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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 ， 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 ) 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 。 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 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 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 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 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 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( 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 ， 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 值约为 0 0 5 ( C 1 一占 混凝土质量百分 比) ， 水变 区、 大气 区的 C 值 约为 0 1 0 。大桥的桥塔 、 墩柱 、 箱梁基本处 于大气区， 故取其钢筋锈蚀 的氯离子临界浓度为 o 1 0 9 6 ， 承台 钢筋锈蚀的氯离子临界浓度取 0 0 5 。 4 1 3 初 始氯 离 子浓度 根 据 混 凝 土 结 构 耐 久 性 设 计 规 范 ( GB 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) ， 桥 梁 等重 要 基 础 设 施 的初 始 氯 离 子 浓度应小于 0 0 8 ( 占胶材质量百分 比) ， 预应力结 构初始氯离子含量不大于 0 0 6 ( 占胶材质量百分 比) ， 折 算 成 占混 凝 土 质量 比分 别 是 0 0 1 3 和 0 0 1 。该实例 中， 桥塔 、 墩 柱、 承 台的初始 氯离子 含量 c 。 取 0 0 1 3 ( 占混凝土质量百分 比) ， 箱梁 c 。 取0 o 1 ( 占混凝土质量百分比) 。 4 2 预 测结 果 桥梁设计使用寿命 为 1 0 0年 ， 初步设计确定 的 桥塔 、 墩柱 、 承台、 箱梁的混凝 土保 护层厚度 C分别 为 5 0 ， 5 0 ， 6 O ， 4 5 mm。桥 塔和墩柱 主要承受 压力 ， 考虑到偏心受压可能会产生一些拉应力 ， 箱梁 主要 承受弯曲荷载 和预应力 的作 用， 本 文假定桥塔 、 墩 柱、 箱梁内部 的弯拉应力 水平为 1 5 ， 承台主要承 受压 应力 ， 考 虑一 定 的偏 心受 压 ， 假 定弯 拉应 力水 平 为 5 。根据选定的参数 ， 通过式 ( 2 ) ( 4 ) 计算满 足 1 0 o年使用寿命 的混凝土 2 8 d氯离子扩散系数 控制指标 D 考虑弯拉荷载影 响的氯离子 2 8 d扩 散系数控制指标为 D 计算参数及计算结果如表 2所示 。 表 2 耐 久性设计相关参数取值及计算 结果 由表 2数据可知 ， 对于桥塔和墩柱等处于大气 区的构件 ， 保护层厚度为 5 0 mm 时， 达到 1 0 0年设 计使用寿命要求的混凝土 2 8 d氯离子扩散 系数应 不大于 5 0 x 1 0 。m s ； 对 于处 于大气 区的箱梁 ， 保护层厚度为 4 5 mm 时 ， 扩散系数应不大于4 1 x 1 0 m s ； 对于处于水变区的承台 ， 保护层厚度为 6 0 mm 时 ， 混凝 土 2 8 d氯 离 子 扩 散 系 数 应 不 大 于 4 5 X 1 0 一 0 m s 5 结 论 ( 1 )弯拉荷载会增大海工高性能混凝土中氯离 子扩散速度 ， 应力水平越高混凝 土氯离子扩散系数 越大 。 ( 2 )其它参数一致 的情况下 ， 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 Do 与应 力水 平 r l 成 指 数关 系 。 ( 3 )结合菲克第 二定 律， 提 出考虑弯拉荷载影 响的桥梁混凝土耐久性设计方法。以某大桥为例 阐 述该设计方法 ， 通过选取环境条件、 构件参数、 环境 参数等 ， 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氯离子扩散系数指标 。 参 考 文 献 ： E l i胡斯 彦 ， 常英 ， 彭晓彬 ， 等鄂东 长江公 路大桥 桥塔关 键部 位混 凝土耐久性研 究 J 世 界桥 梁 ， 2 0 1 1 ， ( 4 ) ： 5 3 56 E 2 3宁伯伟京 沪高 速铁路济南黄河大桥混凝 土结构耐 久性 设计 _ J 桥 梁建设 ， g o o 6 ， ( s 2 ) ： 1 5 1 1 5 7 3 付燕弟 ， 范宏 ， 王鹏刚氯离子环境下钢筋混凝 土结构 的使用寿命 预测E J 青 岛理工 大学学报 ， 2 O l 1 ， 3 2( 4 ) ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 世 界 桥 梁 2 O 1 3 ， 4 l 1 ) l 8一 Z 2 4 高丽燕 ， 万小梅 ， 任心波持续荷载下混凝土的氯离子扩 散性能研究 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 2 ， ( 4 ) ： 2 1 2 5 5 章汉斌 ， 唐明翰 ， 张少俊杭州湾跨海大桥工程简介及若 干技术方案探讨r J 预应力技术 ， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 3 2 4 0 ， 6 王俊润扬长江公路大桥混 凝土 的研 究与应 用( 硕士 学位论 文) D 南 京 ： 河海大学 ， 2 0 0 5 ： 1 1 1 4 E 7 徐 强高性能海工混凝土在上海深水港工程 中的应用 技术研究 R 上海 ： 上 海市 建筑科 学研 究 院， 2 0 0 2 ： 1 9 25 8 何世钦 ， 贡金 鑫弯 曲荷载作 用对混 凝土 中氯离子 扩散 的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 2 ) ： 1 3 4 1 3 8 E 9 2 T h o ma s M D A，B e n t z E C L i f e 一 3 6 5 ， C o mp u t e r P r o gr