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混凝土中氯盐对耐久性的影响研究一、引言混凝土是建筑工程中最常用的材料之一，其耐久性是保证工程寿命的重要因素。
然而，混凝土在使用过程中受到环境因素的影响，其中氯盐是重要的影响因素之一。
氯盐可能会导致混凝土结构的腐蚀和破坏，因此研究氯盐对混凝土耐久性的影响具有重要的理论和实践意义。
二、氯盐对混凝土耐久性的影响机理1. 氯盐的渗透性氯盐可以通过混凝土表面和微裂缝进入混凝土内部，从而导致混凝土内部的腐蚀和破坏。
2. 氯盐的离子反应氯离子可以与混凝土中的水泥石、钙石和铝石等化合物发生化学反应，形成一些不稳定的化合物，从而破坏混凝土的结构。
3. 氯盐的电化学作用氯盐可以导致混凝土表面的阴极区域扩大，阳极区域缩小，从而导致混凝土表面的腐蚀和破坏。
三、氯盐对混凝土耐久性的实验研究1. 氯盐渗透试验通过将混凝土样品暴露在氯盐溶液中，测量样品中氯离子含量的变化，可以研究氯盐的渗透性对混凝土的影响。
2. 氯盐离子反应试验通过将混凝土样品暴露在氯盐溶液中，测量样品中各种化合物的含量和形态的变化，可以研究氯盐的离子反应对混凝土的影响。
3. 氯盐电化学试验通过电化学测试，可以研究氯盐对混凝土的电化学作用和腐蚀破坏的影响。
四、氯盐对混凝土耐久性的影响因素1. 混凝土配合比混凝土配合比的不同会导致混凝土孔隙度和水泥石含量的变化，从而对混凝土的耐久性产生影响。
2. 氯盐浓度和温度氯盐溶液的浓度和温度越高，混凝土的腐蚀和破坏越严重。
3. 氯盐种类不同种类的氯盐对混凝土的腐蚀和破坏的影响程度不同。
五、氯盐对混凝土耐久性的防治措施1. 选择合适的混凝土配合比合适的混凝土配合比可以减少混凝土孔隙度和水泥石含量的变化，从而提高混凝土的耐久性。
2. 使用抗氯盐混凝土抗氯盐混凝土在配合比、材料选择和施工工艺上具有针对性，可以提高混凝土的耐久性。
3. 使用防护涂层防护涂层可以防止氯盐渗透，保护混凝土表面。
六、结论氯盐对混凝土耐久性的影响是复杂的，包括氯盐的渗透性、离子反应和电化学作用等多个方面。
氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计方法钟小平;金伟良;张宝健【摘要】为了建立氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计方法,根据混凝土结构性能劣化的特点,在分析结构耐久性失效状态、可靠度设置水平、环境荷载及抗力影响因素的基础上,建立了钢筋初锈、保护层锈胀开裂及锈胀损伤达到最大限值这3种情况下的耐久性极限状态方程.基于结构可靠度设计理论,引入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久目标可靠指标的要求,建立了结构耐久性设计的分项系数表达形式.按照概率设计与分项系数设计具有相同可靠度水平的原则,给出了抗力分项系数的确定方法及不同耐久性极限状态下抗力分项系数的取值.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2016(019)003【总页数】6页(P544-549)【关键词】氯盐环境;混凝土结构;可靠度;分项系数;耐久性设计【作者】钟小平;金伟良;张宝健【作者单位】扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州 225127;浙江大学结构工程研究所,浙江杭州 310058;浙江大学结构工程研究所,浙江杭州 310058;广东益华集团投资有限公司江苏分公司,江苏镇江 212000【正文语种】中文【中图分类】TU31受氯盐侵蚀作用的混凝土结构，尤其是一些桥梁、海港码头等，会经常出现不同程度的钢筋锈蚀、混凝土破损等现象，其耐久性问题较为突出[1].混凝土结构的耐久性不足，导致结构使用功能和安全可靠性能降低，并由此产生了高额的维护维修费用及安全隐患等问题.