馮家山灌區(qū)郭家莊渡槽碳化壽命預(yù)測探析

王勇斌

(陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西 寶雞 721000)

1 概 述

渡槽是水工建筑物中常見的跨越山?jīng)_、道路、谷口的架空輸水建筑物。渡槽一般建在地形條件復(fù)雜、環(huán)境條件比較惡劣的山區(qū)溝壑中，因此施工條件、養(yǎng)護(hù)條件、溫度濕度作用、大氣條件等因素對渡槽的耐久性的影響比較明顯，砼的碳化就是這些因素對渡槽耐久性影響的最直觀表現(xiàn)。砼碳化是大氣中的CO2不斷通過砼中的毛細(xì)孔或小裂紋向砼中擴(kuò)散，在濕度適宜情況下與砼中的堿性水化物相互作用生成中性碳酸鈣的現(xiàn)象。砼碳化一般不會影響砼強(qiáng)度等性能，反而會提高砼的密實(shí)性和強(qiáng)度。但是碳化反應(yīng)降低了砼的堿性，當(dāng)碳化達(dá)到一定程度時會引起鋼筋表面鈍化膜的破壞，使鋼筋與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)引起鋼筋的銹蝕，發(fā)生體積膨脹引起砼脹裂而破壞結(jié)構(gòu)，降低建筑物的使用壽命。本文結(jié)合馮家山水庫灌區(qū)郭家莊渡槽的碳化實(shí)測數(shù)據(jù)，建立碳化模型預(yù)測渡槽的壽命，建議性指導(dǎo)渡槽加固。

2 碳化模型建立

2.1 工程概況

馮家山灌區(qū)郭家莊渡槽全長257.5m，為東西走向，槽身為U型C20砼預(yù)制吊裝，墩臺和鋼筋砼排架均為C20現(xiàn)澆鋼筋砼。渡槽所在地多年平均氣溫為13.2℃，相對濕度70%，空氣中CO2濃度約為0.03%。運(yùn)行多年后，渡槽出現(xiàn)諸多砼病害現(xiàn)象，鋼筋砼(槽箱、鋼筋砼排架、墩臺等)表面均存在不同程度的碳化，砼局部出現(xiàn)脹裂現(xiàn)象。為了更加準(zhǔn)確對渡槽碳化破壞程度進(jìn)行研究，根據(jù)《水工砼試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)對渡槽槽箱、鋼筋砼排架、墩臺的碳化深度進(jìn)行檢測，得到的實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 郭家莊碳化實(shí)測數(shù)據(jù) /mm

2.2 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)郭家莊渡槽的實(shí)測數(shù)據(jù)，對碳化深度和保護(hù)層厚度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)碳化深度及保護(hù)層厚度的隨機(jī)模型理論[1]，計(jì)算得出郭家莊渡槽的砼碳化深度和保護(hù)層厚度均符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表2、表3。

表2 郭家莊渡槽碳化深度數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表3 郭家莊渡槽保護(hù)層厚度數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由表2、表3結(jié)果可得，郭家莊渡槽的墩臺、槽內(nèi)側(cè)壁、鋼筋砼排架的碳化深度變異系數(shù)差異較大。其中，槽內(nèi)側(cè)壁和T鋼筋砼排架的變異系數(shù)均大于0.4，說明渡槽的各檢測部位的密實(shí)性存在差異；而渡槽各檢測部位的保護(hù)層厚度的變異系數(shù)均小于0.17，說明其保護(hù)層厚度離散性較小。

2.3 隨機(jī)模型的建立

2.3.1 隨機(jī)模型基本原理

砼碳化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，根據(jù)國內(nèi)外大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知砼的碳化深度服從正態(tài)分布，砼的一維概率密度函數(shù)可以表示為：

式中：t為碳化時間；μx(t)及σx(t)分別為混凝土碳化深度的平均值函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)。

結(jié)合工程實(shí)況并根據(jù)Fick第一定律及砼碳化的隨機(jī)模型基本原理，建立碳化深度隨機(jī)模型為：

在砼碳化深度各影響因子中，砼強(qiáng)度影響系數(shù)對碳化的影響較為明顯，依據(jù)許多學(xué)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)和工程數(shù)據(jù)建立的砼強(qiáng)度碳化模型的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行線性擬合。

