基于Wiener隨機(jī)過(guò)程地下腐蝕環(huán)境中鋼筋混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)

路承功 魏智強(qiáng) 喬宏霞 李刊 李瓊 喬國(guó)斌

摘要：根據(jù)蘭州地鐵沿線站臺(tái)地下水和土壤中所含腐蝕離子配置含有SO2-4、Cl-、Mg2+的4種復(fù)合鹽溶液，將鋼筋混凝土試件置于復(fù)合鹽溶液中，每隔90 d通過(guò)電化學(xué)工作站及超聲聲速檢測(cè)儀進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，利用非單調(diào)Wiener隨機(jī)退化過(guò)程，以相對(duì)動(dòng)彈性模量值達(dá)到0.4時(shí)作為混凝土失效破壞條件，以混凝土裂縫開(kāi)展寬度達(dá)到0.2 mm時(shí)的腐蝕電流密度作為混凝土中鋼筋的失效閾值，進(jìn)而建立鋼筋混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)模型.研究結(jié)果表明：復(fù)合鹽溶液環(huán)境下，極化曲線整體向腐蝕電流密度增大和負(fù)電位方向移動(dòng)，交流阻抗圖譜呈現(xiàn)雙容抗弧，初始時(shí)刻低頻區(qū)阻抗弧半徑大，斜率高，腐蝕周期增加，低頻阻抗弧半徑逐漸減小并向阻抗實(shí)部收縮，阻抗譜逐漸左移.裂縫寬度到達(dá)0.2 mm時(shí)腐蝕電流密度的失效閾值為7.637 5μA/cm2，基于Wiener隨機(jī)過(guò)程模型可以很好地反映鋼筋混凝土在腐蝕環(huán)境中耐久性壽命變化.鋼筋和混凝土壽命曲線均呈現(xiàn)出三階段變化特點(diǎn)，鋼筋壽命曲線第一階段持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，第二階段加速退化速率更快.通過(guò)Wiener隨機(jī)過(guò)程得到鋼筋的壽命小于混凝土壽命，在A、B、C、D四種溶液中的壽命分別約為7 200 d、2 900 d、4 500 d及2 000 d，而混凝土在4種溶液中的壽命分別約為10 000 d、6 500 d、5 500 d及5 000 d.且鋼筋壽命對(duì)氯鹽的敏感性大，而混凝土壽命對(duì)硫酸鹽的敏感性大.

關(guān)鍵詞：Wiener隨機(jī)過(guò)程；耐久性；鋼筋混凝土；硫酸鹽腐蝕；氯鹽腐蝕；壽命預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51168031，51868044），National Natural Science Foundation of China（51168031，51868044）；中鐵一勘院科研開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目（13-24-01），Research and Development Fund of China Railway First Exploration Institute（13-24-01）；蘭州理工大學(xué)紅柳一流學(xué)科建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目，Hongliu First-class Discipline Construction Project Funding，Lanzhou University of Technology

Prediction of Durability Life of Reinforced Concrete under Underground Corrosion Environment Based on Wiener Random Process

LU Chenggong1，WEI Zhiqiang2，QIAO Hongxia1，3，LI Kan1，LI Qiong1，QIAO Guobin1

（1. School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；3. Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：According to the corrosion ions in the groundwater and soil of the platforms along Lanzhou metro，four kinds of compound salt solutions containing SO2-4，Cl-，and Mg2+were prepared. The reinforced concrete specimens were placed in the compound salt solution，and nondestructive testing was conducted every 90 days by an electro-chemical workstation and ultrasonic sound velocity detector. A durability life prediction model of reinforced concrete was established by using a non-monotone Wiener stochastic degradation process. When the relative dynamic modulus of elasticity reached 0.4，it was regarded as the failure condition of concrete，and when the crack width reached 0.2 mm，the corrosion current density was used as the failure threshold of reinforcement in concrete. The results show that，under the coupled salt solution environment，the polarization curve moves towards the direction of increasing cor-rosion current density and negative potential. The ac impedance spectrum shows a double capacitive reactance arc. At the initial moment，the low-frequency impedance arc radius is large，the slope is high，and the corrosion cycle in-creases. The low-frequency impedance arc radius gradually decreases and shrinks to the real part of the impedance，and the impedance spectrum gradually shifts to the left. When corrosive ions enter the concrete，cementitious materials are consumed，and expansion products are produced. When the crack width reaches 0.2 mm，the failure threshold of the corrosion current density is 7.637 5μA/cm2.ThelifeofsteelbarsislessthanthatofconcretethroughWienerrandompro-cess. The lifeofsteelbarsisabout7200 days，2900 days，4500 days，and 2 000 days，respectively，in A，B，C，and D solu tions，whilethelifeofconcretein thesolutionsisabout10000 days，6 500days，5 500 days，and 5 000 days，respective-ly. Moreover，the life of steel bars is more sensitive to chloride，while the life of concrete is more sensitive to sulfate.

