限状态,可服务极限状态的可靠度系数规定为β=1.8，对于终极极限状态β=3.6。挪威海洋环境桥梁表面氯离子浓度分布瑞典公路桥梁一个混凝土柱从氯离子分布图计算得到的扩散系数的变化使用寿命设计具有不确定性，对于很重要的结构应加强结构的耐久性管理与维护，埋设耐久性检测元件，对混凝土性能的变化实行检测，国外许多大桥在应用高性能混凝土的同时采用了其他保护措施，同时预留有阴极保护，有的公路桥梁采用电化学除氯离子技术减轻钢筋锈蚀破坏。大型桥梁如跨海桥梁应前期进行耐久性研究，在结构设计的同时应进行使用寿命设计，应成为规范。过去25年观察到挪威北海严酷环境中的海洋混凝土结构要比陆上混凝土结构要好得多，这里除了增加了保护层厚度和混凝土质量外，非常严格质量保证和质量控制是很重要的一个方面，这说明虽然环境恶劣，只要采用优质混凝土，合理的保护层厚度，严格施工质量控制，可以延长结构使用寿命。谢谢！