本发明专利公开了一种氯盐腐蚀环境下基于原型监测耐久性数据的混凝土结构寿命预测方法。
技术背景
随着经济发展和技术进步，我国开发海洋资源的力度越来越大。近来了，我国建造了大量码头、跨海大桥、海上风电、海上平台等项目。大量的工程调查表明，由氯离子侵蚀而导致的混凝土中钢筋的腐蚀是海洋环境下交通基础设施遭受腐蚀破坏的主要原因。我国上世纪九十年代前建设的港口码头工程，大部分使用7～25年即出现钢筋腐蚀破坏而需要维修，对国民经济造成了很大影响。为科学准确预测结构物的剩余使用寿命，以期合理制定结构物维护维修以及加固方案，从而降低结构物全寿命周期的成本，国内外相关研究人员对混凝土结构中氯离子渗透以及使用寿命的预测开展了大量的研究，并已取得了系列成果。
在混凝土结构耐久性寿命预测中，目前国内外有代表性的氯盐环境下混凝土结构使用寿命计算模型均基于混凝土中氯离子的扩散过程符合菲克第二定律，通过必要的室内、现场腐蚀环境的暴露试验，对模型参数进行补充完善而得，以钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度cc的时间作为结构的预测寿命。模型参数包括：表面氯离子浓度cs、初始氯离子浓度c0、钢筋表面氯离子临界浓度cc、扩散系数d、钢筋的混凝土保护层厚度d等。如我国的国家行业标准《港口水工建筑物检测与技术评估规范》(jtj302-2006)，以及公开号为cn101122595a的中国发明专利申请《混凝土结构剩余寿命分析系统》的说明书中，公开了混凝土氯离子扩散系数是通过暴露试验数据回归分析得到的，按式(1)进行计算。其它参数的取值，也按统计数据确定，给定一定的范围或计算方法。
式中：drcm为根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(gb/t50082-2009)测定的龄期trcm时氯离子扩散系数(m2/y)；dt为t时刻的氯离子扩散系数(m2/y)；m为扩散系数的龄期衰减系数，按公式(2)取值：
其中，fa，sg分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的百分比。
公开号为cn104361179a的中国发明专利申请《一种基于概率理论和现场检测的桥梁混凝土耐久性寿命分析方法》的说明书与前面提到的类似，不同之处是其混凝土表面氯离子浓度cs的计算给出了单独的经验公式(3)。
cs＝ac·(w/b)·γs(3)
其中，cs为混凝土表面氯离子浓度，ac为拟合系数，与待测混凝土桥梁的胶凝材料有关，w/b为混凝土水胶比，γs为分项系数。
这些氯盐环境下混凝土结构使用寿命计算模型参数的丰富，为我国混凝土结构耐久性设计从定性的“经验判断”到定量的耐久性寿命计算提供了支撑，实现了一步大的技术跨越，但其模型参数的统计数据来源的试验研究对象主要是无荷载作用的混凝土试件，没有考虑荷载、温度、干湿条件、暴露区域的高程差异等多因素的复合作用的影响，难于反应不同环境、不同构件的真实情况，导致计算结果的准确性受到很大影响；且长期试件暴露试验的数据，多以旧有的混凝土原材材料为基础，与近年来快速发展的大掺量掺合料混凝土、高性能混凝土技术差别较大，针对旧有材料总结的规律不一定适合高性能混凝土结构物。因此，现有的结构寿命预测方法往往由于参数过于复杂，参数获取代表性不足，导致寿命的计算可操作性不强，或者因为寿命预测中采用了经验参数，导致寿命预测受操作者的主观认识影响较大，改变某一参数的取值，结构的预测寿命会出现大幅度的变化，预测结果的随意性太大，从而导致预测结果与构件的实际情况可能会存在一定的偏差。为此，国内外研究机构在混凝土结构实体上安装耐久性监测传感器，实施结构物耐久性监测，能监测混凝土中氯离子渗透的深度(引起了一定深度埋设钢筋的锈蚀)。