因此，为保障结构安全可靠运行及减小维护维修带来的经济损失，需要针对不同氯盐侵蚀作用程度来开展混凝土结构的耐久性设计.有关混凝土结构耐久性设计方法的研究，国内外已取得了一定的成果.1989年欧洲出版了“CEB 耐久混凝土结构设计指南”，1990年日本发布了“混凝土结构耐久性设计建议”，1996年国际材料与结构研究实验室联合会(RILEM)出版了“混凝土结构的耐久性设计”报告.然而，这些指南或建议都未能对混凝土结构的耐久性能进行量化.随着对于混凝土耐久性研究的不断深入，2000年欧盟发表了“General Guidelines for Durability Design and Redesign”的研究总报告[2]，该报告中引入了混凝土结构的使用寿命设计，使结构的耐久性设计逐步有了量的概念.之后，部分学者[3]对混凝土结构耐久性设计的概率方法进行了研究.中国在总结国内外研究成果的基础上，于2000年～2010年间先后颁布了JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》，CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》，TB 10005—2010/J 1167—2011《铁路混凝土结构耐久性设计规范》.这些指南或规范的问世，对提高混凝土结构的耐久性能起到了积极作用.然而，上述指南或规范中的混凝土结构耐久性设计至今仍主要从材料、构造、施工、养护等方面来考虑结构的耐久性问题，如规定最小混凝土保护层厚度，最大水灰比、最小水泥用量、含气量和水泥类别等.显然，这些规定不可能给出混凝土结构耐久性能与其使用寿命之间的清晰关系以及业主可能承担的风险水平.为了能够量化结构的耐久可靠性能，本文针对氯盐环境下的混凝土结构，根据其性能劣化的特点，在分析结构耐久性失效状态及可靠度设置水平的基础上，引入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久目标可靠指标的要求，从而建立一种基于可靠度的混凝土结构耐久性定量化设计方法.处于氯盐环境中的混凝土结构，其中的钢筋锈蚀是导致结构性能劣化的最主要原因.根据钢筋锈蚀程度的发展变化过程，Tuutti在1982年提出了钢筋锈蚀的两阶段模型[4]，该模型由锈蚀诱导期和锈蚀发展期组成.在锈蚀诱导期，钢筋并未发生锈蚀，此时的混凝土结构性能没有明显变化；当钢筋进入锈蚀发展期后，由于锈蚀产物的产生和发展，锈胀力导致混凝土保护层胀裂、剥落等现象相继发生，混凝土结构性能劣化速度显著加快，承载力、可靠度指标等均降低.根据钢筋锈蚀对混凝土结构性能的影响，可将锈蚀发展期进一步划分为钢筋初锈至保护层锈胀开裂、保护层锈胀开裂至累积损伤达到容许极限及适用性不满足要求至承载能力受到影响3个阶段.从已有的混凝土结构性能劣化机理和过程分析来看，混凝土结构的耐久性问题贯穿于结构的整个寿命期，并对结构性能产生不同程度的影响.因此，对混凝土结构进行耐久性设计，不能仅仅停留在对结构材料、构造、施工、养护等方面的定性规定，还必须考虑耐久性对结构安全性和适用性的定量影响.2.1 耐久性极限状态结构耐久性设计是以性能设计为基础的，性能设计的核心是满足结构预定的功能要求及体现业主的个性化需求[5].按照性能设计的思想以及结构使用过程中的性能表现，在混凝土结构的整个生命历程中，劣化过程的各个阶段均可以作为耐久性极限状态的基准，因此，耐久性极限状态是动态的性能状态，可以根据使用者的需要来定义，不同的耐久性能极限状态，体现了业主或使用者对结构某项性能的要求.根据目前对混凝土结构性能劣化过程的研究，混凝土内钢筋开始锈蚀、保护层锈胀开裂、锈胀损伤达到一定限值是结构全寿命性能非常关键的几个时间节点，常常被选作为耐久性失效的极限状态.下面将对这几种极限状态在可靠度水平设置、极限状态函数确定及概率模型设计等方面进行深入研究.2.2 目标可靠指标在基于可靠度的耐久性设计研究中，耐久性失效状态的可靠度水平设置即目标可靠指标的确定非常关键，它是结构耐久可靠性分析的基础.