广西交通运输行业指南.docx

1、广西交通运输行业指南广西交通运输行业指南海港工程混凝土结构耐久性设计指南编制说明一、指南制定的背景、目的、意义和适用范围近十余年来，广西海港工程建设进入高速发展时期。根据广西北部湾港总体规划，2020年广西沿海港口吞吐量将达到25000万吨/年，2030年达到50000万吨/年。因此，未来十几年广西的海港工程建设仍将处于高速发展期。受到腐蚀性海洋氯化物环境作用的侵蚀，海港工程混凝土结构的耐久性问题突出，时常在远少于设计使用年限时就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂、剥落等耐久性退化现象，不得不花巨资进行维护和加固，严重的甚至只能拆除重建，造成巨大的经济损失和资源浪费。当前，混凝土结构的耐久性设计大多基于

2、工程经验和定性分析，预期通过限制混凝土的最大水灰比、最少胶凝材料用量、最小混凝土保护层厚度、最大裂缝宽度、最大氯离子扩散系数、最高电通量、最大骨料粒径、最少矿物掺合料掺量等参数来保证混凝土结构的耐久性。但上述设计方法将混凝土强度、水灰比、水泥用量、氯离子扩散系数等材料参数同时选为耐久性设计参数，不仅参数设置重复，导致参数的取值相互干扰，而且各参数的功用目标也没有明显的区别，不能明确反映混凝土材料性能随时间衰减的特性。同时，现行混凝土结构耐久性设计方法缺乏高效准确的耐久性定量分析模型，因此难以定量分析结构几何参数、环境作用等级、材料性能等因素对结构服役寿命的影响，并据此确定结构的耐久性设计参数。

3、因此，如何科学、合理地开展海洋混凝土结构的耐久性分析与设计，从而保证海港工程混凝土结构达到预定服役寿命，对于保证人民的生命财产安全、实现社会经济的可持续稳定发展具有重要意义。本指南针对广西北部湾海洋氯化物环境作用的特点，结合课题组在海港工程混凝土结构的环境作用量化模型、耐久性定量分析模型、耐久性定量设计技术等方面的研究成果，制定海港工程混凝土结构耐久性设计指南，从而使海港工程混凝土结构能够在规定的腐蚀环境条件下达到预定的服役寿命，从而有效解决当前制约海港工程混凝土结构耐久性设计的关键瓶颈问题。主要解决方法包括：1、建立了海港工程混凝土结构的环境作用等级划分及量化方法。根据海洋氯化物环境对混凝土

4、结构的腐蚀严重程度，参考JTJ 275-2000、JTS 257-2-2012和JTS 153-2015，按照设计水位或天文潮位将海洋氯化物环境划分为水下区（含土中区）、水位变动区、浪溅区和大气区；进而分别揭示了海洋大气区、潮汐区、浪溅区、水下区等环境条件下混凝土中氯离子的传输机理和积聚规律，建立了混凝土表面氯离子浓度的多因素计算模型，进而以混凝土表面氯离子浓度作为控制参数，提出了海港工程混凝土结构的环境作用量化方法。2、分别建立了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量分析模型。基于氯离子扩散的补偿理论，建立了海港工程混凝土结构中氯离子扩散场的计算长度解析公式和控制区模型；考虑结构

5、几何外形对腐蚀性离子扩散维数的影响，据此获得氯离子在混凝土中的分布范围和规律；在此基础上，考虑到不同截面形式混凝土中的氯离子扩散过程和浓度分布规律的差异性，分别建立了矩形、圆形和钝角截面混凝土结构的耐久性定量分析模型，从而为大型复杂海港工程混凝土结构的耐久性定量设计提供了关键技术途径。3、分别建立了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量设计技术。利用氯离子扩散系数综合表征混凝土的材料性能，避免传统混凝土结构耐久性设计参数体系中材料参数的重叠设置和相互干扰；利用龄期衰减系数考虑混凝土渗透能力系数的依时衰变特性。同时，利用耐久性控制区反映结构几何外形对氯离子渗透和扩散规律的影响，据此定