如申请号为201320136419.0的中国实用新型专利《用于监测混凝土保护层中氯离子浓度和ph值深度分布的传感器》、申请号为201210133155.3的中国发明专利《一种混凝土结构耐久性实时监测传感器及其制造方法》、申请号为201320413942.3的中国实用新型专利《大量程基于光纤光栅传感技术的钢筋锈蚀监测传感器》等，这些措施均为监测到钢筋锈蚀后或监测到氯离子到了一定侵入深度后，以此提出结构的耐久性维护措施，属于相对被动的维护，实现不了通过一段时间的监测，主动预测氯离子侵蚀至混凝土内结构钢筋并引起锈蚀的时间，且由于当前采用的混凝土越来越密实，氯离子侵蚀至一定深度(通常结构钢筋的周围)的时间很长，往往达到几十年，此间耐久性监测传感器是否已损坏或能维持初始的精度也不得而知，从而使得监测投入的价值存在不确定性。
技术实现要素：
为了弥补现有技术的不足，本发明开发一种基于实时监测数据而进行的结构寿命预测方法。
通过在混凝土内部一定深度预埋与结构钢筋同材质的一段钢筋，并监测其开始锈蚀的时间，建立由参照钢筋距表面距离d1和参照钢筋开始锈蚀的时间t1推算结构实体钢筋(结构实体钢筋的保护层厚度d已知)的开始锈蚀的时间tc。通过对fick第二定律的变形处理，消除了表面浓度cs、钢筋表面氯离子临界浓度cc等这些难于定量，但对寿命计算结果影响较大的参数。
本发明采用了以下技术方案：
(1)在混凝土结构浇筑时，预埋一段与结构钢筋同材质的参照钢筋，参照钢筋距表面的距离为d1，从参照钢筋引出导线与混凝土结构外部的钢筋锈蚀电位监测仪器相连，通过监测锈蚀电位判断参照钢筋是否已开始锈蚀，记录参照钢筋开始锈蚀的时间t1；
(2)求结构钢筋的结构预测寿命tc，
认为处于同一暴露部位的钢筋混凝土结构，几年后表面浓度cs值恒定，导致钢筋锈蚀的表面氯离子临界浓度cc值也恒定。
通过fick第二定律进行变形，消除了公式中难于定量的参数，主要过程如下：
根据式(4)fick第二定律的基本形式，假定导致参照钢筋发生锈蚀的临界氯离子浓度与导致结构钢筋发生锈蚀的临界氯离子浓度cc一致，得到公式(5)。
式中：erf为误差函数；x为参照钢筋或结构钢筋距离表面的深度(cm)；c(x,t)为t时刻距离表面深度为x点的氯离子浓度监测值(占混凝土质量％)；c0为混凝土初始氯离子浓度(占混凝土质量％)；cs为混凝土表面氯离子浓度(占混凝土质量％)；dt为t时刻混凝土扩散系数(m2/y)。
cc＝c(d1,t1)＝c(d,tc)(5)
根据式(4)和式(5)，结合式(1)和式(2)，得到式(6)。
式中：tc为结构预测寿命(年)；t1为参照钢筋开始锈蚀的时间(年)；d1为参照钢筋距表面距离(cm)；d为结构钢筋保护层厚度(cm)；m为扩散系数的龄期衰减系数，按公式(2)取值。
本发明通过对fick第二定律的变形处理，消除了表面浓度cs、钢筋表面氯离子临界浓度cc等这些难于定量，但对寿命计算结果影响较大的参数使得模型计算的准确性更高，应用操作性更强。同时，采用简单的原位监测的方法，造价低廉，且在同一标高位置、采用同一混凝土材料，通过前期的监测结果推算后期的剩余寿命，完全不受混凝土原材料差异、环境条件、荷载、温度等等因素的影响，进一步提高了预测模型的准确度。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，方便本行业的技术人员在现场实施发明内容。
步骤一：确定预埋的参照钢筋深度d1。
根据现有的模型和边界参数的推荐取值，以参照钢筋开始腐蚀的时间t1为2～10年为目标，确定参照钢筋的深度d1。
某大桥处于海水环境，根据大桥附近类似工程调研结果，测定了处于水位变动区的承台混凝土中氯离子分布情况，并利用fick第二定律进行曲线拟合，承台理论表面氯离子浓度cs为0.4％(占混凝土质量％)。
根据我国华南地区海港码头调查结果，参考国外相关资料，浪溅区的cc约为0.05％(cl-占混凝土质量百分数)。
根据《混凝土结构耐久性设计规范》(gb50476-2008)，桥梁等重要基础设施的初始氯离子浓度应小于0.08％(占胶材质量％)，按照初始浓度上限计算，折算成占混凝土质量比是0.013％。