Key words：Wiener stochastic process；durability；reinforced concrete；sulfate attack；chloride corrosion；life prediction

我國(guó)西部城市軌道交通建設(shè)相對(duì)較晚，且相比我國(guó)東部地區(qū)，西部地區(qū)尤其西北內(nèi)陸地區(qū)，因降雨少，蒸發(fā)量大，分布有我國(guó)面積最大的鹽漬土，土壤中含有Cl-、SO2-4、Mg2+等較多腐蝕性離子，對(duì)該地區(qū)地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及服役壽命造成嚴(yán)重威脅[1-3].而地下項(xiàng)目大多是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)項(xiàng)目，其相關(guān)附屬建筑物和構(gòu)筑物的服役安全對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)具有重要意義，因此在具有鹽漬土特性的蘭州建設(shè)地鐵等地下工程需要更加注重混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命及可靠性[4-5].

鋼筋混凝土耐久性是工程人員普遍關(guān)心的問(wèn)題，因此也進(jìn)行了較多相關(guān)研究[6-14].盧春房等[6]結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)影響鐵路鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素進(jìn)行了總結(jié)分析，指出提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性可從建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、勘察設(shè)計(jì)、工程材料、后期養(yǎng)護(hù)維修等方面綜合治理.陳曉斌等[7]從混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際受到的耐久性損傷出發(fā)，分別研究了氯鹽、硫酸鹽、凍融循環(huán)、碳化等單一因素或多因素共同作用對(duì)鋼筋混凝土耐久性的影響.研究表明，腐蝕鹽的侵入，破壞了混凝土內(nèi)部的膠凝材料，生成腐蝕產(chǎn)物的同時(shí)也使鋼筋的銹蝕量增加，凍融作用與降溫速率、最低冰凍溫度、冰凍持續(xù)時(shí)間等服役環(huán)境密切相關(guān)，各因素共同作用，對(duì)鋼筋混凝土造成了嚴(yán)重的損傷[7-10].羅遙凌等[11]則研究分析了電場(chǎng)與MgSO4鹽共同作用對(duì)水泥基材料的影響，指出電場(chǎng)作用極大加速了水泥基材料的內(nèi)部腐蝕.喬宏霞、吳靈杰等學(xué)者則更加注重耐久性損傷機(jī)理，通過(guò)對(duì)鹽漬土地區(qū)和海洋環(huán)境下混凝土進(jìn)行損傷機(jī)理分析，為工程人員改善混凝土耐久性提供了理論支撐[12-13].在耐久性試驗(yàn)及機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，趙慶新等學(xué)者通過(guò)摻入粉煤灰等礦物摻合料來(lái)提高混凝土耐久性，并給出了最佳摻量用以指導(dǎo)實(shí)際工程[14-15].

當(dāng)前，混凝土耐久性方面的研究多基于氯鹽、碳化和凍融損傷等方面，并以Fick第二定律及擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，建立了氯鹽、碳酸鹽等侵蝕速率模型，并對(duì)服役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)[16-17].該模型雖然考慮了眾多因素對(duì)混凝土耐久性的影響，但結(jié)果多是基于線性退化數(shù)據(jù)得到，對(duì)于非線性退化過(guò)程并不能很好描述.因此本文以蘭州地鐵沿線鋼筋混凝土實(shí)際服役環(huán)境為基礎(chǔ)，模擬地下侵蝕環(huán)境，在劣化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立Wiener非線性退化模型并進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，為相關(guān)工程耐久性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).