2.3.2 最小二乘法線性擬合

根據(jù)郭家莊渡槽碳化數(shù)據(jù)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳化深度與強(qiáng)度相關(guān)性較強(qiáng)。采用最小二乘法對碳化系數(shù)kf與砼強(qiáng)度fcuk進(jìn)行線性擬合，得到不同砼強(qiáng)度下砼強(qiáng)度影響系數(shù)kf數(shù)值，見表4。

表4 擬合數(shù)據(jù)表

圖1 擬合結(jié)果

該曲線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.998 6，相關(guān)性良好。由擬合結(jié)果可得強(qiáng)度影響系數(shù)公式為：

綜上可得，建立在隨機(jī)模型基礎(chǔ)上的砼碳化深度預(yù)測模型為：

2.3.3 碳化模型驗(yàn)算

為了驗(yàn)證該碳化模型的可靠性，查詢另外3座外界環(huán)境與本渡槽相近的渡槽在不同年限的碳化深度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。運(yùn)用該碳化模型對3座渡槽的碳化深度進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果和對比結(jié)果見表5。

表5 不同年份渡槽校驗(yàn)結(jié)果

由表5結(jié)果可以看出，運(yùn)用該模型計(jì)算的不同年份、不同強(qiáng)度砼碳化深度與實(shí)測數(shù)據(jù)的差值百分比均小于11.3%，說明該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相差不大，模型能夠比較真實(shí)反映砼碳化深度與各影響因子之間的關(guān)系。

3 碳化壽命預(yù)測

目前，在耐久性研究方面，許多理論把碳化深度達(dá)到鋼筋表面的所用時間定義為鋼筋開始銹蝕時間。國內(nèi)學(xué)者根據(jù)碳化殘量與保護(hù)層厚度及砼強(qiáng)度變化散點(diǎn)圖的變化趨勢并參考已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過對實(shí)際工程的檢測結(jié)果擬合分析，給出碳化殘量的計(jì)算公式：

x0=4.86(-RH2+1.5RH-0.45)(c-5)×(Lnfcu.k-2.3)

式中：c為砼保護(hù)層厚度，是隨機(jī)變量；RH為環(huán)境相對濕度；fcu.k為砼抗壓強(qiáng)度。

隨著碳化深度的不斷加深，砼碳化速率會變得緩慢。當(dāng)碳化深度到達(dá)碳化殘余界面時，鋼筋開始發(fā)生銹蝕。而鋼筋銹蝕又是極為復(fù)雜的變化過程，國內(nèi)諸多學(xué)者已經(jīng)給出許多有關(guān)鋼筋銹蝕量與時間、砼強(qiáng)度等的關(guān)系[3]。根據(jù)砼耐久性失效原理將碳化深度到達(dá)碳化殘量作為砼耐久性失效的極限狀態(tài)，并可定義其表示方程為：

Z(t)=c-x0-X(t)=0

表6 碳化過程計(jì)算結(jié)果及壽命預(yù)測結(jié)果

4 結(jié) 論

本文根據(jù)馮家山灌區(qū)郭家莊渡槽工程的實(shí)測數(shù)據(jù)，建立適合郭家莊渡槽的碳化深度研究模型，根據(jù)該模型和碳化深度極限理論計(jì)算郭家莊渡槽的墩臺、槽內(nèi)側(cè)壁、鋼筋砼排架的碳化壽命，計(jì)算結(jié)果見表6。在2004年，也就是郭家莊渡槽使用滿25年之際，依據(jù)模型預(yù)測的壽命周期針對郭家莊渡槽墩臺和槽身沿砼鋼筋出現(xiàn)的脹裂、蜂窩進(jìn)行加固維修，加固采用環(huán)氧厚漿涂料對裂縫、蜂窩和麻面進(jìn)行處理，達(dá)到保護(hù)砼減慢砼碳化給結(jié)構(gòu)帶來的影響。維修至今渡槽已經(jīng)運(yùn)行5年左右，狀況良好，為渡槽下游農(nóng)作物的生長以及農(nóng)民增收提供了可靠的保障。本文的計(jì)算方法和思路希望能給其它渡槽的碳化研究和加固維修提供借鑒和思路。