6、量分析海港工程混凝土中腐蚀性物质的时变扩散和浓度分布规律，在此基础上分别建立了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量设计技术。本指南的制定紧紧围绕广西地区实际，并具有在广西大规模推广应用的价值，能够在保证混凝土结构满足预定的设计使用年限的前提下，优化不同控制区的耐久性设计参数，使混凝土结构满足规定的耐久性要求，从而减少初期建造成本和后期运营的维护加固费用，与当前国内外同类技术相比具有显著的创新性、优越性和经济性，具有较强的市场竞争力。本指南适用于广西境内海洋氯化物环境下新建、改建和扩建的海港工程混凝土结构的耐久性分析与设计，具有广阔的工程应用前景。二、工作简况1、任务来源广西交通运

7、输行业指南海港工程混凝土结构耐久性设计指南项目由广西壮族自治区交通运输厅提出，并列入广西壮族自治区交通运输厅2016年度标准化和科技购买服务项目计划（桂交科教函2016249号），由广西大学和广西交通规划勘察设计研究院有限公司共同起草。2、起草单位和起草人本指南负责起草单位：广西大学、广西交通规划勘察设计研究院有限公司。本指南主要起草人：余波、杨绿峰、吴信、陈正、陆宏健、朱卫国、蔡荣、陈旺、陆峰、赵奇志、王大伟、易振友、卢玲。3、主要工作过程及工作内容（1）组织分工广西交通运输行业指南海港工程混凝土结构耐久性设计指南项目任务下达后，主要起草单位制定了编制工作方案，由广西大学和广西交通规划勘察设

8、计研究院有限公司的专家和技术专业人员参加，成立了编制工作小组，召开了项目编制策划会议并就指南研制任务分工、进度安排进行了明确。（2）资料收集、调查研究分析编制人员根据任务分工进行了资料收集和调查研究分析工作，一是收集国内外相关的技术标准，了解当前国内外混凝土结构耐久性设计的技术特点和存在的缺陷；二是深入工程现场，通过对广西北部湾海港码头混凝土结构的耐久性情况调研，对广西北部湾海港码头混凝土结构存在的病害及现场施工应用经验进行了总结；三是分析广西北部湾海洋大气区、潮汐区、浪溅区、水下区等环境条件下混凝土中氯离子的传输机理和积聚规律，建立海港工程混凝土结构腐蚀性海洋氯化物环境作用的量化取值，分别建

9、立了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量分析模型，提出了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量设计技术，从而为海港工程混凝土结构的耐久性分析与设计提供了科学依据。（3）指南编写及研讨为了确保指南的调研、编制工作有序开展，项目组根据前期策划会确定的主要内容，组织相关人员编制了工作大纲及编制大纲并于2016年7月3日召开了大纲评审会。按照评审专家意见，修改完善的大纲作为项目的工作指导，编制组着手开展了相关调研、试验及资料收集工作并逐步编写形成了工作组讨论稿。在编制过程中，编制组多次与中交第四航务工程勘察设计院有限公司进行交流、研讨耐久性设计参数及其限值方面的具体条文，以及

10、耐久性定量设计在海港码头、核电站等工程中的应用问题；同时还邀请浙江大学、中交四航工程研究院有限公司等单位专家来编制组进行交流，就混凝土结构耐久性定量设计方法和技术等方面的问题进行了深入研讨。2016年12月8日，项目组组织和召开了工作组讨论会，对工作组讨论稿主要技术内容进行了讨论，经过一年多的编制工作，目前修改形成了征求意见初稿。三、指南编制原则和主要内容1、指南的编制原则本指南的编制遵循国家设计与施工相关标准、行业设计与施工相关标准。在充分调研的基础上，研究和分析了当前国内外混凝土结构耐久性设计的技术特点和存在缺陷，对广西北部湾海港码头混凝土结构存在的病害及现场施工应用经验进行了总结，建立了