1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

蘭州地鐵1號(hào)線途經(jīng)20余個(gè)站臺(tái)，通過(guò)對(duì)各站臺(tái)進(jìn)行巖土工程勘察，發(fā)現(xiàn)土壤及地下水礦化程度高，含有較多的Cl-、SO2-4、Mg2+等腐蝕性離子，部分站臺(tái)腐蝕離子濃度及耐久性腐蝕類別如表1所示.從表中可以觀察到，離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕程度都在中、高強(qiáng)的級(jí)別.根據(jù)表1腐蝕離子濃度，同時(shí)考慮不同腐蝕離子的作用，設(shè)計(jì)了4種復(fù)合鹽溶液，如表2所示，其中，A溶液為基準(zhǔn)溶液，B、C、D溶液分別是氯化鈉擴(kuò)大10倍、硫酸鎂擴(kuò)大10倍和兩類鹽共同擴(kuò)大10倍的復(fù)合鹽溶液.成型鋼筋混凝土試件所用配合比如表3所示，拌和時(shí)通過(guò)減水劑調(diào)整混凝土坍落度在180 mm左右.成型24 h后拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，濕度≥95%）養(yǎng)護(hù)，其28 d抗壓強(qiáng)度為38.6 MPa，且28 d后置于4種復(fù)合溶液中浸泡，每隔90 d采用HC-U8系列超聲波多功能檢測(cè)儀和德國(guó)Zahner公司生產(chǎn)的ZENNIUM高精度電化學(xué)工作站對(duì)混凝土和鋼筋的腐蝕狀況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè).為最大限度避免鹽溶液直接侵蝕到鋼筋表面造成鋼筋嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)考慮到電化學(xué)測(cè)試時(shí)的方便，在裸露鋼筋處用銅線纏繞并引出約100 mm長(zhǎng)度，并用環(huán)氧樹(shù)脂將裸露鋼筋涂抹包裹.

當(dāng)ω> 1時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)值增加；當(dāng)0 <ω< 1時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)值降低，但未達(dá)到破壞；當(dāng)ω< 0時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%達(dá)到破壞.

混凝土中鋼筋耐久性由電化學(xué)工作站所測(cè)的極化曲線和交流阻抗進(jìn)行評(píng)定.

2耐久性試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1鋼筋銹蝕結(jié)果分析

極化曲線是電化學(xué)無(wú)損檢測(cè)方法中電極電位E與外測(cè)電流I在坐標(biāo)系統(tǒng)中表示的腐蝕電位與外測(cè)電流密度之間的關(guān)系曲線，是陽(yáng)極和陰極腐蝕電位極化作用的結(jié)果，可通過(guò)極化曲線的移動(dòng)判斷鋼筋在腐蝕環(huán)境中是否發(fā)生銹蝕[19].電化學(xué)阻抗譜法則是表征電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和揭示材料腐蝕機(jī)理的另一種重要研究方法.在鋼筋混凝土體系腐蝕應(yīng)用方面，主要是通過(guò)施加小幅度正弦交流干擾信號(hào)，測(cè)量交流電勢(shì)與電流信號(hào)的比值周期性響應(yīng)，從而得到交流阻抗圖譜，并通過(guò)對(duì)低頻容抗弧與高頻容抗弧的等效來(lái)評(píng)價(jià)鋼筋混凝土體系[20].本次試驗(yàn)中采用三電極測(cè)試體系，掃描速率設(shè)置為0.334 mV/s，頻率為0.33 Hz，交流阻抗測(cè)量頻率為0.01～100 000 Hz，交流正弦激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV，得到不同腐蝕周期下鋼筋混凝土體系的極化曲線和交流阻抗如圖1和圖2所示，圖1中電流密度I的單位為A/cm2.

