鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命預(yù)測(cè)的概述

陳 娟 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

鋼筋混凝土是近代和現(xiàn)代最廣泛使用的建筑材料,也是當(dāng)前最大宗的人造材料。各國(guó)在設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)際工程中都很重視鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性,但往往忽視其結(jié)構(gòu)的耐久性,從而導(dǎo)致大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)老化帶來(lái)的耐久性問(wèn)題,以致各國(guó)不得不為維修大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)投入巨額資金。因此,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命成為研究熱點(diǎn)。為此,筆者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命預(yù)測(cè)加以概述。

1 影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的因素

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在他們的壽命期內(nèi)暴露于各種不同的環(huán)境中,因此有可能發(fā)生嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)壽命的劣化。劣化機(jī)理一般包括外界離子通過(guò)滲透進(jìn)入材料的孔結(jié)構(gòu)中,以及含水相和不含水相的化學(xué)物質(zhì)的分解[1]。影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的因素有凍融破壞、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、氯離子侵蝕、堿-集料反應(yīng)等。受大氣中二氧化碳的影響,混凝土的碳化是不可避免的,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究,混凝土碳化已經(jīng)有了被廣泛認(rèn)同的模型。氯離子侵蝕通常發(fā)生在海邊的混凝土結(jié)構(gòu),氯離子侵蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土碳化[2]。目前氯離子對(duì)混凝土及其內(nèi)部鋼筋的腐蝕機(jī)理已有較多的研究,而氯離子對(duì)混凝土的侵入?yún)s尚未有一個(gè)統(tǒng)一的模型?；炷恋膬鋈谄茐闹饕l(fā)生在北方寒冷地區(qū),雖然目前還無(wú)公認(rèn)的反映混凝土凍害的機(jī)理理論,但是對(duì)于混凝土抗凍措施已經(jīng)有了較好的建議。堿-集料反應(yīng)也是影響混凝土耐久性最主要的因素之一,它不同于其他混凝土病害,其開(kāi)裂破壞是整體性的,且堿-集料造成的混凝土開(kāi)裂破壞難以被阻止,目前對(duì)其影響因素和抑制方法都已有一定的研究。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的定義

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程分為初始階段和擴(kuò)展階段。初始階段為侵蝕性物質(zhì)進(jìn)入混凝土保護(hù)層到侵蝕性物質(zhì)到達(dá)鋼筋處且鋼筋開(kāi)始去鈍化,擴(kuò)展階段為鋼筋開(kāi)始腐蝕到材料性能達(dá)到極限狀態(tài)。屈文俊等[3]認(rèn)為,一般將混凝土中鋼筋的因銹脹裂定義為混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài),這樣,位于侵蝕性環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命就為自結(jié)構(gòu)投入使用至混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)銹脹裂縫的時(shí)間跨。這個(gè)時(shí)間跨一般分為2個(gè)時(shí)間段,第1階段為誘發(fā)期,也即鈍化期;第2階段為發(fā)展期。

Liang等[4]人認(rèn)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的定義是從施工開(kāi)始至加筋處的Cl-濃度達(dá)到使混凝土出現(xiàn)初始劣化這一段時(shí)間。無(wú)論鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命如何定義,必須包含如下因素,即特定的環(huán)境、一定的破壞準(zhǔn)則等。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的預(yù)測(cè)

對(duì)在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),可以揭示其潛在危險(xiǎn),及時(shí)作出維修、加固或拆除決策,從而避免重大事故的發(fā)生,因而對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的預(yù)測(cè)研究尤為重要,對(duì)此,許多研究者提出了不同的預(yù)測(cè)鋼筋混凝土耐久壽命的方法。如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、基于同類材料性能比較的預(yù)測(cè)、快速試驗(yàn)、應(yīng)用可靠性與隨機(jī)過(guò)程概念在材料的物理和化學(xué)性能基礎(chǔ)上建立劣化過(guò)程數(shù)學(xué)模型[5]等。以下著重介紹3種預(yù)測(cè)混凝土耐久壽命的預(yù)測(cè)方法。