实测混凝土28d氯离子扩散系数dref为7.0×10-12m2/s，考虑衰减的有效扩散系数dt根据式(7)计算。
式中dt——混凝土氯离子有效扩散系数(×10-12m2/s)；
dref——快速试验方法测定的混凝土氯离子扩散系数(×10-12m2/s)；
tref——快速试验的时间(a)；
t——混凝土氯离子扩散系数的衰减期(a)；
m——扩散系数的龄期衰减系数，根据式(2)取值；
u——混凝土氯离子扩散过程的活化能(j/mol)，取35000j/mol；
r——理想气体常数(j/k/mol)，取8.314j/k/mol；
t0——参考温度(k)，取293k；
t——环境温度(k)。
根据以上边界参数，预埋的参照钢筋开始锈蚀的时间分别为2年和10年时，按式(8)进行计算，参照钢筋的深度dl分别应为12.5mm和27.5mm。
综合确定该工程参照钢筋的深度d1为20mm。
步骤二：监测参照钢筋开始锈蚀的时间t1。
采用cu-cuso4参比电极测试参照钢筋的腐蚀电位，采集28d、1年、1.5年、2年、2.5年、3年、3.5年……n年的参照钢筋腐蚀电位，腐蚀电位的最长测试间隔不大于0.5年，当参照钢筋的腐蚀电位低于-350mv时，判定参照钢筋开始发生锈蚀，表面氯离子浓度达到临界浓度。对应的时间为t1(年)。
步骤三：预测结构耐久性寿命tc。
根据参照钢筋的腐蚀深度d1，参照钢筋开始锈蚀的时间t1，结构钢筋的保护层厚度d，根据公式(6)计算结构的预测寿命tc。
式中：tc为结构预测寿命(年)；t1为参照钢筋开始锈蚀的时间(年)；d1为参照钢筋距表面距离(cm)；d为结构钢筋保护层厚度(cm)；m为扩散系数的龄期衰减系数，按公式(2)取值。
实施例1：
我国某港口高桩码头，该码头为3个五万吨级集装箱泊位，码头岸线总长950米，纵深553米，码头为钢管桩梁板式结构。于2011年竣工。码头耐久性参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(jtj275-2000)设计。码头所在地区年平均降水量1578.4mm，年平均气温为22.4℃，平均潮差1.36m，海水中氯离子含量约为16.20g/l，ph值为7.83，电导率为0.32×105μs/cm。码头桩帽、横纵梁结构设计强度等级分别为c35、c45及c50，钢筋保护层厚度分别为65mm、65mm及50mm。该工程采用海工混凝土，胶凝材料用量为400～460kg/m3，水胶比为0.40～0.35，均单掺i级粉煤灰。
根据海水腐蚀环境分区，桩帽、横纵梁及面板分别位于水位变动区、浪溅区和大气区。在码头桩帽、横纵梁及面板部位施工期，分别在上述部位距离保护层厚度25mm位置预埋5根现场钢筋棒，钢筋棒通过导线引出混凝土，同时对在同一区域保护层厚度的结构钢筋，采用导线引出。采用cu-cuso4参比电极测试比对钢筋的腐蚀电位，在1年、1.5年、2年、2.5年、3年、3.5年、4年、4.5年及5年时测试了比对钢筋腐蚀电位，见表1所示。
表1比对钢筋电位测试结果
根据比对钢筋棒的电位变化，桩帽和横纵梁在5年时间时腐蚀电位小于-350mv，说明在该区域的钢筋已经发生了脱钝锈蚀，即比对钢筋处的氯离子浓度到达了临界氯离子浓度值。但面板区域的比对钢筋棒在监测期间大于-350mv，说明还未发生锈蚀，需进一步跟踪。
桩帽结构寿命预测：根据参照钢筋的腐蚀深度d1＝25mm，参照钢筋开始锈蚀的时间t1＝4.5年，桩帽和横纵梁钢筋的保护层厚度d＝65mm。根据华南地区现场单掺粉煤灰高性能混凝土暴露试验数据，氯离子扩散系数衰减值m取0.35。利用本专利公式评估码头桩帽结构的预测寿命tc为85.1年。
横纵梁结构寿命预测：根据比对钢筋的腐蚀深度d1＝25mm，参照钢筋开始锈蚀的时间t1＝5年，桩帽和横纵梁钢筋的保护层厚度d＝65mm。根据华南地区现场单掺粉煤灰高性能混凝土暴露试验数据，氯离子扩散系数衰减值m取0.35。利用本专利公式评估码头横纵梁结构的预测寿命tc为94.6年。