11、海港工程混凝土结构腐蚀性海洋氯化物环境作用的量化取值，分别建立了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量分析模型，提出了矩形、圆形和钝角截面海港工程混凝土结构的耐久性定量设计技术，同时考虑广西交通运输行业的发展需求，将海港工程混凝土结构耐久性设计的具体技术要求进行有针对性的增加、取舍、综合、分类，以确保编制的指南能够保障规范并引导行业设计、施工等单位做好海港工程混凝土结构耐久性定量设计工作的需要。经过起草工作组成员讨论，确定指南编制遵循以下基本原则：（1）科学性原则分析了国内标准体系的现状和特点，结合国内外混凝土结构耐久性设计的应用现状，尤其是广西境内已有的和在建的海港工程混凝土结构

12、的工程现状，对已发布的相关改扩建标准、规范进行了梳理、归纳和分类，建立了科学、实用、合理的广西地区海港工程混凝土结构耐久性定量设计指南。（2）承接性原则指南术语与相应国家、国际、行业和地方标准的规定内容相一致，条文未出现自相矛盾的地方。指南技术内容与国家、国际、行业和地方标准兼容，未出现冲突，保证了一致性。指南技术内容中引用其他标准时，已明确指出所引用标准的内容或名称，增强了指南的可读性和可操作性。（3）可操作性原则指南的起草充分调研了国内外混凝土结构耐久性设计的现状，征求了高校、设计院、施工单位、建设单位等领域的专家意见。编写组在此基础上进过反复讨论和修改，编制此指南。指南内容针对性强，可操

13、作性高。2、指南主要内容海港工程混凝土结构耐久性设计指南征求意见稿内容共分7章，还包括前言。第1章为指南的范围；第2章为规范性引用文件；第3章为有关术语和定义；第4章为总则；第5章为环境作用等级的划分及量化；第6章为混凝土结构的耐久性定量设计；第7章为构造要求。3、混凝土结构耐久性定量设计的基本原理所制定的海港工程混凝土结构耐久性设计指南中，开展海港工程混凝土结构耐久性定量设计的基本步骤包括：（1）根据混凝土结构所在的不同区域海洋环境条件，确定海港工程混凝土结构的海洋氯化物环境作用等级；（2）根据海港工程混凝土结构的海洋氯化物环境作用等级，确定环境作用的量化取值（即混凝土表面氯离子浓度）；（3

14、）根据混凝土结构构件的强度设计和构造设计要求，将净保护层厚度c、混凝土的初始氯离子扩散系数D0及其龄期衰减系数n选取为耐久性设计参数；（4）根据海洋氯化物环境作用的量化指标（即混凝土表面氯离子浓度），针对不同截面形式的海港工程混混凝土结构分别开展耐久性定量设计设计，计算净保护层厚度c、初始氯离子扩散系数D0和龄期衰减系数n的备选组合。（5）确定有利于提高混凝土结构耐久性的构造措施。四、指南主要内容的确定依据1、环境作用等级的划分及量化第5章环境作用等级的划分及量化。其中，海洋氯化物环境条件划分的依据为：参照海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTJ 275-2000、水运工程结构耐久性设计标准JT

15、S 153-2015和混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008的规定，按照港工设计水位或天文潮位将混凝土结构不同部位的海洋氯化物环境划分为水下区（含土中区）、水位变动区、浪溅区和大气区。海洋氯化物环境作用等级划分的依据为：由于水下区和土中区的氧气供应不足，不利于钢筋锈蚀的发生，所以将环境作用等级划分为L1级。相比而言，大气区的氧气供应充分，根据所接触的腐蚀性氯离子浓度的高低，可以进一步将大气区细化为重度盐雾区和轻度盐雾区。轻度盐雾区和重度盐雾区的划分，宜根据当地的具体环境和既有工程调查确定。靠近海岸的陆上建筑物，盐雾对室外混凝土构件的作用尚应考虑风向、地貌等因素的影响。密集建筑群