從圖1中觀察到，鋼筋銹蝕前后的極化曲線特征區(qū)別較為明顯，初始時(shí)刻，陰極極化較為平緩，而陽(yáng)極曲線較為陡峭，表明電極陽(yáng)極的溶解過(guò)程存在較大阻力，這是鋼筋處于鈍化狀態(tài).隨著浸泡時(shí)間的增加，陽(yáng)極極化曲線坡度逐漸變緩，鈍化膜對(duì)鋼筋的保護(hù)作用變?nèi)?整體來(lái)看，4種溶液中極化曲線都向著右下方移動(dòng)，即腐蝕電流密度增大和電位為負(fù)的方向移動(dòng)，表明鋼筋腐蝕發(fā)生的電動(dòng)勢(shì)和腐蝕速率越來(lái)越大.復(fù)合鹽溶液中的腐蝕離子與氧氣通過(guò)混凝土固有孔隙不斷向內(nèi)部遷移，并在鋼筋表面逐漸累積.當(dāng)溶度達(dá)到臨界值時(shí)，半徑較小、活性較高的Cl-首先穿過(guò)鈍化膜薄弱處到達(dá)鋼筋表面，鋼筋發(fā)生小面積的點(diǎn)蝕.隨著腐蝕時(shí)間的增加，點(diǎn)蝕面積逐漸擴(kuò)大，直至鈍化膜失去保護(hù)作用.此時(shí)，陽(yáng)極鋼筋不斷失去電子，形成Fe2+，在氧氣充分時(shí)生成各種化合物，體積可膨脹1～6.5倍，對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生較大的膨脹壓力.當(dāng)超過(guò)混凝土孔壁拉力時(shí)，產(chǎn)生裂縫，從而有更多的腐蝕介質(zhì)（離子、氧氣、水）到達(dá)鋼筋表面，腐蝕進(jìn)一步加劇.

從交流阻抗圖中觀察到，不同溶液中的阻抗圖譜均表現(xiàn)出兩個(gè)容抗弧.其中高頻區(qū)的容抗弧表示混凝土保護(hù)層的電阻，低頻區(qū)的容抗弧反映鋼筋表面的雙層電容.其容抗弧直徑越大，鋼筋表面的保護(hù)效果越好，高頻與低頻交界處的電阻值，即拐點(diǎn)處的電阻值反映了混凝土保護(hù)層的電阻值.從圖2中可以看到，鋼筋混凝土未侵蝕前，低頻區(qū)的阻抗弧半徑大、斜率高，表明鋼筋處于混凝土良好的保護(hù)狀態(tài)中.隨著腐蝕周期的增加，低頻阻抗弧半徑逐漸減小，并向阻抗實(shí)部收縮，表明混凝土中的鋼筋在腐蝕環(huán)境下，鈍化膜的保護(hù)作用逐漸減弱，鋼筋從鈍化狀態(tài)進(jìn)入腐蝕活化狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生較大腐蝕.此外，阻抗譜隨著腐蝕時(shí)間增加也逐漸左移，即拐點(diǎn)處的電阻值逐漸變小，表明混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱.這主要是因?yàn)楦g離子逐漸通過(guò)混凝土表面孔隙進(jìn)入試件內(nèi)部，與混凝土水化產(chǎn)物反應(yīng)的同時(shí)，破壞了內(nèi)部堿性環(huán)境，孔隙中腐蝕離子的增多，也增加了混凝土自身的導(dǎo)電性，腐蝕周期越長(zhǎng)，電阻值越小，混凝土保護(hù)作用越弱.腐蝕性離子不僅存在于混凝土孔隙中，也不斷在鋼筋表面富集，尤其半徑小、活性大的Cl-，極易穿過(guò)鈍化膜而發(fā)生點(diǎn)蝕，時(shí)間越長(zhǎng)，Cl-穿過(guò)越多，氧氣和水分子等腐蝕介質(zhì)也通過(guò)混凝土，穿過(guò)鈍化膜與鋼筋直接接觸.此時(shí)，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鋼筋逐漸被消耗，生成銹蝕產(chǎn)物.對(duì)比四種溶液阻抗圖還發(fā)現(xiàn)，氯鹽含量較高的B、C兩種溶液中的阻抗圖譜變化劇烈，在270 d時(shí)就出現(xiàn)較大幅度的左移，低頻阻抗弧向阻抗實(shí)部劇烈收縮，而A、B兩溶液阻抗弧和拐點(diǎn)較為緩慢移動(dòng)，表明腐蝕環(huán)境下鋼筋對(duì)氯鹽的濃度更加敏感，氯鹽是引起混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因.

