摘要：本文针对氯盐侵蚀的预应力混凝土结构，讨论了氯离子在应力、温度、湿度等影响因素下扩散系数的计算。运用可靠度理论，提出了预应力混凝土在氯盐侵蚀下的结构可靠度分析模型。
关键词：混凝土；氯离子；预应力；可靠性
引言
预应力混凝土结构由于抗裂性好、刚度大、节省材料、自重轻、提高耐疲劳性等优点，在我国港口码头、跨海桥梁等对承载力要求较高的大型海洋工程中具有广泛的应用。然而预应力混凝土结构所处环境比较复杂，不可避免的要面临碳化、盐冻融蚀、应力腐蚀等耐久性问题。在各种工矿中，海洋环境下氯离子的腐蚀最为严重。钢筋腐蚀严重影响了结构的正常使用，从而提前导致结构失效，没有达到预期的使用期限，从而造成对资源的严重浪费。虽然预应力混凝土结构严格控制变形和裂缝，比普通钢筋混凝土结构抗侵蚀能力强，但是预应力构件往往处于结构的关键部位，其结构应力值更高，在氯离子作用下钢筋一旦锈蚀对整个结构的伤害将是十分致命的，尤其是对于大型结构，因耐久性导致结构构件的失效将引发灾难性的后果。在海洋环境下，氯离子对预应力结构的侵蚀效应更为显著。因此，在预应力混凝土结构遭受氯离子侵蚀的前提下，确保了结构及其部件在预定条件下以及预定维护和使用条件下在预定时间段内保持其所需的最低性能要求的能力。
1氯离子在混凝土中扩散模型
氯离子在混凝土中的迁移极为复杂，结合扩散、毛细吸入、渗透等运动形式，除了受混凝土白身性能的影响外，还受到各种环境因素的影响，因此是一个非稳定的过程。当前理论一般认为氯离子在混凝土中的侵入方式以扩散为主，满足Fick第一扩散定律。
当前多运用第二扩散定律来描述氯离子侵入混凝土的扩散过程。在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。即
式中，c为氯离子浓度，常用混凝土中的氯离子质量与混凝土中胶凝材料质量的比值（%）表示；D为第二定律中的扩散系数；t为暴露时间（s）；x为距离混凝土构件表面的深度（（m）。
假设混凝土为半无限体，在混凝土表面处的氯离子浓度为定值CS，即C（x = 0，t）=CS，混凝土内的初始氯离子浓度为0，即C（x，t=0）=0，混凝土无限远处内部初始氯离子浓度为C0，即C（
，t=0）=C0，
式（3-1）
则解析解为
其中erf（z）为误差函数，表达式为
2预应力混凝土氯离子侵入模型
2.1应力状态
考虑到预应力结构混凝土长期处于高应力状态下，可以用混凝土的应力水平（应力值与极限强度的比值）描述结构应力状态对氯离子扩散系数的影响，具体表达式为
式中：
为经验系数。
2.2温度影响
环境温度也是影响扩散系数的一个重要因素，根据Stephen建立了氯离子扩散系数与环境温度之间的关系：
式中：T和
分别为暴露条件的平均温度和参考温度（K）。q为活化常数，其值与水灰比有关，W /C为0.4，0.5，0.6时，相应的q取值分别为6 000，5 450，3 850K。
2.3混凝土水化影响
混凝土氯离子扩散系数与混凝土水化时间有着密切的关系，则依赖性关系为
式中：m为常数，取值为0.64。
2.4湿度影响
氯离子在混凝土内部扩散，其扩散系数同样受相对湿度影响。水是氯离子在混凝土中扩散的载体，若混凝土中相对湿度较低，则氯离子的扩散速度降低。反之，混凝土内部相对湿度越大，氯离子扩散也越快。因此，需考虑湿度变化对氯离子扩散系数的影响：
式中，RH为混凝土中的相对湿度值;
为临界相对湿度，一般取 
因此，预应力混凝土中氯离子扩散系数D可调整为：
在初始和边界条件下，氯离子扩散方程可以改写为：
3氯离子临界浓度时变模型
氯离子扩散到钢筋周围引起钢筋去钝化的最高浓度称为氯离子的临界浓。Frederikern等人在试验基础上，大致认为氯离子浓度大致服从正态分布。本文亦采用正态分布，氯离子临界浓度Cruit密度函数表示为：
式中：Cr----氯离子临界浓度
---- Cruit的均值和方差
由于受到混凝土配合比、水泥品种、湿度、钢筋表面状态等影响，，随着氯离子侵蚀深度的增加，结构损伤的积累，氯离子临界浓度值在逐步衰减，因此有必要对临界浓度值Cruit进行修正。于是，提出临界浓度值Cruit修正值如下：
式中：
------临界浓度值Cruit修正值；
T------结构使用年限；
k1，r------分别为衰减系数及函数的幂，由试验参数和工程经验参数确定。
4预应力混凝土结构中钢筋初始锈蚀可靠性分析
当混凝土结构中钢筋周围氯离子浓度达到临界值时，钢筋的钝化膜被破坏，开始锈蚀。氯离子临界浓度和钢筋表面的氯离子浓度是影响混凝土中侵蚀的最重要因素。
预应力混凝土中钢筋初始锈蚀的极限状态方程为：
Z =
预应力混凝土中钢筋在氯盐侵蚀下初始锈蚀的概率为：
式中，Z为预应力混凝土抗氯盐侵蚀的功能函数;
为预应力混凝土中氯离子临界修正浓度;
为修正后的预应力混凝土中氯离子扩散方程。由于Z
服从正态分布，其平均值和标准差表示为：
则结构可靠度为
由此得到预应力混凝土钢筋遭受氯盐侵蚀的概率为：
小结
本文基于随机变量的概率统计特征与工程结构可靠度分析方法，通过研究氯离子扩散模型及其概率分布特征，进行了可靠性分析。提高预应力混凝土结构在氯盐侵蚀下的可靠性，仍需要进行大量研究和探索。在混凝土材料耐久性和氯盐导致钢筋锈蚀等研究领域取得重大突破的前提条件下，同时运用钢筋防腐涂层、阻锈剂和混凝土表面外防护等防护措施，才能确保在其预定期限内的可靠性。
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论文作者:李凯
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/17
标签：混凝土论文; 预应力论文; 氯离子论文; 浓度论文; 钢筋论文; 结构论文; 临界论文; 《基层建设》2018年第23期论文;