16、，除直接面海和迎风的建筑物外，其它建筑物可适当降低作用等级。与水位变动区和浪溅区相比，由于大气区所接触的腐蚀性氯离子和水分有限，所以将轻度盐雾区和重度盐雾区的环境作用等级分别划分为L2和L3级。水位变动区和浪溅区所接触的腐蚀性氯离子和水分充分，而且氧气供应充足，干湿循环作用显著，钢筋最易发生锈蚀，所以将环境作用等级划分为L4级。图2离海平面高度对混凝土中最大氯离子浓度值的影响规律为了确定重度盐雾区和轻度盐雾区沿垂直方向的划分界限，根据36座跨海大桥850多个测点的统计数据，分析了离海平面高度对混凝土中实测的最大氯离子浓度值（与混凝土表面氯离子浓度密切相关）的影响规律，如图1所示。由图1可知，随

17、着离海平面高度的增加，混凝土中实测的最大氯离子浓度值逐渐降低。结合广西沿海地区的潮汐水位统计资料，将离海平面高度在浪溅区以上25米以内的范围划分为重度盐雾区，将离海平面高度在25米以上的范围划分为轻度盐雾区。为了确定重度盐雾区和轻度盐雾区沿水平方向的划分界限，根据工程实测数据分析了离涨潮岸线距离对大气区混凝土表面氯离子浓度的影响规律，如图2所示。图2 离海岸距离对混凝土表面氯离子浓度的影响由图2可知，随着离涨潮岸线距离的增加，大气区混凝土表面氯离子浓度逐渐降低，特别是在离涨潮岸线100m以内降低较为迅速；当离涨潮岸线距离超过1000m时，大气区混凝土表面氯离子浓度较低。结合现行国家耐久性设计规

18、范和国内外研究成果，选取100m和1000m作为水平方向重度盐雾区和轻度盐雾区的划分界限：将离涨潮岸线100m以内的范围划分为重度盐雾区；将离涨潮岸线100m以外、1000m以内的范围划分为轻度盐雾区。海洋氯化物环境作用量化指标的依据为：在不同的环境条件下，混凝土中氯离子的传输机理和积聚规律有所不同，导致影响混凝土表面氯离子浓度的因素各异。其中，海洋大气区混凝土表面氯离子浓度主要受风速、离海岸距离、暴露时间、水胶比和胶凝材料等环境条件和材料因素的共同影响；潮汐区和浪溅区混凝土表面氯离子浓度主要受水胶比和暴露时间的影响；水下区混凝土表面氯离子浓度主要受海水氯离子浓度、暴露时间、水胶比和胶凝材料等

19、因素的影响。通过综合对比分析中国、欧盟1,2、葡萄牙3、日本4、挪威5等国家和地区所建立的计算模型以及我国华南海港和东南海港的工程实测数据，结合广西大学的研究成果6-8中的计算模型，分别确定了不同环境作用等级下混凝土表面氯离子浓度的多因素计算模型和设计取值。2、 混凝土结构耐久性定量设计2.1 矩形截面混凝土结构的耐久性定量设计第6章中矩形截面混凝土结构耐久性定量设计将混凝土净保护层厚度c、氯离子扩散系数D0及其龄期衰减系数n同时选取为海洋氯化物环境下混凝土结构的耐久性设计参数，建立了海洋氯化物环境下矩形截面混凝土结构的耐久性定量设计模型。该模型的计算依据为：考虑氯离子扩散系数的时变性，基于F

20、ick第二定律可以确定一维扩散区混凝土中氯离子的浓度分布为： (1)式中：表示暴露时间t时距离混凝土表面x处混凝土中的氯离子浓度(%)；t为混凝土暴露于氯化物环境的时间(a)；表示混凝土在初始龄期时的氯离子扩散系数(mm2/a)；表示误差函数；T为等效扩散时间，定义为： (2)式中：表示龄期衰减系数；。当钢筋表面的氯离子浓度达到临界氯离子浓度Cr时，混凝土中钢筋表面的钝化膜开始发生破坏，所以可以建立混凝土中钢筋脱钝时的耐久性极限状态方程： (3)根据式(3)可知，为了满足预定设计使用年限和耐久性要求，矩形截面的一维扩散区内混凝土的初始氯离子扩散系数D0与混凝土净保护层厚度c和龄期衰减系数n之间