2.2混凝土腐蝕劣化結(jié)果分析

不同復(fù)合鹽溶液下混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)如圖3所示.從圖中可以觀察到，復(fù)合鹽腐蝕環(huán)境下混凝土動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)呈現(xiàn)出初期上升，中后期波動(dòng)式下降的變化特點(diǎn).在270 d之前，腐蝕性離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水化硅酸鈣凝膠生成膨脹產(chǎn)物鈣礬石（2.5倍），石膏（1.25）、Friedel’s鹽等.由于初期混凝土內(nèi)部存在孔隙較多，這些腐蝕產(chǎn)物在孔隙、孔洞中自由生長(zhǎng)、填充，優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)，一定程度上提高了密實(shí)度，因而宏觀表現(xiàn)為動(dòng)彈性模量值不斷增加.然而“密實(shí)度”的增加是以消耗混凝土水化產(chǎn)物為代價(jià)得到的，四種溶液中，濃度最大D復(fù)合鹽溶液中的動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)值增加幅度最大，表明該溶液下混凝土生成腐蝕產(chǎn)物最多，其腐蝕是最嚴(yán)重的. 270 d以后，D溶液中混凝土動(dòng)彈性模量以最大的速率下降，在720 d時(shí)達(dá)到了0.6以下，表明混凝土出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕.而A溶液中混凝土動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)斜率最小，腐蝕速率最小，C、B溶液中混凝土腐蝕則介于兩者之間.對(duì)比B、C兩種溶液，硫酸鹽濃度大的C溶液腐蝕劣化程度明顯高于氯鹽濃度高的B溶液，表明在復(fù)合鹽溶液中，混凝土對(duì)硫酸鹽更敏感，硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕作用更加劇烈.整個(gè)反應(yīng)腐蝕過(guò)程中，生成膨脹產(chǎn)物不僅分解凝膠材料，而且消耗大量的氫氧化鈣，嚴(yán)重破壞了水化硅酸鈣凝膠穩(wěn)定存在的堿性環(huán)境.

同時(shí)，鎂鹽的存在，與氫氧化鈣反應(yīng)生成微溶的氫氧化鎂，堿性環(huán)境進(jìn)一步破壞，初期附著在混凝土表面，一定程度上阻止了有害離子的侵入，隨著腐蝕時(shí)間增加，與凝膠反應(yīng)生成大量無(wú)膠結(jié)能力的水鎂石，混凝土骨料分離，密實(shí)度下降，動(dòng)彈性模量也隨之下降.

3 Wiener理論

Wiener過(guò)程也稱為布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)程，適用于描述因大量微小損傷而導(dǎo)致產(chǎn)品具有增加或減小趨勢(shì)的非單調(diào)退化過(guò)程[21-22].對(duì)于服役于腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土，鋼筋混凝土的腐蝕劣化并不是一蹴而成的，它是各種大量腐蝕離子逐漸劣化綜合作用的結(jié)果，并且離子濃度、各種離子之間的相互作用存在明顯的加速促進(jìn)作用，因此可以用Wiener過(guò)程理論對(duì)鋼筋混凝土在腐蝕環(huán)境下的耐久性能退化進(jìn)行刻畫建模.

3.2閾值建立

依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定，當(dāng)混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失達(dá)到40%時(shí)，混凝土試件即達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，所以本文中Dfk取值為0.4.混凝土中鋼筋性能的退化主要通過(guò)由極化曲線得到的腐蝕電流密度衡量，其可以定量地描述鋼筋處于何種腐蝕狀態(tài)，然而對(duì)于鋼筋在何值達(dá)到失效并沒(méi)有明確的界定.根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定及表1中鋼筋混凝土腐蝕環(huán)境類別，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫達(dá)到0.2mm時(shí)結(jié)構(gòu)失效，因此以鋼筋混凝土試件表面非貫穿裂縫寬度為0.20 mm時(shí)的腐蝕電流密度作為失效閾值.

