基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預(yù)測(cè)

潘 競(jìng) 虎

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730300)

1 概述

作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施建筑物之一，隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資大，建設(shè)周期長，且所經(jīng)區(qū)域大多地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，面臨的地質(zhì)水文問題、環(huán)境保護(hù)問題、力學(xué)性能等也具有多樣性和復(fù)雜性[1]。隧道結(jié)構(gòu)自身所處的位置具有較強(qiáng)特殊性，但除此之外，隧道結(jié)構(gòu)，尤其是襯砌結(jié)構(gòu)仍然具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一般特性，與其他鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑物相同，隧道襯砌結(jié)構(gòu)也具有服役壽命[2-4]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)與科技不斷發(fā)展，隧道建設(shè)事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，而隧道結(jié)構(gòu)尤其是襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性及壽命預(yù)測(cè)問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[3-6]。隧道結(jié)構(gòu)與周圍的巖體、地下水等介質(zhì)緊密聯(lián)系長期相互作用且暴露在大氣環(huán)境中，因而隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命受環(huán)境因素的影響。長期的研究表明，環(huán)境因素對(duì)公路隧道襯砌使用壽命的影響，主要體現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)長期在大氣中二氧化碳與汽車尾氣綜合作用下混凝土產(chǎn)生的劣化，尤其以混凝土的碳化過程為甚。當(dāng)碳化進(jìn)程達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)引起襯砌內(nèi)部鋼筋的銹蝕，進(jìn)而影響襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性能，縮短結(jié)構(gòu)使用壽命[2-7]。因此，文章對(duì)基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預(yù)測(cè)理論進(jìn)行了研究，并以我國西南地區(qū)某一實(shí)際工程為例，對(duì)公路隧道鋼筋無銹蝕階段壽命進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)。

2 混凝土碳化對(duì)公路隧道襯砌壽命影響

2.1 混凝土碳化機(jī)理及影響因素

混凝土中的水泥在進(jìn)行水化的過程中，由于該過程中水泥自身的化學(xué)收縮及混凝土內(nèi)部的自由水蒸發(fā)的影響，會(huì)在不同位置出現(xiàn)大小、形狀、密度等物理特征各不相同且又有毛細(xì)管相互聯(lián)系的氣泡和孔隙。這些氣泡和孔隙中的水會(huì)與空氣中的二氧化碳結(jié)合形成不穩(wěn)定的碳酸，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部與其他水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成了新的產(chǎn)物，改變或削弱了混凝土的部分物理化學(xué)性能，該過程稱為混凝土的碳化。這其中起主導(dǎo)作用的是二氧化碳與氫氧化鈣發(fā)生的中和反應(yīng)?；炷撂蓟^程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有[8]：

CO2+H2O→H2CO3,Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·4H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

混凝土發(fā)生碳化的過程較為復(fù)雜，無論是外界因素還是混凝土材料的物理力學(xué)性能，對(duì)于碳化都有較大影響。綜合以往的研究結(jié)果[9-14]，影響混凝土碳化過程的主要因素包括混凝土自身配合比設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、環(huán)境中二氧化碳濃度、環(huán)境濕度與溫度等。其中，混凝土配合比與強(qiáng)度主要影響混凝土內(nèi)部的氣泡與孔隙數(shù)量，而環(huán)境中二氧化碳濃度、溫度、濕度等影響碳化的過程和劇烈程度。

2.2 混凝土碳化對(duì)公路隧道襯砌影響

碳化過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)中，由于碳酸是后期空氣中的二氧化碳與混凝土內(nèi)部的水生成的酸，消耗了混凝土中原有的氫氧化鈣，生成了新的物質(zhì)碳酸鈣，其不溶于水，會(huì)引起混凝土體積的膨脹，同時(shí)降低了混凝土自身的堿性，增強(qiáng)了混凝土的脆性，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力不利。此外，碳化對(duì)混凝土的主要危害，還是混凝土碳化過程引起的鋼筋銹蝕，該過程對(duì)于混凝土與鋼筋的結(jié)合性能不利，會(huì)加速混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。

鋼筋銹蝕過程中發(fā)生的反應(yīng)有：

Fe+Fe2+→2e-,Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+H2O→4Fe(OH)3,

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

鋼筋銹蝕的種類屬于電化學(xué)腐蝕，會(huì)極大的削弱鋼筋的截面面積，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用性能危害極大。