21、应满足以下关系： (4)式中：ts表示设计使用年限(a)，通常定义为钢筋锈蚀的诱导期，而将钢筋锈蚀的发展期作为安全储备；ce表示施工偏差（mm）；kD为初始氯离子扩散系数D0的单位转换系数；当D0的单位取m2/s时，；当D0的单位取mm2/a时，。根据一维扩散区混凝土结构的耐久性定量设计模型，根据钢筋混凝土结构所处的环境作用等级（混凝土表面氯离子浓度Cs）、设计使用年限ts，可以确定混凝土净保护层厚度c、混凝土的初始氯离子扩散系数D0及其龄期衰减系数n之间满足的关系。表1 计算矩形截面一维扩散区混凝土D0的模型参数取值环境作用等级L1L2L3L4临界氯离子浓度Cr（%）2.000.550.55

22、0.40混凝土表面氯离子浓度Cs（%）CMA3.51.32.43.6PCC5.51.42.65.2初始龄期（d）28初始氯离子浓度C0（%）0.10混凝土净保护层厚度c（mm）4080施工偏差（mm）5设计使用年限（a）50根据表1中的模型参数取值，可以分别确定混凝土的初始氯离子扩散系数。表中，PCC和CMA分别表示不掺加和掺加粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料的混凝土。在表1中，水下区的临界氯离子浓度是根据欧盟DuraCrete模型1确定的；大气区、浪溅区和水位变动区的临界氯离子浓度是根据JTS 257-2-2012海港工程高性能混凝土质量控制标准确定的。如图3所示，若考虑角部区箍筋弯折的影

23、响，角部区域箍筋弯折半径将从AC（或AE）增加为BD（或BF），由几何关系可知，矩形截面的二维扩散区箍筋弯折产生的附加保护层厚度为： (5)式中：ca表示二维扩散区内箍筋弯折的附加保护层厚度（mm）；Rc表示箍筋弯折的弯弧内弯曲半径（mm）；d表示箍筋直径（mm）。图3 矩形截面混凝土结构角部区域配筋示意图与公式(4)的推导过程类似，考虑角部区箍筋弯折产生的附加保护层厚度的影响，矩形截面二维扩散区混凝土的初始氯离子扩散系数D0与混凝土净保护层厚度和龄期衰减系数之间应满足以下关系： (6)与公式(4)的推导过程类似，矩形截面三维扩散区内混凝土结构的初始氯离子扩散系数D0与混凝土净保护层厚度c和龄

24、期衰减系数n之间应满足以下关系： (7)由于箍筋弯折附加保护层厚度对耐久性的有利影响，当混凝土净保护层厚度较小或环境作用等级较高时，矩形截面的二维扩散区混凝土的氯离子扩散系数可能大于一维扩散区混凝土的氯离子扩散系数，为了便于施工，偏于安全地取一维扩散区和二维扩散区氯离子扩散系数的较小值用于开展混凝土配合比设计。基于考虑箍筋弯折引起的附加保护层厚度影响的矩形截面二维扩散区混凝土结构的耐久性设计模型，根据混凝土的种类、箍筋的直径、所处的环境作用等级（对应不同的混凝土表面氯离子浓度）、设计使用年限，可以确定混凝土净保护层厚度、氯离子扩散系数的龄期衰减系数和混凝土在初始龄期时的氯离子扩散系数之间满足的

25、关系。根据表2中的模型参数取值，可以确定混凝土在初始龄期t0=28d时的初始氯离子扩散系数。表2 计算矩形截面二维扩散区混凝土D0的模型参数取值环境作用等级L1L2L3L4临界氯离子浓度Cr（%）2.000.550.550.40混凝土表面氯离子浓度Cs（%）CMA3.51.32.43.6PCC5.51.42.65.2初始龄期（d）28初始氯离子浓度C0（%）0.10混凝土净保护层厚度c（mm）4080施工偏差（mm）10设计使用年限ts（a）50箍筋直径d（mm）6162.2 圆形截面混凝土结构的耐久性定量设计考虑氯离子扩散系数的时变性，基于Fick第二定律可以确定圆形截面混凝土中氯离子的浓度

