案例分享！混凝土透气性测试在港珠澳连接线中的应用

港珠澳（HZM）跨海大桥项目包括 28.8公里的跨海大桥（4跨）、2个海上人工岛和6.8公里的海底隧道，总投资近 120 亿美元。该项目位于中国东南沿海，连接三个重要城市（香港、珠海和澳门），双向六车道，设计时速100公里。

项目中的钢筋混凝土结构包括跨海大桥的桥墩、承台和桩基，海底隧道，以及人工岛的挡土墙和防波堤。港珠澳大桥项目的技术难题之一是如何在恶劣的海洋环境中实现混凝土结构120年的设计使用寿命。

根据 DuraCrete方法[DuraCrete, 2000]，应用概率模型进行了分析性使用寿命设计，但输入参数的定义来自对位于暴露于类似环境30年的项目的实验数据的全面分析，以及施工期间进行的测试。该模型适用于以下海洋环境下的结构：浸没区、潮汐区、飞溅区和大气区。有关应用分析模型的详细说明，请参阅[Li et al, 2015]。

这个实际案例指的是对水下隧道（见图 1）的巨型的预制段进行空气渗透系数 kT 和保护层厚度 d（还有电阻率 ρ，此处不讨论）的非破坏性测量。这些部分是在陆地上建造的，然后漂浮在水面上，拖到精确的位置后沉入海底。表1介绍了建造这些预制段的耐久性要求。

图1 港珠澳连接线隧道预制段的尺寸与外观

施工开始后，对浇筑好的混凝土进行取样，按照迁移试验（EN 12390-18，2021），分别测量28天和56天的扩散系数。在每个龄期，测试了148个样品，28天和56天的平均值分别为4.68和2.95（10^-12m²/s），相同龄期的变异系数分别为 9.9% 和 8.7%；即符合表1 中的要求。

假定表2所示为概率分布和参数，对使用寿命进行了分析评估，认为使用寿命等于腐蚀起始时间。随机采用表2中的参数，使用方程1,2对不同时间t进行蒙特卡罗模拟计算。对于每个t，计算“失效 ”情况（即 C(x,t) > Ccr 的情况）的比例，得出图 2（绿线）所示的“分析法”起始时间概率分布。根据其设计标准，在120年时发生腐蚀的概率为5%。

当钢筋所在位置的氯离子含量达到下式值（x=d），即为氯离子引起的锈蚀的触发时间t_i：

此外，在施工过程中，采用共中心点法（CMP）技术对覆盖层厚度进行了非破坏性测量，该技术基于发射电磁波脉冲，并通过两个相邻的天线接收钢筋反射波[Halabe等人，1993年]。对24个区段的保护层厚度进行了测量，平均值为73.4毫米，标准偏差为3.9毫米（用于分析预测使用寿命），结果表明，大约80%的值超过了表1中规定的最小保护层厚度：70毫米[Li & Torrent，2016]。

图2 锈蚀开始发生时间的可能性（分析法预测与参考经验预测）

在56天龄期的时候，对某些区段（案例1）进行了14个点的空气渗透系数kT的测试，结果为kT_gm=0.069×10^-16m²，SLOG=0.18（Li & Torrent, 2016）。在（Wang et al, 2014）报告的表2中提供了另外一组的15个kT值（案例2），kT_gm=0.022×10^-16m²，SLOG=0.42。相比案例1，这组数据的kT_gm值更低，而SLOG值更高。SLOG是kT的对数标准差。

采用蒙特卡罗模拟法，假定d和kT的分布和参数如表3所示，用公式3表示的氯离子诱导腐蚀“Exp-Ref ”模型[Torrent，2013 年，2015 年]来估算腐蚀起始时间。参数α的取值为0.0104，对应于暴露等级XS2（浸没单元）。

蒙特卡洛模拟运行了8000个实例，根据表3所示的分布和参数为每个实例生成了独立的d和kT随机值，应用公式3得出了8000个腐蚀起始时间值。两个案例的发生概率如图2所示（黑点表示案例1，白点表示案例2）。

图2显示，“Exp-Ref ”案例1预测的使用年限中位值（50%概率）与分析法预测（≈ 135 年）非常相似，但 “Exp-Ref ”案例1在120年发生锈蚀的概率（24%）远高于分析法预测值（5%）。“Exp-Ref ”案例2预测120年时发生锈蚀的概率为7%（更接近分析法预测值），但使用年限中位值更长（≈ 200 年），这反映出与案例1相比，其kT值的中位值很低，但离散性更大。

将分析法预测与Exp-Ref预测的锈蚀时间进行比较是件很困难的事，因为这两种模型的原理截然不同。然而，由于这三种预测都是基于相同的保护层厚度概率分布，其差异主要可归因于混凝土保护层的渗透性（通过扩散或渗透）。在这方面，Exp-Ref 预测的较高离散性可能反映了现场测量的质量（kT）与浇注试样（D0）相比具有更高的可变性。

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