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1、1 离岸深水港建设关键技术研究课题之十一离岸深水港建设关键技术研究课题之十一 海港工程混凝土结构耐久性寿命预测与健康诊断研究海港工程混凝土结构耐久性寿命预测与健康诊断研究 报报 告告 简简 本本 0. 引言引言 “海港工程混凝土结构耐久性寿命预测与健康诊断研究”是离岸深水港建设关键技术研究项目的组成部分，项目起始时间为 2006 年，于 2009 年 10 月完成全部研究工作。 “寿命预测与健康诊断项目”的研究目的，是通过室内研究、前期暴露试验综合分析研究和已建工程原型耐久性调查分析研究， 掌握海港工程混凝土结构耐久性关键技术参数的影响因素和变化规律，建立符合我国实际环境的海港工程混凝土结构寿
2、命预测模型，为新建工程耐久性和使用年限设计、工程耐久性质量控制提供技术依据；同时，开发针对已建工程的耐久性实时监控和预警新技术， 为及时掌握已建工程的健康状态和进行耐久性再设计提供技术指导。 本项目由中国交通建设股份有限公司和中交四航工程研究院有限公司承担，并联合中交天津港湾工程研究院有限公司、中交武汉港湾工程设计研究院有限公司、中交上海三航科学研究院有限公司、交通部公路科学研究所、南京水利科学研究院、西安建筑科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学等八家在行业内具有较高知名度与较强研究力量的研究院所与高校，共同进行科研攻关。 1. 基于原型观测与暴露试验的混凝土中钢筋锈蚀模型研究基于原型观测与暴露
3、试验的混凝土中钢筋锈蚀模型研究 1.1 国内典型环境地区原型海工混凝土结构耐久性调查国内典型环境地区原型海工混凝土结构耐久性调查 本研究通过普查和典型调查相结合的方式，对我国北方、华东、华北等典型沿海地区的海港工程混凝土结构开展原型调查工作， 主要工作内容包括工程原始资料与环境资料收集、结构腐蚀破坏情况统计、以及混凝土强度、保护层厚度、氯离子渗透参数、钢筋腐蚀电位、电阻率等耐久性参数的全面检测。原型调查提供我国海港工程腐蚀破坏现状的数据资料，并通过现场取样测试，得到了氯离子扩散过程中的临界浓度、表面浓度方面的统计数据，对于建立耐久性扩散模型具有重要的参考意义。 为了保证耐久性调查结果的代表性，
4、根据环境条件与结构物建设时间的不同，选择了北方地区 13 个泊位、华东地区的 11 个泊位、华南地区 11 座泊位进行了耐久性调查与检2 测；同时，为了拓宽研究范围，还选择了 5 座跨海或者沿海公路桥梁作为耐久性调查的对象。 腐蚀环境调查结果显示，我国沿海不同典型地区的海水氯离子浓度相差不大，硫酸根浓度普遍在 2g/L 左右的范围内变化，海水的 pH 值全部大于 7，结构物全部处于弱碱性的环境中。不同地区的腐蚀环境主要区别在于环境温湿度的差异上面：由于北方冬季气温较低，混凝土冻融循环腐蚀破坏仍是受冻地区需要值得注意的问题；北方、华东和华南所处环境海水中的氯离子、 硫酸盐含量以及 pH 值相差不
5、大， 呈现相似的氯离子腐蚀破坏规律，由于南方气温较高，华南地区的氯离子腐蚀破坏情况比北方、华东地区略显严重；相对来讲，海港工程混凝土碳化腐蚀破坏的速度远小于氯离子腐蚀破坏的速度，即我国海港工程混凝土结构氯离子腐蚀是导致的耐久性、结构破坏的主要因素。 海工结构物的耐久性调查结果表明， 施工质量的控制是保证海工混凝土结构耐久性的主要因素，保护厚度控制与混凝土浇筑质量是其中的关键问题。调查表明对混凝土耐久性具有重要影响作用的保护层厚度虽然总体能达到设计的规定要求，但负偏差普遍存在、甚至远超过规范规定的限值， 对混凝土保护层厚度的控制仍是施工质量控制所应重视的重要问题。 不同典型区域的混凝土表面氯离子
