鋼筋混凝土碳化可靠度評估方法研究

龐 峻

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中，不僅要承受各種荷載工況的作用，而且還要受到環(huán)境因素的影響。在環(huán)境因素和材料內(nèi)部因素的作用下，混凝土的碳化引起內(nèi)部鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生逐步的退化，從而使結(jié)構(gòu)的承載能力下降，影響到主體結(jié)構(gòu)的安全和正常使用性能。因此，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行混凝土碳化可靠度評估及剩余碳化壽命預(yù)測，對混凝土的耐久性研究具有重要意義，并在做出維修加固決策時提供重要的參考依據(jù)。

1 混凝土碳化原理與碳化深度模型

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕。空氣中二氧化碳滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為:

水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為鈍化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。

影響混凝土碳化速度的因素有很多。同時由于其本身施工質(zhì)量和環(huán)境因素的多樣性，因此混凝土的碳化是一個隨機過程，很難較為準(zhǔn)確的描述。目前國內(nèi)外最常用的碳化模型為:

其中，D(t)為混凝土碳化深度的時間函數(shù)，mm;t為混凝土碳化時間，s;k為混凝土碳化系數(shù)，mm/年1/2。

碳化系數(shù)與水泥類別、用量、水灰比、養(yǎng)護條件、混凝土振搗質(zhì)量及環(huán)境因素有關(guān)。由于各種因素的不確定性可將其看成一個隨機變量函數(shù)，故其數(shù)學(xué)表達式為:

其中，α1為混凝土養(yǎng)護條件修正系數(shù);α2為水泥類別修正系數(shù);α3為環(huán)境條件修正系數(shù)。α1，α2，α3取值可由文獻查得，而廠房結(jié)構(gòu)所處環(huán)境較差，因此在對廠房混凝土結(jié)構(gòu)進行碳化分析時應(yīng)適當(dāng)提高環(huán)境條件修正系數(shù)α3的參考權(quán)數(shù)。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化可靠度評估與剩余壽命預(yù)測

假設(shè)將混凝土碳化到達鋼筋表面作為結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)，設(shè)t為結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用期內(nèi)任意時刻，則結(jié)構(gòu)耐久性功能函數(shù)可表示為:Z(t)=C－D(t)，于是t時刻混凝土構(gòu)件的失效概率P(t)可表示為:

其中，PC(x)，P'C(x)分別為混凝土保護層厚度隨變量C的概率分布函數(shù)和密度函數(shù);PD(t)(x)，P'D(t)(x)分別為混凝土碳化深度在任意t時刻的概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù)。

由于結(jié)構(gòu)僅在保護層厚度大于碳化深度時才能處于安全可靠階段，即結(jié)構(gòu)在[t0，t0+T1]內(nèi)只要某一時刻混凝土保護層厚度小于碳化深度，則代表結(jié)構(gòu)失效，因此在[t0，t0+T1]內(nèi)混凝土碳化失效概率Pf(t1)為:

將混凝土剩余壽命劃分為若干個等長時間段，假設(shè)結(jié)構(gòu)在各時間段的碳化深度隨機變量為第i時刻的中點值，則各個時間段的失效概率可由式(3)計算求出。因此在剩余壽命階段[t0，t0+T1]內(nèi)的混凝土碳化失效概率可表達為:

另外混凝土失效事件在不同時間段內(nèi)發(fā)生同時失效屬于不可能事件，所以混凝土的失效概率又可表示為:

假設(shè)將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命取為不同的值，利用式(6)可以計算得出結(jié)構(gòu)在不同剩余壽命內(nèi)的碳化失效概率。因此給定某一目標(biāo)可靠指標(biāo)值，則可對一結(jié)構(gòu)的剩余碳化壽命做出預(yù)測判斷。由于鋼筋混凝土的失效概率不能準(zhǔn)確預(yù)測，在滿足計算精度要求的前提下，本文選用JC法進行初步計算，從而進一步得到相應(yīng)的失效概率和可靠概率。

根據(jù)以上分析可知，事實上剩余碳化壽命大于結(jié)構(gòu)剩余壽命的概率也就是結(jié)構(gòu)在繼續(xù)使用期[t0，t0+T1]內(nèi)的混凝土碳化可靠概率。因為混凝土保護層碳化引起的鋼筋銹蝕是全面均勻分布的，如果不采取任何加固維修措施，使鋼筋發(fā)生銹蝕損壞最終會引起對結(jié)構(gòu)耐久性的不良影響。因此在大氣環(huán)境下，有時將混凝土保護層的碳化作為結(jié)構(gòu)到達使用壽命的標(biāo)志，以此作為結(jié)構(gòu)使用壽命的終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)顯然過于保守。但是對于既有結(jié)構(gòu)的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命的評估預(yù)測，對于結(jié)構(gòu)的定期檢查和及時維修具有重要的意義。

3 工程案例分析

某化工廠房于2001年建成投入使用，于2004年對該結(jié)構(gòu)混凝土框架梁柱進行全面檢測。根據(jù)混凝土保護層厚度及碳化深度的實測數(shù)據(jù)，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，使用x2檢驗方法計算分析得到混凝土保護層厚度和碳化深度的統(tǒng)計參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土保護層厚度和碳化深度實測結(jié)果

以2004年作為可靠度評估的起點時間，根據(jù)式(6)可計算出在不同繼續(xù)使用期內(nèi)的混凝土失效概率，進一步可知相應(yīng)的可靠度指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土碳化可靠度指標(biāo)

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)的碳化可靠度較高，這與實測結(jié)果數(shù)據(jù)基本趨于一致，如取目標(biāo)可靠度指標(biāo)為2.0(可靠概率為0.977)，則剩余碳化壽命為40年;如取目標(biāo)可靠度指標(biāo)為1.6(可靠概率為0.95)，則剩余碳化壽命為50年。

由于所取梁柱均為病害最為嚴(yán)重的構(gòu)件，因此也可以將上述分析結(jié)果作為該結(jié)構(gòu)的碳化可靠度及剩余碳化壽命的保守估計。僅從混凝土碳化的角度分析，除了對結(jié)構(gòu)局部破損部位進行維修外，該廠房結(jié)構(gòu)無需進行大的維修加固措施。

4 結(jié)語

混凝土碳化是導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕的主要原因之一，所以混凝土保護層厚度的完全碳化可作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的標(biāo)志。因此，對既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命進行研究分析，可以排除結(jié)構(gòu)潛在的危險，為結(jié)構(gòu)的維修加固等處理的決策提供重要的參考建議。但是由于影響碳化的因素較多和統(tǒng)計資料的缺乏，因此要對實際結(jié)構(gòu)的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命做出準(zhǔn)確的預(yù)測，還有待于進一步的研究分析。

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