3.1 概率方法

馬亞麗[6]提出了基于規(guī)定可靠指標(biāo)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命預(yù)測(cè)方法,該方法認(rèn)為在氯離子的實(shí)際侵蝕過(guò)程中,由于混凝土本身質(zhì)量的離散性和環(huán)境條件的變異性 (影響氯離子侵蝕的因素都具有隨機(jī)性),隨著時(shí)間推移,混凝土侵蝕深度是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,氯離子侵蝕到鋼筋表面的時(shí)間則是一個(gè)具有一定概率分布特征的隨機(jī)變量。具體過(guò)程如下:①通過(guò)對(duì)氯離子侵蝕影響因素的概率特性進(jìn)行分析,得出氯離子擴(kuò)散系數(shù)、氯離子臨界濃度、混凝土表面氯離子濃度、混凝土保護(hù)層厚度的概率分布特征。然后,依據(jù)Fick定律,計(jì)算氯離子侵蝕耐久壽命 (氯離子侵蝕到鋼筋表面并達(dá)到一定濃度的時(shí)間)的概率值。②利用氯離子侵蝕影響因素的分布特征,計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間點(diǎn)上的耐久可靠性指標(biāo),從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時(shí)間變化的曲線。若某一時(shí)間點(diǎn)上耐久可靠性低于規(guī)定指標(biāo),則據(jù)此可以確定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命。Seung Jun Kwon等[7]認(rèn)為由于氯化物的侵蝕存在著很多的不確定性,如不同的混凝土材料的性能、不同的混凝土保護(hù)層厚度、不同的表面氯離子濃度、氯離子極限含量水平的不確定性,因此在預(yù)測(cè)混凝土壽命時(shí)應(yīng)引入概率的方法。耐久性失效的概率Pdurability、耐久壽命T ser分別由下式確定:

式中,pfmax為耐久失效的最大概率;Ct和Ccr分別為進(jìn)入混凝土的氯化物含量和極限氯化物含量,kg/m3。

3.2 通過(guò)鋼筋腐蝕預(yù)測(cè)法

該方法通過(guò)測(cè)定3種不同情況下鋼筋的銹蝕狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)陸地混凝土的剩余壽命,3種情況分別為:①通過(guò)碳化作用預(yù)測(cè)鋼筋混凝土的剩余壽命。如果沒(méi)有除冰鹽或天災(zāi)等影響因素,其剩余壽命取決于混凝土覆蓋層有效深度的碳化。②通過(guò)海砂預(yù)測(cè)鋼筋混凝土的剩余壽命。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS,利用多元回歸分析將腐蝕率表達(dá)成和鋼筋損失量相關(guān)的一個(gè)表達(dá)式,該表達(dá)式涉及到3個(gè)參數(shù),即相對(duì)濕度、氯離子和混凝土保護(hù)層厚度。③通過(guò)除冰鹽預(yù)測(cè)鋼筋混凝土的剩余壽命。除了海砂,如果陸地混凝土受到氯離子的侵蝕,最有可能的原因就是使用除冰鹽,但由于除冰鹽使用時(shí)間的不確定性,因而很難弄清除冰鹽的影響[8]。

3.3 通過(guò)試驗(yàn)預(yù)測(cè)法

Ahm ad等[9]提出用基于累計(jì)損傷理論的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)預(yù)測(cè)鋼筋混凝土的壽命,其基本內(nèi)容如下,如果鋼筋混凝土試件從開(kāi)始去鈍化的時(shí)間t p開(kāi)始,以其自然腐蝕率I corr腐蝕一定的時(shí)間L c,然后給試件通外加電流I a,直到混凝土保護(hù)層開(kāi)裂,這段時(shí)間為t cor,從而根據(jù)累加損傷理論可以得到如下方程:

式中,L c/L t為自然損傷部分;L a/L l為外部施加電流導(dǎo)致的損傷部分;L a為自然侵蝕發(fā)生到外加電流導(dǎo)致試件完全損傷的時(shí)間;L l為排除自然侵蝕,僅由外加電流對(duì)試件導(dǎo)致完全損傷的時(shí)間;L c為鋼筋自去鈍化到施加電流時(shí)發(fā)生自然損傷的持續(xù)時(shí)間;Lt為試件侵蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂的總時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展,鋼筋混凝土制造技術(shù)也在不斷進(jìn)步,但由于全球環(huán)境惡化,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究非常重要。目前主要集中在混凝土腐蝕機(jī)理研究、在役結(jié)構(gòu)的健康狀況評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)性能的防護(hù)措施研究等方面。相信隨著研究的進(jìn)一步深入,基于耐久性設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)將逐步完善。

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