6、浓度存在差异： 北方地区码头构件混凝土的表面氯离子浓度为 0.5%左右；华东地区与华南地区的表面氯离子浓度测试数据离散程度较大，华东地区表面氯离子浓度的取值在 0.2%0.9%之间；华南地区表面氯离子浓度的范围在0.2%1.1%之间。 混凝土的扩散系数随着时间延长呈现降低的趋势。相同暴露时间下，华东地区浪溅区构件的扩散系数要高于北方地区，低于华南地区。 由于现场测试方法的局限性，码头调查中获得的混凝土临界氯离子浓度存在一定偏差，利用数理统计的方法对测试数据进行分析，可得出不同地区的临界浓度取值范围（以混凝土质量百分含量表示） ：北方地区码头的临界浓度范围为 0.0571%0.064%（总氯离子
7、浓度） ；华东地区码头构件的临界浓度范围为 0.0427%0.0649%（总氯离子浓度） ；华南地区码头构件的临界浓度范围为 0.0518%0.0824%（总氯离子浓度） 。 3 图图 1-1 外观调查结果外观调查结果 图图 1 1- -2 2 北方地区北方地区混凝土中钢筋表面的氯离子浓度与钢筋锈蚀状态混凝土中钢筋表面的氯离子浓度与钢筋锈蚀状态 4 图图 1-3 华东地区码头构件的酸溶性氯离子浓度与钢筋腐蚀状态的关系华东地区码头构件的酸溶性氯离子浓度与钢筋腐蚀状态的关系 图图 1-4 临界氯离子浓度（酸溶）取值范围临界氯离子浓度（酸溶）取值范围 1.2 海港工程暴露试验综合分析海港工程暴露试验
8、综合分析 本报告对我国北方、华东和华南四个暴露试验站前期试验数据进行了统计分析，这四个试验站分别是中交天津港湾工程研究院有限公司的天津港暴露试验站、 南京水利科学研究院拥有的连云港暴露试验站与海南八所港暴露试验站， 以及中交四航工程研究院有限公司的华南地区湛江港暴露试验站。位置示意图见下。 5 图图 1-5 暴露试验站位置分布暴露试验站位置分布 图图 1-6 暴露试件实物图暴露试件实物图 根据不同暴露试验站的测试数据与分析结果，可以得出我国北方、华东和华南沿海地区的混凝土结构中氯离子扩散过程存在较为一致的规律。比如： （1）混凝土的表面氯离子浓度随着时间的延长而逐渐增长，水灰比对暴露早期的表面
9、浓度取值有影响，掺入粉煤灰会明显增加混凝土的表面浓度。 （2）使用粉煤灰、矿渣等活性掺合料会显著降低混凝土的氯离子扩散系数； （3）扩散系数随时间增加呈现衰减的规律，其衰减系数 n 的影响因素较多。 在以上共同规律的基础上，从耐久性计算角度考虑，对北方、华东、华南地区的暴露试验数据进行了更深入地综合分析，提出了能够用于计算模型的、可以量化的混凝土表面氯离子浓度、临界浓度和扩散系数衰减值 n。 6 表表 1-1 暴露试验的表面氯离子浓度取值暴露试验的表面氯离子浓度取值 区域 暴露条件 最大表面氯离子浓度 （%） 年增长速度（%） 北方 水位变动区 硅酸盐水泥 0.80 0.20 粉煤灰 0.9
10、0.25 华东 浪溅区 硅酸盐水泥 0.9 0.10 硅灰 0.8 0.08 华南 水下区 0.7 瞬时变值 水位变动区 0.9 0.25 浪溅区 粉煤灰 1.0 0.15 矿渣、硅灰 1.0 0.12 硅酸盐水泥 1.0 0.10 表表 1-2 暴露试验的暴露试验的临界临界氯离子浓度取值氯离子浓度取值 地区 北方 华东 华南湛江 华南八所 临界浓度数据 - 0.025%0.143% 0.05%0.065% 0.0405%0.151 表表 1-3 华南暴露试验华南暴露试验 7 年年结果得出的结果得出的扩散系数衰减值扩散系数衰减值 n 胶凝材料种类 硅酸盐水泥 级粉煤灰 级粉煤灰 矿渣 硅灰 衰
11、减值 n 0.28 0.42 0.35 0.45 0.20 2. 氯盐侵蚀环境下的混凝土开裂过程研究氯盐侵蚀环境下的混凝土开裂过程研究 本项目以海港工程混凝土结构为对象， 重点研究海洋环境下混凝土中钢筋开始锈蚀至混凝土保护层开裂阶段的时间计算模型。 2.1 混凝土开裂混凝土开裂的的钢筋临界锈蚀深度模型钢筋临界锈蚀深度模型 通过理论分析，参考国内外有关研究成果，得出了混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的理论计算公式；然后通过电化学快速锈蚀试验，研究了不同强度等级、钢筋直径/保护层厚度比值、掺合料种类条件下，混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋锈蚀率，根据试验数据的回归分析，建立了混凝土保护层锈胀开裂时钢筋
