快速碳化試驗(yàn)下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)估

彭建新， 粟立彬

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

目前，混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上使用最為廣泛的建筑材料之一[1]?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)具有價(jià)格低廉和取材容易等優(yōu)點(diǎn)。但這些結(jié)構(gòu)若長(zhǎng)期暴露于惡劣的環(huán)境中、受外部腐蝕介質(zhì)的影響，會(huì)造成結(jié)構(gòu)使用壽命縮短。為此，需要研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題[2]。

碳化作為影響結(jié)構(gòu)耐久性諸多因素中的一種，因危害性大，存在范圍廣而備受學(xué)者們的關(guān)注。無(wú)論何時(shí)何地，只要結(jié)構(gòu)暴露于大氣環(huán)境中，便會(huì)受到CO2氣體的侵蝕，碳化反應(yīng)就一直在進(jìn)行?；炷羾?yán)重碳化是鋼筋銹蝕的前兆，伴隨碳化作用的持續(xù)影響，改變了砼內(nèi)的堿性環(huán)境，破壞了鋼筋外緣的鈍化膜，誘發(fā)了鋼筋銹蝕。隨著銹蝕產(chǎn)物的增加，出現(xiàn)膨脹、裂縫，致使保護(hù)層剝落，使鋼筋直接與大氣接觸，加快了銹蝕速度，增加了對(duì)結(jié)構(gòu)的侵害。因此，開展鋼筋砼碳化研究，建立實(shí)用的預(yù)測(cè)模型，并將其用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的維修、加固及補(bǔ)強(qiáng)，可為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和服役壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。作者擬考慮環(huán)境中CO2濃度、溫度及濕度等影響混凝土碳化的因素，開展混凝土碳化試驗(yàn)，并提出基于混凝土快速碳化試驗(yàn)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化可靠度評(píng)估方法。

1 混凝土的碳化機(jī)理

混凝土的碳化是指空氣中的酸性氣體CO2與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成鹽和水，使得混凝土的堿性下降和混凝土中成分改變的化學(xué)反應(yīng)過程[3]。

其化學(xué)方程式為：

Ca(OH)2+CO2= CaCO3+H2O。

碳化消耗了混凝土內(nèi)Ca(OH)2等堿性物質(zhì)，生成了中性的難溶性鈣鹽(即碳酸鈣)，原來(lái)附著在鋼筋表面的鈍化膜消失，失去了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，從而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，混凝土中部分孔隙可能被碳化產(chǎn)物封堵，導(dǎo)致孔隙率下降，密度和強(qiáng)度提升。這雖然在一定程度上阻截了外界氣體向內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，有助于碳化速度的減緩，但這種積極效應(yīng)的影響甚微。

2 快速碳化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)采用高、低溫綜合碳化箱，模擬人工氣候環(huán)境下的快速碳化試驗(yàn)。

碳化環(huán)境：20%CO2；濕度為75%；溫度分為20,30和40 ℃ 3組。碳化齡期分為7,14,28,56,84和112 d。

混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試驗(yàn)塊，強(qiáng)度標(biāo)號(hào)分別為C25，C30和C35，對(duì)應(yīng)水灰比分別為0.65,0.55和0.45?；炷猎嚰呐浜媳冉M成見表1。

采用湖南寧鄉(xiāng)某水泥公司制造的南方復(fù)合牌硅酸鹽P.C32.5水泥，骨料為半徑在0.5～3 cm之間的湘江卵石和中砂。

本試驗(yàn)采用3種不同標(biāo)號(hào)的混凝土試塊，3個(gè)為一組，每種標(biāo)號(hào)的混凝土樣本數(shù)為6×3個(gè)。試驗(yàn)過程中，運(yùn)用控制變量法，逐一改變相關(guān)參數(shù)，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，最終通過所測(cè)得的碳化深度，反映出各因素對(duì)碳化的影響程度。

在經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后，將試塊取出，再在58～62 ℃的溫度下烘烤48 h。在涂抹環(huán)氧樹脂后，將試塊放入密閉碳化箱內(nèi)。碳化區(qū)域的確定還需要1%的酚酞乙醇溶液。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過快速碳化試驗(yàn)，得到了3種混凝土在不同溫度下隨時(shí)間變化的曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，每組試驗(yàn)的碳化深度隨著齡期的增加而增加，初期較快，后期較慢；碳化深度在相同碳化齡期內(nèi)，隨著水灰比的增加而增加；溫度越高，碳化至相同深度時(shí)所需要的齡期越短。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1 混凝土試件的配合比組成Table 1 Proportion composition of the concrete mixtures

圖1 不同溫度條件下的碳化深度Fig. 1 The depth of carbonization at different temperatures

許多學(xué)者提出了預(yù)測(cè)模型[1]，其規(guī)律為混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比。

(1)

式中：k為碳化速率系數(shù)，綜合反映碳化快慢的參數(shù)；xt為碳化深度，mm；t為碳化時(shí)間，d。

按照式(1)，通過Origin分析軟件，對(duì)試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合，求得每組混凝土的碳化速率系數(shù)k的擬合結(jié)果及對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R平方的取值，見表2。

分別分析抗壓強(qiáng)度、水灰比及溫度對(duì)碳化的影響，考慮多因素隨機(jī)模式并將各影響系數(shù)進(jìn)行組合，提出了工程中幾種常見情況的混凝土碳化速率系數(shù)參考值，見表3。其結(jié)果與相關(guān)學(xué)者給出的建議值相近[4]。