鋼筋銹蝕對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)性能的影響，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

首先，銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋本身的物理力學(xué)性能下降，且極大地減小截面面積，降低鋼筋自身強(qiáng)度；

其次，鋼筋銹蝕后產(chǎn)生的物質(zhì)，會(huì)造成鋼筋體積極大的膨脹，使得混凝土保護(hù)層開裂，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，在影響襯砌強(qiáng)度和耐久性的同時(shí)，也減小了混凝土截面的有效面積；

最后，鋼筋的銹蝕會(huì)直接導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的降低，錨固力下降，使得襯砌結(jié)構(gòu)在受力過程中力的傳遞過程受損，極大地削弱襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

2.3 襯砌混凝土碳化深度模型與碳化殘量

混凝土碳化過程中，碳化深度的基本計(jì)算，可通過Fick第一擴(kuò)散定律來進(jìn)行模擬，其基本計(jì)算公式為：

其中，X為碳化深度；k為碳化系數(shù)；t為碳化時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外不同學(xué)者分別提出了基于理論和實(shí)驗(yàn)的碳化深度計(jì)算模型。其中，最典型的理論模型是基于上述計(jì)算基本模型的數(shù)學(xué)模型，對(duì)碳化系數(shù)做了進(jìn)一步的細(xì)化和考慮，其表達(dá)式為：

其中，DCO2為CO2的有效擴(kuò)散系數(shù)；CCO2為混凝土所處環(huán)境中的CO2濃度；MCO2為單位體積的混凝土所能吸收的CO2量。

基于混凝土碳化深度的研究，為了表征混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕的發(fā)展歷程與混凝土碳化深度之間的關(guān)系，日本學(xué)者安谷孝義首次提出了碳化殘量的概念，并將其描述為：“實(shí)驗(yàn)中通過無色酚酞試劑所確定的混凝土碳化的前沿與開始發(fā)生銹蝕的鋼筋表面之間的距離”。我國JTG F80/1—2017公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)所采用的碳化殘量計(jì)算公式為：

(1)

其中，x0為碳化殘量的計(jì)算值；c為結(jié)構(gòu)混凝土的保護(hù)層厚度，mm，當(dāng)c>50 mm時(shí)，取c=50 mm；fcuk為混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；RH為混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的年平均相對(duì)濕度。

該公式的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際吻合度較高，且考慮了環(huán)境濕度、混凝土抗壓強(qiáng)度、混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度等因素，具有一定的富裕系數(shù)。文中做混凝土襯砌結(jié)構(gòu)基于碳化過程的壽命預(yù)測(cè)時(shí)，采用該計(jì)算模式進(jìn)行。

2.4 公路隧道襯砌壽命預(yù)測(cè)方法

根據(jù)上述分析，襯砌結(jié)構(gòu)的全壽命工作分為兩個(gè)階段，混凝土的碳化以及混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，這兩個(gè)階段在時(shí)間上緊密相連，也存在邏輯關(guān)系。因此，襯砌結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)，在于確定混凝土碳化至鋼筋還未發(fā)生銹蝕時(shí)，襯砌內(nèi)部鋼筋的無銹蝕工作時(shí)間。而襯砌結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕的主要影響因素是混凝土的碳化過程，其起始時(shí)間由碳化深度與混凝土碳化殘量共同確定。

計(jì)算碳化深度時(shí)，國內(nèi)較為全面且與工程實(shí)際結(jié)構(gòu)較為吻合的碳化深度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槲靼部萍即髮W(xué)牛荻濤教授等人結(jié)合碳化速率各個(gè)影響因素及工程實(shí)際中可能出現(xiàn)的參數(shù)，提出的碳化深度計(jì)算模型，其表達(dá)式為：

(2)

其中，Kmc為計(jì)算中出現(xiàn)的表征不確定性的隨機(jī)變量；kj為結(jié)構(gòu)角部修正系數(shù)；kCO2為二氧化碳濃度影響系數(shù)；kP為混凝土澆筑面的修正系數(shù)，襯砌結(jié)構(gòu)澆筑面上取其數(shù)值為1.2；kS為襯砌結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力修正系數(shù)，取其數(shù)值為1.1；T為襯砌結(jié)構(gòu)工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的年平均溫度，℃；RH為襯砌結(jié)構(gòu)工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的年平均相對(duì)濕度；fcu為襯砌結(jié)構(gòu)所使用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；mc為襯砌結(jié)構(gòu)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的比值；t為碳化時(shí)間。

