10-刘秉京-桥梁混凝土结构使用寿命设计1.ppt

1、桥梁混凝土结构使用寿命设计，刘炳静，中国香港第二航空局研究所，公路桥梁，沿海或跨海桥梁容易被除冰盐或海盐侵蚀损坏。桥梁、建筑物、停车场和海洋结构的破坏机理表明，桥梁和海洋结构环境中的氯离子侵蚀是结构破坏的主要原因。减少钢筋腐蚀破坏的措施很多，但基本措施是钢筋与外界环境之间有一定厚度的保护层，有保护层的混凝土具有优良的性能，即使用掺有高效减水剂和混合材料的高性能混凝土。硬化水泥浆体由于化学结合和物理吸附而具有结合氯离子的能力。氯离子与未水合的铝酸盐反应形成菲德尔盐，氯离子可以与CSH相互作用。水泥浆结合氯离子的能力很大程度上取决于CSH凝胶的量和CSH的比表面积。具有大比表面积的CSH结合了更多

2、的氯离子。阳离子在孔隙溶液中的吸附受其性质的影响。水泥浆组分上的钙离子增加了表面正电荷，由于表面平衡的需要，导致氯离子的富集。水泥浆体凝胶孔隙的增加显著降低了扩散系数，即水泥浆体中CSH相的增加会降低氯离子的扩散速度。混凝土中的骨料不仅会弯曲骨料颗粒周围形成的界面相变区中的氯离子路径，而且还会促进离子和液体的流动。实验表明，界面区的有效扩散系数是水泥浆的6-12倍。钢筋表面有一层3040A厚的钝化膜。如果钝化膜称为第一界面，则钢筋与水泥浆体之间存在第二界面，主要是CSH、氧化铁和氢氧化铁，厚度大于200埃。高性能混凝土可以改善第二界面，减少氯离子的侵入，保护钝化膜，减少对钝化膜的侵蚀。界面区域

3、的活性二氧化硅可使钝化膜与硅酸铁结合，增强抗氯离子侵蚀能力。如果混凝土的电阻较高，凹坑间距会减小，阴极面积会减小，腐蚀速度会降低。随着麻面数量的增加，高性能混凝土将减少钢筋的锈蚀量，钢筋截面减少的严重程度也将降低。高性能混凝土对腐蚀和腐蚀扩展的影响如下：1 .由于改善了钢筋与混凝土之间的界面，特别是第二界面层的质量，坑蚀的数量将会减少。2.由于混凝土的阻力增加，坑蚀很小。过去，为了提高混凝土的耐久性，避免结构过早破坏，大多数规范都规定了允许的最大水灰比、最小水泥用量、保护层厚度和粗骨料最大粒径。这样，混凝土结构可以使用很长时间，但它只是更耐用，缺乏使用寿命的概念。根据环境对结构的影响、失效机理

4、和结构材料随时间的衰减过程，可以根据概率和性能计算出近似的使用寿命。硬混凝土耐久性设计基于：(1)根据结构破坏类型，对环境作用(大环境、侵蚀等级)的实际和完全准确的定义。混凝土和钢筋的材料参数。结构破坏过程的数学模型。和以极限状态表示的现场性能。和可靠性。在结构设计中，结构阻力和荷载不会随时间而变化，但实际情况并非如此。侵蚀荷载随时间变化，承载力也随衰减而变化。考虑到这种影响，使用寿命的概念可以写成：PfT=P(RS0)TPTarget=(-)，其中：PfT在T期的结构失效概率Ptarget=可接受失效概率的最大标准正态。下图显示了与钢筋腐蚀相关的混凝土的性能(失效曲线)和相应的极限状态。一般

5、来说，脱敏和开裂代表使用能力或使用可靠性的极限状态，而剥落和倒塌代表极限状态有必要建立一个数学模型来描述破坏过程，并在破坏过程中抵抗结构材料阻力的变化。耐久性设计最重要的是确定材料和结构在环境作用下的性能变化。氯离子侵入是一个复杂的过程，一般认为是一个扩散过程。许多情况下观测到的混凝土氯离子分布曲线可用扩散理论拟合，而“表观扩散系数”可用菲克第二定律求解，进而可求出使用寿命或所需保护层厚度。氯化物盐引起的腐蚀可由以下模型表示。式中：X(t)要求保护层厚度，0扩散系数Ke由实验室快速氯离子迁移试验确定(实际环境等级)KC固化系数(实际固化年龄)t要求使用寿命n老化系数(根据使用寿命确定)Ccr临

6、界氯离子浓度Cs表面氯离子浓度，荷兰Scheldt隧道由两条直径为10.3米的管道组成，隧道长6.5公里，修建于1999年，2003年通车。耐久性设计要求100年的使用寿命。使用寿命设计基于杜拉克里特设计方法。在结构设计的极限状态下，应考虑碳化和氯离子腐蚀，并进一步增加降低修复概率的极限状态。减少修理的定义是防止腐蚀的发展，减少修理概率的极限状态被认为是正常使用极限状态。正常使用极限状态的可靠性系数规定为=1.8，极限状态为=3.6。摘要：挪威海洋环境中桥梁表面氯离子浓度的分布，根据氯离子分布图计算的瑞典公路桥混凝土柱扩散系数的变化，使用寿命设计是不确定的。对于非常重要的结构，应加强结构的耐久性管理和维护，埋设耐久性检测元件，检测混凝土性能的变化。国外许多桥梁在采用高性能混凝土的同时，采取了其他保护措施，同时保留了阴极保护。一些公路桥梁采用电化学氯离子去除技术来降低钢筋的腐蚀损伤。跨海大桥等大型桥梁的耐久性应在早期研究，使用寿命应与结构设计同时设计，并成为标准。在过去的25年中，已经观察到挪威北海恶劣环境中的海洋混凝土结构比陆地上的海洋混凝土结构