由于目前结构耐久性极限状态设计的内容尚未纳入结构设计规范，因此，也就缺少耐久性极限状态的目标可靠指标.文献[5]在考虑公众心理、失效状态下修复损伤的可能性、结构的重要性程度、失效的后果、耐久性等级以及寿命期内的经济性等因素后，给出钢筋初锈、保护层锈胀开裂时刻及锈胀损伤(锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀深度)达到容许限值时的可靠指标分别为1.0，1.5，2.0.3.1 耐久性设计的概率模型耐久性设计和结构设计一样，依据的是结构性能、极限状态和可靠度.在进行结构承载力设计时，荷载与抗力变量的定义是明确的，荷载变量有人群、车辆、雪、风和机械荷载等，抗力变量为材料参数，如混凝土抗压强度和钢筋屈服强度.与结构规范中设计的概念相似，这种定义也可以用于耐久性设计，以材料变量表示抗力变量，而描述环境的变量即为荷载变量.因此，结构在环境荷载作用下的极限状态函数Z可以表示为：式中：R为结构抗力；SL为环境作用效应.如果把钢筋开始锈蚀、保护层锈胀开裂或是锈胀损伤(锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀深度)达到可接受程度看作是“失效”，则结构失效概率pf可以写作：式中：ptarget为目标失效概率.当确定了环境作用效应、结构抗力的统计参数及概率分布类型后，即可利用式(2)的概率模型，对不同的耐久性极限状态进行概率设计.然而，考虑到概率可靠度方法计算复杂，不便于实际工程运用，因此，借助承载力极限状态实用设计表达形式的推导方法，采用分项系数的方式来设计结构的耐久性极限状态.通过选择相应的分项系数，使之尽可能达到目标可靠指标的要求.3.2 耐久性分项系数设计方法将复杂的概率设计转换为分项系数设计的表达形式时，需要确定能满足耐久目标可靠指标要求的各分项系数.对于荷载分项系数，承载力极限状态设计中将其分为恒载分项系数和活载分项系数两部分，考虑的是恒载+活载的简单组合.然而，对于侵蚀环境作用下的耐久性设计而言，由于考虑的是耐久性引起的正常使用问题，因此，环境的影响是最主要因素，结构自重对耐久性极限状态的影响可以忽略不计，即可仅考虑环境影响产生的作用效应及相应的分项系数.对于抗力分项系数，当给定环境作用分项系数后，利用等可靠度水平设置的原则，即可确定满足耐久目标可靠指标要求的耐久性抗力分项系数γD，其方法如下：在环境荷载作用下，采用概率方法设计时，结构的极限状态方程为：采用分项系数法设计时(仅考虑氯离子荷载)，结构的设计表达式可表示为：式中：SLk为环境活载标准值效应；Rk为抗力标准值；γQ为环境作用分项系数.按照分项系数设计方法所设计的结构与按照概率方法所设计的结构应具有相同耐久可靠度水平.根据该原则，耐久性抗力分项系数为：式中为根据目标可靠指标按概率方法求得的抗力标准值.4.1 钢筋初锈状态4.1.1 环境荷载效应及抗力氯盐环境下的混凝土结构，氯离子在混凝土中扩散、累积的结果是导致钢筋锈蚀的主要原因，故可将结构表面的氯离子含量(质量分数，下同)视作为环境荷载.在环境荷载作用下，假设混凝土拌和物中的氯离子含量可以忽略不计，由Fick第二扩散定律，环境作用效应可以表示为：式中：X为氯离子的扩散深度；t为暴露时间；Cs为混凝土表面处以混凝土质量为基准的氯离子含量；D为混凝土中的氯离子扩散系数；C(x，t)为t时刻距混凝土表面x处的氯离子含量.氯离子侵入到钢筋表面并达到钢筋锈蚀的临界值时，钢筋开始锈蚀，这一过程的长短取决于混凝土保护层厚度和混凝土保护层质量，因而将混凝土保护层厚度及其质量视作结构对氯离子侵蚀的抗力.对于给定的环境，耐久性设计就是要为混凝土保护层质量和厚度的确定提供依据，即通过定量设计来确定混凝土保护层的厚度.如同承载力设计确定抗力的方法一样，当考虑结构设计使用寿命要求，确定氯离子荷载设计值及材料性能参数后，距混凝土表面x处的氯离子含量C(x，t)=Ccr(以混凝土质量为基准的临界氯离子含量)时，所对应的扩散深度Xcr即为耐久性设计所需的最小保护层厚度，此时，侵蚀抗力Rp可表示为：注意通过式(7)来确定钢筋初锈所需的最小保护层厚度(侵蚀抗力)时，式中的表面氯离子含量为环境荷载设计值，需将其作为常量来处理.