12、锈蚀临界深度计算公式： 1.550.19 0.340.30 cr12320.151cwck k kfdbd=+（2-1） 2.2 混凝土电阻率计算模型混凝土电阻率计算模型 利用钢筋混凝土试件在不同环境条件下的电阻率测试结果，通过回归分析，综合考虑了水泥用量、水灰比、矿物掺合料与氯盐含量、温湿度等对混凝土电阻率的影响因素，建立了混凝土电阻率计算模型： 7 42 /(2.22 100.1884848.3516)w bClTxxKKKKK=+矿物掺合料环境（2-2） y = 1.0099x + 0.1347R2 = 0.9553010203040506070809010001020304050607
13、08090100公式计算电阻率实测电阻率图图 4-1 混凝土电阻率公式计算值与实测值对比图混凝土电阻率公式计算值与实测值对比图 2.3 混凝土中钢筋腐蚀电流密度计算模型混凝土中钢筋腐蚀电流密度计算模型 通过人工气候模拟试验研究，在国际公认的电流密度计算公式的基础上，利用试验数据回归分析了水泥用量、水胶比、掺合料、氯盐含量、保护层厚度、钢筋直径、温湿度等因素对电阻率的影响公式， 建立了综合考虑上述因素的混凝土中钢筋腐蚀电流密度的经验公式： 3 ,ln16.816 0.618ln3034/0.0285 10dmi RHK K KiClTT=+ （2-3） 2.4 混凝土开裂时间计算模型混凝土开裂时
14、间计算模型 根据法拉第定律， 结合混凝土中钢筋锈蚀开裂的临界深度公式与钢筋腐蚀电流密度计算公式，得出混凝土结构从钢筋锈蚀到保护层开裂的时间t1为： ()1 550 19 0 340 30 12313212 93116 8160 61830340 0285 10. . cdmi,RHwck k k.fdbdtK K Kexp.lnCl/ T.T+=+ （2-4） 3. 海港工程混凝土结构耐久性寿命预测计算机海港工程混凝土结构耐久性寿命预测计算机软件系统软件系统 在本专题的研究过程中，通过室内试验结果与暴露试验结果之间的复现试验，建立了室内试验方法与暴露试验方法之间的定量关系，进而在本项目相关专题
15、研究成果的基础上，利用计算机编程技术，编制了混凝土腐蚀诱导期与腐蚀发展期的寿命计算模型软件。 8 3.1 室内试验与暴露试室内试验与暴露试验的相关性研究验的相关性研究 选择 19 组暴露试件的混凝土配合比，在试验室重新成型，采用室内标准试验方法（NTBuild443）测量标准养护 28 天和 56 天的氯离子扩散系数，并与暴露试验反推得出的相同龄期的扩散系数相比较，建立室内标准试验方法与暴露试验结果之间的相关关系。 图图 3-1 NT Build 443 测试结果与暴露试验回归值的关系（测试结果与暴露试验回归值的关系（28 天龄期）天龄期） 图图 3-2 NT Build 443 测试结果与暴
16、露试验回归值的关系（测试结果与暴露试验回归值的关系（56 天龄期）天龄期） 根据试验结果， 室内标准试验方法获得的氯离子扩散系数要小于根据暴露试验数据反推出来的同龄期氯离子扩散系数，两种之间大致呈现线性关系，具体相关公式为： 28 天龄期：D回归0.404D室内 56 天龄期：D回归0.672D室内 3.2 耐久性模型参数取值耐久性模型参数取值 在室内标准试验与暴露试验测试结果关系的基础上， 利用本项目开展的工程调查与前期暴露试验综合分析，提出了用于耐久性设计的计算模型与关键参数取值。 （1）腐蚀诱导阶段 t0 9 预测腐蚀诱导阶段所经历的时间按下列公式计算： 20012014 = CCCCerfDctscr t（3-1） 氯离子的扩散系数是时间和温度的函数，可采用以下公式来计算有效扩散系数： n ref etreftttkkD
