考慮保護層施工偏差的混凝土結構耐久性設計

鄧春林，王勝年，熊建波，范志宏，涂啟華

（中交四航工程研究院有限公司，水工構造物耐久性技術交通運輸行業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510230）

0 引言

對于海工混凝土結構，混凝土保護層非常重要的功能是維護結構的耐久性，保護層太薄，空氣、水及氯離子易滲入，其結果可能引起鋼筋銹蝕并膨脹，從而使混凝土遭受破壞[1-2]。我國港口工程規(guī)范近30 a的修訂很大程度上體現了行業(yè)內對保護層問題的重視，規(guī)范關于海港工程浪濺區(qū)保護層厚度的規(guī)定見表1。

表1 港口規(guī)范浪濺區(qū)保護層厚度的規(guī)定Table 1 The thickness of concrete cover in splash zone required by port specifications

20世紀80年代海港碼頭調查結果表明：我國于80年代前建成的高樁碼頭混凝土結構大部分僅5～10 a就出現銹蝕破壞，即使加上鋼筋銹蝕開裂的時間，耐久性壽命也就是20 a左右[7]。20世紀90年代末期，對執(zhí)行JTJ 228—1987規(guī)范的部分港口進行了調查，調查時結構已使用了10 a左右，基本上未出現嚴重破壞現象[8]，說明87規(guī)范對混凝土耐久性指標的修訂，對提高海港工程混凝土耐久性效果是顯著的。根據耐久性預測推算，按87規(guī)范設計施工的海港碼頭使用壽命可達30 a[9]。2000年頒布的《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》對南方地區(qū)處于浪濺區(qū)的混凝土最小保護層厚度提出了更高要求，從原來的60 mm增加至65mm。2012年頒布的《海港工程高性能混凝土質量控制標準》將北方地區(qū)浪濺區(qū)的最小保護層厚度從50 mm提高到60 mm。近30 a來，規(guī)范對浪濺區(qū)混凝土保護層最小厚度的規(guī)定從40～50mm增加到60～65mm。為調查規(guī)范的執(zhí)行效果，中交四航工程研究院有限公司等單位對近30 a來設計施工的港口碼頭進行了大量調查[10]，分析了保護層厚度設計值、標準差的變化趨勢，研究了標準差與保護層厚度設計值的關系，并將研究結果引入結構耐久性壽命預測模型，可供海港工程耐久性設計和評估參考。

1 碼頭保護層厚度統(tǒng)計分析

1.1 檢測數據

根據北海救助基地碼頭（1999年）、霞海501碼頭（1993年）、赤灣港泊位（1986年）、湛江港305（1978年）、湛江港400（2003年）、湛江港407-409（1994年）、湛江港410-411（2003年）、鹽田港區(qū)二期碼頭（1999年）、鹽田港三期碼頭（2004年）等工程的實際保護層厚度調查資料，按正態(tài)分布對混凝土保護層厚度進行了統(tǒng)計分析[11]，共58組數據，每組數據的平均值、標準差等數據約由100～300個實測保護層數據統(tǒng)計分析，如表2所示[12]。

表2 碼頭構件保護層厚度Table 2 The thickness of concrete cover of wharf component

1.2 保護層厚度發(fā)展趨勢

從表2中數據可以看出，近30 a來，所調查的碼頭工程混凝土構件的保護層厚度介于45～100mm之間，保護層厚度的標準差介于3.933～9.488之間，平均值為5.782。實測保護層厚度平均值有些大于設計值，有些小于設計值，總體看，所有調查工程的保護層的實測值比設計值大1.7 mm。2000年以后建設的碼頭，偏差主要是正偏差，正偏差的平均值為3.5mm。

1.2.1 保護層厚度絕對值的變化趨勢

根據表2的調查分析數據，對近30 a的工程保護層厚度設計值進行統(tǒng)計的結果如表3所示。

表3 近30 a保護層厚度設計值、實測值的變化趨勢Table 3 Variation tendency of design value and measured value of the thickness of concrete cover in the past30 a

從表3的數據可看出，近30 a來，保護層厚度設計平均值總體趨勢是逐漸提高，從1978年的50mm提高到2004年的75mm，保護層厚度實測平均值也逐年提高，從1978年的51.1mm提高到2004年的78.0mm，變化趨勢見圖1所示，保護層厚度的設計、實測值與同期規(guī)范的規(guī)定值的變化趨勢基本相當?？梢哉f，相關規(guī)范對保護層厚度的規(guī)定在設計和施工環(huán)節(jié)得到了較好的執(zhí)行。