通過(guò)對(duì)復(fù)合鹽溶液中鋼筋混凝土試件的表觀進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)濃度最大的D溶液試件表面在540 d時(shí)出現(xiàn)微小裂縫，如圖4（a）所示.由于捕捉到0.2 mm裂縫寬度時(shí)的腐蝕電流密度較難，采取擬合方法，首先得到0.2 mm裂縫寬度下的腐蝕天數(shù)，然后由腐蝕電流密度與時(shí)間的關(guān)系得到該腐蝕天數(shù)下鋼筋混凝土試件的腐蝕電流密度.為了更加準(zhǔn)確得到裂縫及腐蝕電流密度的變化軌跡，采用多種函數(shù)擬合形式，如圖5和圖6所示，以均值作為最終的閾值，裂縫及腐蝕電流密度的擬合參數(shù)如表4和表5所示，得到混凝土中鋼筋閾值為Df2=7.637 5μA/cm2.

利用式（12）（13）得到各鋼筋混凝土試件的擴(kuò)散系數(shù)和漂移系數(shù)，以均值作為最終參數(shù)估計(jì)值.本次試驗(yàn)中各耦合溶液下鋼筋混凝土試件參數(shù)估計(jì)值如表6所示.

4基于Wiener鋼筋混凝土壽命預(yù)測(cè)

將估計(jì)得到的參數(shù)代入可靠度函數(shù)，分別得到鋼筋和混凝土在不同復(fù)合鹽溶液中的壽命曲線，如圖7和圖8所示.從圖中明顯看到，鋼筋和混凝土壽命曲線基本上都呈現(xiàn)出三階段變化特點(diǎn)，即可靠度為1、可靠度加速下降、可靠度降為0的三階段.可靠度未下降的這段時(shí)期，是腐蝕介質(zhì)不斷向混凝土和鋼筋表面遷移的過(guò)程，是量變逐漸積累的過(guò)程.雖然隨著時(shí)間增加腐蝕離子富集，但還未達(dá)到混凝土和鋼筋腐蝕的臨界值，復(fù)合鹽溶液濃度越大，該階段持續(xù)時(shí)間越短.一旦離子濃度達(dá)到臨界值，腐蝕離子穿過(guò)鈍化膜與鋼筋直接接觸，在氧氣和水同時(shí)存在時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成鐵銹.當(dāng)銹蝕產(chǎn)物較多時(shí)，就會(huì)對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力.膨脹應(yīng)力隨著腐蝕時(shí)間的增加而增加，最終使得膨脹應(yīng)力超過(guò)混凝土孔壁拉應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生沿鋼筋分布的縱向裂縫，可靠度加速下降.同時(shí)，腐蝕離子與混凝土水化產(chǎn)物生成膨脹晶體分布在混凝土孔隙之中，這在一定程度上提高了混凝土密實(shí)度，且鎂離子在初期生成的微溶物附著在混凝土表面，在一定程度上阻礙了有害離子的入侵.隨著腐蝕時(shí)間增加，生成晶體量越多，消耗的膠凝材料也越多，也破壞了膠凝材料和鋼筋穩(wěn)定存在的堿性環(huán)境，孔隙內(nèi)的晶體也對(duì)混凝土孔壁產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土孔壁拉應(yīng)力時(shí)獨(dú)立的微孔開(kāi)始貫通，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷，可靠度下降.鎂離子還會(huì)加快膠凝材料和骨料的進(jìn)一步分離，使膠凝材料疏松，進(jìn)而失去膠結(jié)能力，在膨脹壓力下內(nèi)部微孔更易貫通，從而宏觀表現(xiàn)為混凝土開(kāi)裂，可靠度加速下降.對(duì)比鋼筋和混凝土壽命曲線圖可以看到，鋼筋在第一階段持續(xù)時(shí)間比混凝土長(zhǎng)，尤其是A、C兩種溶液.這主要是因?yàn)楦g離子到達(dá)鋼筋表面必須首先經(jīng)過(guò)混凝土保護(hù)層，在混凝土孔隙中經(jīng)歷曲折的傳輸后才能到達(dá)鋼筋表面，在銹蝕介質(zhì)同時(shí)存在時(shí)才能銹蝕.而混凝土在復(fù)合鹽溶液環(huán)境中服役，較短時(shí)間即與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，且A、C兩種溶液中，氯離子濃度低于B、C兩種溶液，氯離子到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間較長(zhǎng)，富集達(dá)到臨界濃度需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因而第一階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng).當(dāng)鋼筋失效達(dá)到第二階段時(shí)，混凝土已經(jīng)受到較長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕劣化，可以看到第二階段混凝土加速劣化時(shí)間更長(zhǎng)，這是混凝土對(duì)鋼筋保護(hù)的結(jié)果.