26、分布为9： (8)； (9)式中，表示暴露时间t时距离圆形截面混凝土表面c处混凝土中的氯离子浓度(%)；和分别为零阶和一阶贝塞尔函数； 为零阶贝塞尔函数的根与圆形截面半径的比值。当钢筋表面的氯离子浓度达到临界氯离子浓度Cr时，混凝土中钢筋表面的钝化膜开始发生破坏，所以可以建立混凝土中钢筋脱钝时的耐久性极限状态方程： (10)根据式(11)可知，为了满足预定设计使用年限和耐久性要求，一维扩散区内混凝土的初始氯离子扩散系数D0与混凝土净保护层厚度c和龄期衰减系数n之间应满足以下关系： (11) (12)式中，ts表示设计使用年限(a)。 基于上述圆形截面混凝土结构的耐久性定量设计模型，根据表3中的

27、模型参数取值，可以分别确定圆形截面混凝土的初始氯离子扩散系数。表3 计算圆形截面混凝土D0的模型参数取值环境作用等级L1L2L3L4临界氯离子浓度Cr（%）2.000.550.550.40混凝土表面氯离子浓度Cs(%)CMA3.51.32.43.6PCC5.51.42.65.2初始龄期（d）28初始氯离子浓度C0（%）0.10混凝土净保护层厚度c（mm）4080施工偏差（mm）5设计使用年限ts（a）50圆形截面半径R（mm）当100mmR200mm时，取100mm当200mmR300mm时，取200mm当300mmR400mm时，取300mm当400mmR800mm时，取400mm当R800

28、mm时，取800mm2.3 钝角截面混凝土结构耐久性定量设计如图4所示，若考虑钝角截面角部箍筋弯折引起的附加保护层厚度的影响，角部箍筋的保护层厚度将从AB增加到AC，由几何关系可知，钝角截面角部箍筋弯折引起的附加保护层厚度为： (14)式中，Cd表示钝角截面角部箍筋弯折引起的附加保护层厚度（mm）； Rcd表示钝角截面箍筋的弯弧内弯曲半径（mm）；d表示箍筋直径（mm）；表示钝角的角度。与公式(6)的推导过程类似，考虑钝角截面角部箍筋弯折引起的附加保护层厚度的影响，钝角截面混凝土的初始氯离子扩散系数D0与混凝土净保护层厚度c和龄期衰减系数n之间应满足以下关系9： (15)图4 钝角截面混凝土结

29、构角部区域配筋示意图表4 计算钝角截面混凝土D0的模型参数取值环境作用等级L1L2L3L4临界氯离子浓度Cr（%）2.000.550.550.40混凝土表面氯离子浓度Cs（%）CMA3.51.32.43.6PCC5.51.42.65.2初始龄期（d）28初始氯离子浓度C0（%）0.10混凝土净保护层厚度c（mm）4080施工偏差（mm）10设计使用年限ts（a）50箍筋直径d（mm）616钝角截面角度（mm）当105 120时，取105当120 135时，取120当135 150时，取135当150 165时，取150当165 180时，取165根据表4中的模型参数取值，可以分别确定不同情况下

30、钝角截面混凝土的初始氯离子扩散系数。五、主要试验（或验证）的分析报告、相关技术和经济影响论证、预期的社会经济效益分析编制组从2006年开始围绕海港工程混凝土结构的耐久性分析和设计开展了系统研究，在海港工程混凝土结构的环境作用量化模型、耐久性定量分析模型、耐久性定量设计技术等方面取得了丰富研究成果，为本指南的编制奠定了良好基础。代表性研究成果如下。1、编制组发表的学术论文1 Yang, LF, Ma, Q and Yu B. Analytical solution and experimental validation for dual time-dependent chloride diffusion in concrete. Construction and Building Materials. 2018, 161:676-686. (SCI、EI收录)2 Yang LF, Cai R and Yu B. Investigation of computational model for surface chloride concentration of concrete in marine atmosphere zone. Ocean Engineering.2017,138:105-111 (SCI、EI收录)3