受力狀態(tài)下混凝土材料劣化模型與可靠性分析

李英民　周小龍　譚潛

摘要：通過分析試驗數(shù)據(jù)，修正和改進(jìn)了現(xiàn)有混凝土碳化深度預(yù)測模型中的應(yīng)力影響系數(shù)和水灰比影響系數(shù)，并給出了基于可靠性分析的混凝土結(jié)構(gòu)材料劣化壽命準(zhǔn)則。分析表明：拉、壓應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土碳化速率分別得到促進(jìn)和抑制，特別是隨著拉應(yīng)力水平的增加，碳化速率越來越快；通過可靠性分析可得，混凝土材料劣化概率與可靠度存在一一對應(yīng)的關(guān)系，同時混凝土保護(hù)層厚度和應(yīng)力水平對混凝土結(jié)構(gòu)的壽命影響顯著，在具有相同可靠度保障時，隨著拉應(yīng)力水平的提高或保護(hù)層厚度的減小，混凝土材料的劣化時間將縮短。

關(guān)鍵詞：碳化；應(yīng)力水平；劣化模型；可靠度；混凝土結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2013）06008207

碳化深度是一般大氣環(huán)境下衡量混凝土結(jié)構(gòu)材料劣化的主要量化指標(biāo)。調(diào)查顯示，大量在役混凝土結(jié)構(gòu)存在著過早劣化的跡象，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生往往與結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計時較少關(guān)注混凝土材料的耐久性有關(guān)。目前，關(guān)于混凝土碳化深度的研究很多[15]，但不管是基于碳化機(jī)理的理論模型還是基于碳化試驗的經(jīng)驗?zāi)Ｐ投驾^少系統(tǒng)考慮應(yīng)力因素的影響，既使考慮[6]，也統(tǒng)一規(guī)定拉應(yīng)力影響系數(shù)取11，壓應(yīng)力影響系數(shù)取1.0，使得拉應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)測結(jié)果偏于不安全而壓應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)測結(jié)果偏于保守。同時現(xiàn)有碳化深度預(yù)測模型沒有考慮應(yīng)力因素和水灰比因素間的相互影響，而水灰比和應(yīng)力狀態(tài)的不同直接關(guān)系到混凝土內(nèi)部孔隙率的大小，二者對混凝土的碳化速度影響極大[78]，且二者相互關(guān)聯(lián)。鑒于此，系統(tǒng)考慮水灰比和應(yīng)力因素的影響對完善混凝土碳化深度預(yù)測模型很有必要。

文章以混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面一定距離時的狀態(tài)作為混凝土構(gòu)件耐久性失效的極限狀態(tài)，通過對混凝土碳化深度的分析來研究混凝土材料的劣化模型，同時考慮到碳化深度預(yù)測模型是基于試驗平均數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)回歸未考慮混凝土碳化過程的隨機(jī)性，采用可靠度理論，給出了混凝土結(jié)構(gòu)材料劣化預(yù)測的概率方法。李英民，等：受力狀態(tài)下混凝土材料劣化模型與可靠性分析1混凝土碳化深度預(yù)測模型改進(jìn)

1.1現(xiàn)有混凝土碳化深度試驗方案與檢測數(shù)據(jù)

綜合考慮已有研究成果[912]，同時考慮到實際工程中較少有混凝土構(gòu)件承受軸向拉力作用，大部分受拉構(gòu)件都處于彎曲受拉狀態(tài)。文獻(xiàn)[12]中的試驗方案能較真實的反映實際工程中混凝土構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)，也能更準(zhǔn)確地反映拉壓應(yīng)力條件下混凝土碳化深度隨時間的演變規(guī)律。試件加載方式如圖1所示。拉、壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值可通過圣維南原理確定。

1.2混凝土材料碳化深度預(yù)測模型

目前已有的混凝土碳化深度預(yù)測模型主要可以歸結(jié)為3種類型：基于擴(kuò)散理論的預(yù)測模型、基于碳化試驗的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃突诰C合考慮擴(kuò)散理論和碳化試驗結(jié)果的預(yù)測模型。雖然各種預(yù)測模型的差異較大，但都有一個共同點，即都認(rèn)為混凝土碳化深度與其齡期的平方根成正比?？紤]到這些預(yù)測模型均沒有系統(tǒng)考慮混凝土受力狀態(tài)不同對碳化深度的影響，而實際上混凝土碳化點的應(yīng)力狀態(tài)對該處碳化深度的影響是顯著的。文獻(xiàn)[12]確定的預(yù)測模型雖然較系統(tǒng)的考慮了應(yīng)力因素的影響，但混凝土碳化深度的影響因素很多，隨機(jī)性也很大，特別是混凝土結(jié)構(gòu)服役時間跨度大，各種影響因素具有很強的個性和不確定性，該文獻(xiàn)僅以應(yīng)力水平和水灰比作為混凝土碳化深度的影響因素顯然是不夠的。為尋找更適合考慮應(yīng)力因素的碳化深度預(yù)測模型，基于文獻(xiàn)[12]中試驗數(shù)據(jù)，選用多條曲線對碳化深度和碳化時間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，經(jīng)多次試算，得到2種較合理的關(guān)系曲線回歸方程，如圖2～5所示。

3結(jié)論

1）給出了一般大氣環(huán)境下修正的混凝土碳化深度預(yù)測模型，充分考慮了應(yīng)力水平和水灰比等因素的影響。預(yù)測模型與試驗檢測數(shù)據(jù)吻合較好，且具有一定的理論依據(jù)，能充分反映不同應(yīng)力狀態(tài)下碳化深度隨時間的演變規(guī)律。

2）建立了混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于碳化深度的材料劣化模型，同時考慮到混凝土碳化深度具有隨機(jī)性的特點，通過可靠性分析，建立了混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率與可靠度的對應(yīng)關(guān)系。同時根據(jù)劣化模型和碳化深度預(yù)測公式均能建立各影響因素與混凝土結(jié)構(gòu)劣化失效時間之間的對應(yīng)關(guān)系。

3）可靠性分析表明，混凝土保護(hù)層厚度和碳化深度與混凝土材料的劣化密切相關(guān)，混凝土構(gòu)件所處的拉應(yīng)力水平越大、保護(hù)層厚度越小，其距離劣化失效的時間越短。

4）保護(hù)層厚度按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50010—2001及以前設(shè)計的一、二類a環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性幾乎均不能滿足50 a設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的耐久性要求，保護(hù)層越小，混凝土構(gòu)件劣化失效越早。

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（編輯胡英奎）