碳化殘量的計(jì)算，采用2.3中JTG F80/1—2017公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)所推薦的碳化殘量計(jì)算公式。根據(jù)以往的研究結(jié)果，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土保護(hù)層厚度與碳化深度碳化殘量的和相等時(shí)，可認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋開始發(fā)生銹蝕，在此過程中，鋼筋無銹蝕工作時(shí)間的計(jì)算模式為：

(3)

根據(jù)上述理論，即可進(jìn)行基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)值為對(duì)應(yīng)工作環(huán)境下，襯砌內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕所需要的時(shí)間。

3 公路隧道襯砌壽命預(yù)測(cè)實(shí)例

3.1 工程概況

該隧道位于我國西南某地山區(qū)，所屬區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，多山嶺溝谷，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，但整體透水性較差，富水性差且容易受季節(jié)變化的影響。地下水主要為基巖裂隙孔隙水，對(duì)混凝土的腐蝕性極弱，但是對(duì)鋼材具有較弱的腐蝕性。洞身圍巖主要為Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅴ級(jí)主要分布在出口淺埋段，巖體破碎，穩(wěn)定性較差。因此，基于上述地質(zhì)條件，洞口淺埋段采用大管棚和雙層小導(dǎo)管的方式對(duì)該段洞身進(jìn)行超前支護(hù)進(jìn)洞施工，洞口淺埋段和洞身主要部分采取臺(tái)階法開挖，部分地段穩(wěn)定性較差，采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖的施工方式進(jìn)行。該隧道已于2011年年底正式通車，次年對(duì)隧道二襯進(jìn)行缺陷檢測(cè)，本研究基于檢測(cè)結(jié)果，對(duì)隧道襯砌進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

3.2 基于混凝土碳化過程的公路隧道壽命預(yù)測(cè)

將實(shí)地檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行匯總并分析后得到以下數(shù)據(jù)：襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為35.02 MPa，混凝土強(qiáng)度的推定值為27.11 MPa，其值高于襯砌混凝土C25的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。檢測(cè)到洞內(nèi)二氧化碳的濃度為14.39%，故而計(jì)算得到二氧化碳濃度影響系數(shù)為2.2；檢測(cè)得到洞內(nèi)環(huán)境溫度為18.59 ℃，相對(duì)濕度為84.13%。將各參數(shù)代入式(1)計(jì)算得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土在對(duì)應(yīng)工作環(huán)境下，碳化殘量的估算值為：

x0=21.87 mm。

而根據(jù)碳化深度的計(jì)算式(2)及鋼筋開始銹蝕的條件式(3)，有：

計(jì)算可得，T1=45.94。

因此，初步分析可以得到，在當(dāng)前工作環(huán)境下，隧道襯砌內(nèi)鋼筋的無銹蝕工作壽命為46年，即從隧道建成開始，二襯內(nèi)的鋼筋在46年后便會(huì)開始銹蝕，要在該時(shí)段后注意檢查隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土，確保運(yùn)營安全，如有必要，采取相應(yīng)的維修策略，延長隧道使用壽命。

4 結(jié)語

隧道結(jié)構(gòu)所經(jīng)區(qū)域大多地質(zhì)條件、水文情況、環(huán)境問題等復(fù)雜多樣，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命受環(huán)境因素的影響較大，主要體現(xiàn)在混凝土的碳化過程及其發(fā)展過程對(duì)襯砌內(nèi)部鋼筋銹蝕的影響，進(jìn)而降低襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性能。本文的研究，通過分析公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化機(jī)理及影響因素如混凝土配合比設(shè)計(jì)、環(huán)境中二氧化碳濃度、環(huán)境濕度與溫度等，進(jìn)而討論了混凝土碳化引起鋼筋銹蝕后對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，在總結(jié)襯砌混凝土碳化深度模型與碳化殘量計(jì)算模式的基礎(chǔ)上，論述了公路隧道襯砌壽命的預(yù)測(cè)方法。基于理論分析，結(jié)合我國西南地區(qū)某山區(qū)隧道的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其鋼筋無銹蝕情況下的使用壽命進(jìn)行了初步計(jì)算和預(yù)測(cè)。本文的研究結(jié)果，對(duì)于同類型項(xiàng)目的實(shí)施提供了一定的指導(dǎo)和借鑒。