從兩類壽命曲線圖中還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼筋，相同侵蝕周期下，氯鹽濃度較高的B、D溶液壽命曲線明顯低于氯鹽濃度較低的A、C溶液.而對(duì)于混凝土，硫酸鹽濃度大的C、D溶液壽命低于硫酸鹽濃度低的A、B溶液.表明氯鹽對(duì)鋼筋的敏感性大，而混凝土對(duì)硫酸鹽的敏感性大.這主要是因?yàn)槁入x子活性大，半徑小，更易穿過(guò)鈍化膜到達(dá)鋼筋表面，但是氯離子與水化產(chǎn)物生成的Friedel’s鹽產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力小于與硫酸鹽生成鈣礬石、石膏等產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，且硫酸鎂還會(huì)破壞膠凝材料的膠凝能力，因而硫酸鹽對(duì)混凝土破壞力更大.整體來(lái)看，在相同復(fù)合鹽溶液環(huán)境下，鋼筋壽命小于混凝土壽命.對(duì)于鋼筋，在A、B、C、D四種溶液中的壽命分別為7 200 d、2 900 d、4 500 d及2 000 d左右，對(duì)于混凝土，在四種溶液中的服役壽命分別為10 000 d、6 500 d、5 500 d及5 000 d左右，因此對(duì)于整個(gè)鋼筋混凝土試件而言，為提高其壽命，關(guān)鍵在于提高混凝土抗腐蝕性能.

5結(jié)論

1）復(fù)合鹽溶液環(huán)境中，陽(yáng)極極化曲線變化較為顯著，初始較為陡峭，陽(yáng)極溶解阻力較大，后期逐漸平緩，陽(yáng)極溶解阻力減弱，極化曲線整體上向腐蝕電流密度增大和負(fù)電位方向移動(dòng).

2）復(fù)合鹽溶液環(huán)境中，交流阻抗圖譜呈現(xiàn)出雙容抗弧，低頻阻抗弧半徑隨腐蝕周期增加逐漸減小，并向阻抗實(shí)部收縮，同時(shí)阻抗圖譜逐漸左移，混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱.

3）Wiener隨機(jī)過(guò)程能夠很好地描述腐蝕環(huán)境中因大量微小損傷而導(dǎo)致鋼筋混凝土耐久性能指標(biāo)非單調(diào)的退化過(guò)程，根據(jù)裂縫開(kāi)展寬度結(jié)合破壞準(zhǔn)則得到腐蝕電流密度失效閾值為7.637 5μA/cm2.

4）鋼筋和混凝土壽命曲線均呈現(xiàn)出三階段變化特點(diǎn)，相比于混凝土壽命曲線，鋼筋壽命曲線第一階段持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，第二階段加速退化速率更快.基于隨機(jī)過(guò)程得到鋼筋在A、B、C、D 4種溶液中的壽命分別為7200d、2 900 d、4500 d及2 000d左右，而混凝土壽命分別約為10000d、6 500 d、5500d及5 000 d.

5）鋼筋混凝土耐久性壽命隨著腐蝕離子濃度增加而減小，其中鋼筋壽命對(duì)氯鹽的敏感性大，而混凝土壽命對(duì)硫酸鹽的敏感性大.

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