圖1 近30 a保護層厚度變化趨勢Fig.1 Variation tendency of the thickness of concrete cover in the past30 a

1.2.2 保護層厚度標準差變化趨勢

根據表2的調查分析數據，對近30 a工程保護層厚度實測數據按正態(tài)分布進行統(tǒng)計分析，得到近30 a保護層厚度標準差的變化趨勢見表4。

表4 近30 a保護層厚度標準差的變化趨勢Table 4 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover in the past30 a

根據表4的數據，由于1978年的數據較少，代表性不強，剔除該年的數據后保護層厚度標準差的變化趨勢見圖2?？梢钥闯觯?5 a來，保護層厚度的標準差與上世紀80年代相比，略微有降低的趨勢，體現了近15 a來保護層厚度的控制水平有一定的提升。

圖2 保護層厚度標準差變化趨勢Fig.2 Variation tendency of the standard difference of the thickness of concrete cover

1.3 標準差與設計值的關系研究

標準差的絕對值對耐久性評估和設計中保護層厚度的取值至關重要，標準差越大，在保證率相同的情況下，保護層厚度的計算取值就應降低，也就是說構件的壽命就會降低。筆者根據大量港口碼頭的保護層厚度的調查數據，研究了標準差與設計值之間的關系，如表5所示。

表5 保護層厚度標準差與設計值的關系Table 5 Relation between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

圖3 保護層厚度標準差與設計值的比值關系擬合Fig.3 Fitting of the ratio between the standard difference and the design value of the thickness of concrete cover

由表5的數據可知，隨著保護層厚度設計值的增大，標準偏差與保護層厚度的設計值的比值逐漸減小，見圖3所示。根據擬合的關系：

式中：σ為保護層厚度的標準差；cd為保護層厚度的設計值。

2 保護層厚度偏差在結構壽命預測模型的應用

菲克第二定律被廣泛用來模擬氯離子在混凝土中的遷移規(guī)律，在環(huán)境、構件參數一定的條件下，構件滿足設計使用年限t年的混凝土氯離子擴散系數的控制指標見式（2）[6，12]。

式中：c為混凝土保護層厚度，mm；t為構件的設計使用年限，a；erf為誤差函數；Cs為混凝土表面氯離子濃度；C0為混凝土中初始氯離子濃度；Ccr為鋼筋發(fā)生銹蝕的臨界濃度；Drcm為根據GB 50082—2009測定的齡期trcm時氯離子擴散系數，m2/s；U為混凝土氯離子擴散過程的活化能，35000 J/mol；R 為理想氣體常數，8.314 J/K/mol；T0為參考溫度，293 K；T為混凝土的溫度，南方地區(qū)一般取25℃；trcm為混凝土擴散系數的測試齡期，a；t0為氯離子擴散系數的衰減周期，參考值為25 a；m為擴散系數的齡期衰減系數，取值參照《海港工程高性能混凝土質量控制標準》。

取外層鋼筋表面氯離子濃度達到臨界濃度Ccr為耐久性設計極限狀態(tài)（設計使用壽命），可以計算出具體構件滿足設計使用壽命t年時，混凝土試件氯離子擴散系數Drcm的控制值。

式（2）中的c目前一般按保護層厚度的設計值進行計算，但根據本文第1節(jié)的分析，施工時保護層厚度會出現較大偏差，根據統(tǒng)計規(guī)律發(fā)現，保護層厚度按照正態(tài)分布，按照95%的概率保證率，保護層厚度的計算值應小于設計值，計算值cc=cd-1.645σ，代入式（1）可得：

式中：cc為混凝土保護層厚度計算值，mm；cd為混凝土保護層厚度設計值，mm。

根據式（3）對式（2）進行修正，可以看到，考慮保護層厚度偏差的影響，公式修正為：

3 結語

1）港口碼頭保護層厚度設計值和實測值從1978年的50mm左右增加到2004年的75mm左右，保護層厚度的設計和實測值與同期規(guī)范的規(guī)定值的變化趨勢基本相當，相關規(guī)范對保護層厚度的規(guī)定在設計和施工環(huán)節(jié)得到了較好的執(zhí)行。

2）得出了保護層厚度標準差與保護層厚度設計值之間的統(tǒng)計關系，并將研究結果引入結構耐久性壽命預測模型，供海港工程耐久性設計和評估參考。

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