考虑计算模式不定性后，抗力可表示为：于是，构件抗力统计参数为：其中：μRp=Rp[μD，μCcr]；；上述式中：μR，δR分别为抗力的均值和变异系数；μD为氯离子扩散系数的均值；KP为计算模式不确定性随机变量；μKP，δKP分别为随机变量KP的平均值和变异系数；μXcr，δXcr分别为Xcr的均值和变异系数；Xi表示Rp中的随机变量，μ表示偏导数在平均值处取值.4.1.2 极限状态方程以氯离子侵蚀到钢筋表面并使其开始锈蚀作为失效标准，将氯离子侵蚀深度作为环境荷载效应，而将钢筋开始锈蚀的扩散深度作为结构抗力，则极限状态方程和失效概率设计表达式为：Z=R-SL=KpXcr-KpX=0pf= p(R-SL<0)=p(KpXcr-KpX<0)<ptarget4.1.3 钢筋初锈状态耐久性抗力分项系数γD，0的确定环境侵蚀作用是变化的，是1个变量，难以准确预测，需要乘以1个分项系数，使之对侵蚀荷载的估计偏于安全.参考文献[6]的建议，本文取氯离子作用(表面氯离子含量)的分项系数为1.2.处于环境作用下的结构，必须能抵抗其侵蚀作用.侵蚀抗力与结构所处的环境条件有关，本文在确定不同耐久性失效状态的抗力分项系数时，考虑GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》中海洋氯化物环境为D(严重)、E(非常严重)、F(极端严重)3种等级下的情况.根据文献[7]，不同氯化物环境等级的氯离子荷载统计参数见表1.抗力R的统计参数由公式(9)，(10)求得，影响抗力的各变量统计参数见表2所示.以钢筋初锈作为结构耐久寿命终结的标准，根据前述给出的耐久性抗力分项系数的确定方法，当R服从对数正态分布，SL服从正态分布时，运用一次二阶矩法编制MATLAB程序，可获得与耐久目标可靠指标β=1.0相应的抗力标准值，然后由公式(5)求得钢筋初锈状态下不同环境作用等级的耐久性抗力分项系数γD，0，计算结果列于表3.4.2 保护层锈胀开裂状态4.2.1 荷载效应及抗力钢筋锈蚀引起的保护层开裂是由于锈胀力超过了混凝土的抗拉强度所致.使保护层开裂的锈胀力与钢筋的锈蚀量(锈蚀深度)有关.由Faraday腐蚀定律可知，钢筋的锈蚀深度与腐蚀电流密度成正比，在相同的时间内，腐蚀电流密度越大，钢筋的锈蚀深度越深，由此产生的锈胀力也越大.因此，在对锈胀开裂失效状态的可靠性进行分析时，可将腐蚀电流密度视为荷载随机变量，其引起的作用效应(锈蚀深度h(t))按下式计算[8]：，式中：t0为钢筋锈蚀开始发生的时间，a；t为钢筋锈蚀后的时间，a；tcr为保护层锈胀开裂时间，a；icorr(t)为随时间变化的腐蚀电流密度，μA/cm2；x1为混凝土保护层厚度，mm.当钢筋的锈蚀深度达到保护层开裂的临界锈蚀深度时，保护层即开裂.因此，可将保护层锈胀开裂时的临界锈蚀深度hcr视作为结构抗力，按下式确定[8]：式中：k1=1-0.07w1-0.54w2-2.47w3，w1，w2，w3分别为粉煤灰、矿渣、硅灰的质量分数；k2为钢筋位置修正系数，角区位置取k2=1.0，边中取k2=1.33；k3为钢筋种类修正系数，带肋钢筋取k3=1.0，光圆钢筋取k3=0.88；d为钢筋直径；fc为混凝土28d抗压强度.4.2.2 极限状态方程对于锈胀开裂失效状态，将腐蚀电流密度引起的锈蚀深度作为荷载效应，而将保护层锈胀开裂时刻的临界锈蚀深度作为结构抗力，则极限状态方程和失效概率可以表示为：式中：αcr为采用式(14)计算保护层锈胀开裂时钢筋临界锈蚀深度hcr的模式不确定性系数；α为采用式(13)确定钢筋锈蚀深度的模式不确定性系数.4.2.3 锈胀开裂状态耐久性抗力分项系数γD，cr确定腐蚀电流密度作为随机变量难以准确预测，需要乘以1个分项系数.参考结构设计中可变荷载分项系数的取值，本文建议腐蚀电流密度的分项系数取为1.4.表4给出了各主要影响因素的统计特性[9].