3 碳化深度的概率模型

從銹蝕形態(tài)上看，混凝土中的鋼筋銹蝕可分為局部銹蝕和均勻銹蝕2種。由混凝土碳化引發(fā)的鋼筋銹蝕是均勻銹蝕[2]，而均勻銹蝕近似服從正態(tài)分布。

鋼筋銹蝕分為3個(gè)階段：①碳化前沿到達(dá)鋼筋表面，但鋼筋鈍化膜并未破壞；②CO2與鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土發(fā)生局部破壞；③鋼筋大面積腐蝕，混凝土大面積開裂，鋼筋銹蝕速度加快，導(dǎo)致鋼筋截面迅速減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能低于安全性允許的可靠指標(biāo)[2]。因此，第①階段是結(jié)構(gòu)真正的安全使用期，建立的極限方程為：

表2 試塊碳化結(jié)果及擬合數(shù)據(jù)Table 2 Carbonization results and fitting data of tested blocks

表3 不同條件下碳化速率系數(shù)的參考值Table 3 Reference value of carbonization rate coefficient under different conditions

Z=C-xt=0。

(2)

式中：C為混凝土碳化允許指標(biāo)，取混凝土保護(hù)層厚度[5]；xt為碳化深度隨碳化時(shí)間的關(guān)系函數(shù)。

銹蝕發(fā)生的概率為：

Pf(t) =P(Z≤0)=P(C-xt≤0)=

(3)

式中：Pc(s)為混凝土保護(hù)層厚度隨變量C的概率分布函數(shù)；pc(s)為混凝土保護(hù)層厚度隨變量C的密度函數(shù)；Pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時(shí)刻的概率分布函數(shù)，服從正態(tài)分布函數(shù)；pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時(shí)刻的密度函數(shù)，服從正態(tài)分布函數(shù)。

由式(3)可計(jì)算出任一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕的概率。但是，即使對(duì)于最為簡(jiǎn)單的功能函數(shù)，用數(shù)值積分法計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率也是十分麻煩的。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，引入結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的概念[6]。

假設(shè)結(jié)構(gòu)抗力R和作用效應(yīng)S均服從正態(tài)分布，則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z=R-S也服從正態(tài)分布。其均值分別為μZ,μR和μS，標(biāo)準(zhǔn)差分別為σZ,σR和σS。結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)[1]為：

(4)

Pf=1-φ(β)。

(5)

以快速碳化試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度評(píng)估的步驟為：

1) 工程完工后，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上隨機(jī)取樣，得到一組混凝土保護(hù)層厚度的樣本，利用線性無(wú)偏估計(jì)方法，計(jì)算出樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2) 查閱資料[7-8]，得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的碳化環(huán)境。根據(jù)本研究提供的不同條件的碳化速率系數(shù)k，按照轉(zhuǎn)換關(guān)系kn=0.096 9+0.025 2k，計(jì)算得到自然環(huán)境下的碳化速率系數(shù)kn，并預(yù)測(cè)出某一時(shí)間點(diǎn)的碳化深度。

3) 根據(jù)預(yù)測(cè)得到的碳化深度，反推出要達(dá)到該碳化深度快速碳化時(shí)所需要的時(shí)間。然后，將該時(shí)間點(diǎn)上得到的碳化深度測(cè)定值數(shù)組作為該時(shí)刻的碳化深度樣本值。運(yùn)用線性無(wú)偏參數(shù)估計(jì)方法，得到樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

4) 按式(4)計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)。然后，通過中心點(diǎn)法(適用于的情況)或者當(dāng)量正態(tài)化法，計(jì)算出結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻的失效概率。

本試驗(yàn)計(jì)算了某混凝土試件在碳化40年后的碳化深度為19.204 mm，這與某一工程結(jié)構(gòu)[9-10](除CO2濃度以外，其他環(huán)境條件和所計(jì)算試件所處的環(huán)境一致)在40年后的碳化深度實(shí)測(cè)平均值19.42 mm的差別非常小，從而驗(yàn)證了該自然環(huán)境下碳化系數(shù)和快速碳化試驗(yàn)碳化系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

4 結(jié)論

混凝土碳化是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，是造成結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要因素之一。因此，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化可靠度進(jìn)行預(yù)測(cè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究在進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他學(xué)者已有的研究成果，運(yùn)用作者提出的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻的碳化可靠度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到了結(jié)構(gòu)失效的時(shí)間，為工程結(jié)構(gòu)的加固維修時(shí)間提供了依據(jù)，避免了經(jīng)濟(jì)損失。該方法的計(jì)算過程簡(jiǎn)便且可靠。但該方法也具有局限性：①結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境和試驗(yàn)中構(gòu)件所處的環(huán)境不可能完全一樣，只能夠做到接近，這就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；②在反推快速碳化所需時(shí)間這一程序，由于作者只測(cè)定了7,14,28,56,84和112 d的碳化深度，反推的時(shí)間不可能正好落在這些時(shí)間點(diǎn)上。因此，得到的碳化深度預(yù)測(cè)數(shù)組取值并不方便，只能根據(jù)碳化深度與時(shí)間的擬合曲線進(jìn)行取值，這也就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。如何對(duì)這2種誤差進(jìn)行修正，還需要進(jìn)一步的研究。