a m f or Pr e di c t i ng t he Se r v i c e Li f e a n d I i f e Cyc l e Cos t s o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e E x p o s e d t o C h l o r i d e s Z 2 0 0 0 1 0 王 胜年 ， 潘德强 ， 王迎 飞， 等港珠澳大桥主体工程初步 设 计耐 久性评估 及耐久性 混凝土试验 专题研究 总报告 E R 广州 ： 中交四航 工程研究 院有 限公 司 ， 2 0 1 0 Du r a b i l i t y De s i g n o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s f o r Br i d g e s ，Co n s i d e r i n g Lo a d I nf l u e n c e ( 编辑 ： 陈雷) D ENG C h u n l i n ， XI O NG d i a n b o ， ， WANG Mi n g j u n ， 。 ， WA NG S h e n g n i a n ， ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f Du r a b i l i t y Te c h n o l o g y f o r Ha r b o r a n d M a r i n e S t r u c t u r e i n Tr a n s p o r t a t i o n I n d u s t r y ，Gu a n g z h o u 5 1 0 2 3 0，Ch i n a ；2 C CCC F o u r t h Ha r b o r Eng i n e e r i n g I ns t i t u t e Co ，I t d Gua n gz hou 51 0 23 0，Chi na ) Ab s t r a c t ：To pr o pe r l y gui de t h e de s i g n o f du r a bi l i t y a n d s e r vi c e l i f e o f c o nc r e t e s t r uc t ur e s i n ma r i ne e n vi r on me nt ，t e s t s we r e d o ne t o s t ud y t he i n f l u e nc e of f l e x ur a l t e n s i l e 1 o a d o n t he c hl o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e nt of c on c r e t e，a nd t o ge t h e r wi t h Fi c k S Se c on d La w ，a d ur a b i l i t y de s i gn m e t ho d f or br i d ge c o nc r e t e s t r u c t u r e s t ha t t a k e s a c c ou nt of l o a d i nf l u e nc e wa s p r o po s e d The r e s ul t s o f t h e s t u dy i nd i c a t e t ha t t h e r e l i e s i n a n e x po ne n t i a l r e l a t i o ns hi p b e t we e n t h e c o nt r ol i nd e x r a t i o o f t h e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f t h e s p e c i me n b e a r i n g f l e x u r a l t e n s i l e 1 o a d t o t h e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f t h e l o a d f r e e s p e c i me n( D Do )a n d t h e s t r e s s l e v e l( ) I n t h e l i g h t o f t h e t y pi c a l c o mpo ne nt s a nd t h e i r e nv i r o nme n t a l pa r a m e t e r s d e t e r m i n e d i n t he pr e l i mi n a r y d e s i gn o f a br i d ge i n Chi n a，t h e i nf l u e nc e o f f l e xu r a l t e n s i l e l o a d o n t he c hl o r i de d i f f u s i o n c o e f f i c i e nt o f c o n c r e t e wa s i nt r o du c e d，t h e c or r e s po nd i n g r e l a t i o n be t we e n t he d e s i gn s e r v i c e l i f e a nd t he c o nt r ol i nd e x o f c hl or i d e di f f u s i on c o e f f i c i e nt wa s e s t a b l i s he d，a nd t he c o n t r ol i nd e x o f 2 8 d c hl o r i d e di f f u s i on c oe f f i c i e nt ，whi c h me e t s t he r e q ui r e m e nt s o f t h e de s i g n s e r vi c e l i f e，wa s a l s o gi v e n Ke y wo r ds ： b r i d ge；c on c r e t e s t r u c t u r e； c hl o r i de di f f us i on c o e f f i c i e nt ；f l e x ur a l t e ns i l e l oa d； s t r e s s l e v e l ；du r a bi l i t y d e s i gn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m