其中，腐蚀电流密度由于缺乏相关的统计资料，因此，对于大气区(轻度盐雾)、大气区(重度盐雾)、潮汐浪溅区(非炎热地区)、潮汐浪溅区(炎热地区)的腐蚀电流密度变异性系数，本文分别假定为0.15，0.20，0.35和0.50.以混凝土保护层锈胀开裂作为结构耐久寿命终结的标准.采用与确定钢筋初锈状态下耐久性抗力分项系数γD，0一样的方法，可求得满足耐久目标可靠指标β=1.5的抗力分项系数γD，cr，计算结果也列于表3.4.3 锈胀损伤达到最大可接受程度的状态4.3.1 荷载效应和抗力混凝土保护层锈胀开裂后，锈胀裂缝为侵蚀介质的入侵提供了极为便利的通道，从而加速了钢筋的锈蚀速度.钢筋进一步锈蚀引起的结构损伤通常表现为裂缝宽度逐渐增大、混凝土保护层剥落及刚度降低等.所有这些影响正常使用的损伤现象，其发展变化的程度主要取决于钢筋的锈蚀程度(锈蚀深度)及腐蚀电流密度的大小.因此，与保护层胀裂失效状态一样，仍将腐蚀电流密度视为荷载随机变量，其引起的荷载效应由下式计算[8]：式中：h1(tcr)为由公式(13)计算的锈胀开裂时刻钢筋的锈蚀深度.将混凝土表面出现可接受最大外观损伤时的钢筋锈蚀深度hd作为结构抗力，hd可按下列公式估算[10].配有圆形钢筋的杆件：配有带肋钢筋的杆件：式中：fcuk为混凝土立方体抗压强度标准值.4.3.2 极限状态方程当确定了荷载作用效应及抗力模型后，锈胀损伤达到最大可接受程度的极限状态方程及失效概率分别为：式中：αd为计算hd的模式不确定系数；α为采用式(17)确定钢筋锈蚀深度的模式不确定系数.4.3.3 耐久性抗力分项系数γD，d计算以混凝土表面出现可接受最大外观损伤时的钢筋锈蚀深度作为结构耐久寿命终结的标准.采用如同钢筋初锈及保护层胀裂极限状态一样的方法来确定耐久性抗力分项系数γD，d.根据钢筋锈蚀深度达到最大可接受程度的耐久目标可靠指标β=2.0，考虑不同的环境作用等级，然后按照表4数据，可求得γD，d，结果同样列于表3.当确定了不同环境条件及不同耐久性极限状态的荷载和抗力分项系数后，即可按照式(4)的分项系数设计表达式对结构的耐久性进行定量设计，以保证劣化结构在设计使用寿命期内具有合格的可靠指标要求.(1)以结构可靠度理论为基础，引入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久目标可靠指标的要求，并按照概率设计与分项系数设计具有相同可靠度水平的原则，建立了基于可靠度的分项系数设计实用表达形式，给出了抗力分项系数取值的确定方法.(2)针对结构的耐久适用性能，考虑GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》中海洋氯化物环境作用等级为C(中度)、D(严重)和E(非常严重)，建立了钢筋初锈、保护层锈胀开裂及锈胀损伤达到最大限值这3种状态下的耐久性极限状态方程，并分别给出了不同环境作用等级及不同耐久性极限状态下结构耐久性抗力分项系数的取值.【相关文献】[1] GJØRV O E.Durability design of concrete structures in severeenvironments[M].Norway：Taylor & Francis，2009:12-42.[2] Duracrete.General guidelines for durability design and redesign[R].[S.l.]:The European Union-Brite EuRam Ⅲ，2000.[3] FABRICE D，MYRIAM C，ALAIN S.Toward a probabilistic design of reinforced concrete durability:Application to a marine environment[J].Materials and Structures，2009，42(10):1379-1391.[4] TUTTI K.Corrosion of steel in 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