碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的更新方法

谷 慧，李全旺，侯冠杰

(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)存最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式，碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，是目前我國(guó)既有混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題。受碳化影響較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，如工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)(常年處于高溫高濕環(huán)境)、交通隧道和地下結(jié)構(gòu)(交通廢氣中的CO2積聚到較高水平)等，結(jié)構(gòu)潛在的使用壽命主要取決于碳化速率和隨后的鋼筋腐蝕[1-4]。對(duì)碳化深度和鋼筋銹蝕的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，是結(jié)構(gòu)維護(hù)與維修決策的關(guān)鍵。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，通過(guò)利用既有混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)信息，綜合理論知識(shí)、實(shí)際環(huán)境和結(jié)構(gòu)的歷史損傷狀態(tài)，采用概率方法對(duì)耐久性模型進(jìn)行更新，并利用更新后的模型預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命，建立基于概率的耐久性評(píng)估方法，具有重要的工程意義。

國(guó)內(nèi)外的耐久性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)[1]，日本的“Standard Specifications for Concrete Structures”[5]，美國(guó)的“Life-365 Service Life Prediction Model”[6]等，采用的耐久性評(píng)估與預(yù)測(cè)模型，均是基于擴(kuò)散理論、快速試驗(yàn)、自然暴露試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)建立的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｒ?guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估，采用了確定性的方法，忽略了模型本身的不確定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了基于概率的既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法[7-11]，對(duì)于碳化環(huán)境下的更新，主要針對(duì)碳化深度預(yù)測(cè)模型，而針對(duì)鋼筋初始銹蝕模型及保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型，目前尚無(wú)相應(yīng)的更新方法。

實(shí)際工程中，鋼筋銹蝕和保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的檢測(cè)結(jié)果，與模型的計(jì)算結(jié)果差異較大[12]，這與結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)固有的不確定性及試驗(yàn)材料和試驗(yàn)條件的差異性相關(guān)[1]。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性檢測(cè)，可以提高對(duì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境作用歷史的認(rèn)識(shí)，充分利用檢測(cè)信息，能在一定程度上更新結(jié)構(gòu)未來(lái)的耐久性失效概率[13]。碳化環(huán)境下的耐久性無(wú)損檢測(cè)可獲得的信息包括：混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、碳化深度、銹蝕鋼筋比例和可觀測(cè)到的混凝土順筋裂縫。目前基于這些信息提出的耐久性失效概率更新方法有兩種：一種是由Suo 和Stewart 等[14]提出基于貝葉斯理論的失效結(jié)果更新方法，通過(guò)當(dāng)前的銹蝕/開(kāi)裂樣本比例，更新未來(lái)的銹蝕/開(kāi)裂概率，更新過(guò)程僅以時(shí)間為自變量，僅能對(duì)未來(lái)的現(xiàn)象進(jìn)行更新；第二種是通過(guò)對(duì)耐久性參數(shù)分布的貝葉斯更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效概率預(yù)測(cè)的更新，更新效率依賴于參數(shù)樣本的數(shù)量和信息的準(zhǔn)確性。目前尚未提出基于當(dāng)前檢測(cè)的銹蝕/開(kāi)裂樣本比例，通過(guò)模型更新獲得更貼近所檢測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況的耐久性失效模型的方法。

鑒于此，本文基于無(wú)損檢測(cè)獲得的碳化環(huán)境下的耐久性相關(guān)信息，采用貝葉斯理論，提出更適用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)的耐久性失效模型(鋼筋初始銹蝕模型、保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型)的更新方法，并根據(jù)更新后的耐久性模型，對(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測(cè)，完善基于概率的耐久性評(píng)估理論。本文使用了《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)中的耐久性模型，旨在給出模型的更新方法。

1 混凝土結(jié)構(gòu)碳化環(huán)境下的耐久性模型

混凝土的碳化，又稱混凝土的中性化，是空氣中的CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，并與混凝土孔隙中的堿性水溶液及各水化產(chǎn)物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程[15]。碳化會(huì)降低孔隙中溶液的PH 值，對(duì)混凝土中鋼筋的電化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)PH 值降至9 時(shí)～11 時(shí)，鋼筋開(kāi)始脫鈍，并逐漸銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積是鋼筋體積的2 倍～6 倍，隨著銹蝕量的增加，混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，隨后裂紋不斷擴(kuò)展[16]。一般將上述過(guò)程劃分為3 個(gè)階段：鋼筋初始銹蝕階段、混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂階段和裂縫不斷擴(kuò)展階段[1]。

碳化耐久性分析中，碳化速率和鋼筋銹蝕速率與環(huán)境相對(duì)濕度、相對(duì)溫度、CO2濃度、混凝土材料特性(水泥品種、水灰比)、混凝土保護(hù)層厚度等相關(guān)?？紤]到影響因素的可檢測(cè)性，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)，給出了適用于多數(shù)現(xiàn)存混凝土結(jié)構(gòu)碳化環(huán)境下的耐久性工程模型。

1.1 碳化深度預(yù)測(cè)模型

混凝土中膠凝材料水化后，孔隙水溶液中含有大量的K+、Na+、Ca2+和OH-，溶液PH 值約為13 左右，呈高度堿性。大氣中的CO2通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)遷移到混凝土中，并與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)，稱為“碳化”，碳化反應(yīng)方程式主要為[17]：

1.2 鋼筋初始銹蝕模型

碳化導(dǎo)致混凝土孔隙溶液的PH 值降低，破壞了預(yù)埋鋼筋的電化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致鋼筋脫鈍，并引發(fā)銹蝕。理論上，當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋表面時(shí)，鋼筋初始銹蝕。而實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，有時(shí)碳化尚未達(dá)到鋼筋表面但鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕，有時(shí)碳化超過(guò)了鋼筋表面但鋼筋尚未銹蝕[20]。部分學(xué)者稱碳化前沿與鋼筋表面的區(qū)域?yàn)椴煌耆蓟瘏^(qū)[21]，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)定義為碳化殘量，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)?？紤]到模型的不確定性，其表達(dá)式為：

1.3 混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型

鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，填充空隙并對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹力，導(dǎo)致開(kāi)裂。隨著銹蝕量的不斷增加，裂縫擴(kuò)展至混凝土表面，表現(xiàn)為保護(hù)層的初始銹脹開(kāi)裂?；诩铀黉P蝕實(shí)驗(yàn)和自然暴露實(shí)驗(yàn)[19]，考慮到模型的不確定性，鋼筋銹蝕深度預(yù)測(cè)模型如下：

式中：kcr為鋼筋位置修正系數(shù)(角部鋼筋取1.6，其他取1.0)；kce為小環(huán)境條件修正系數(shù)(潮濕室外環(huán)境取3.0～4.0，室內(nèi)環(huán)境取1.0～1.5；干燥室外環(huán)境取2.5～3.5，室內(nèi)環(huán)境取1.0)；tini為鋼筋初始銹蝕時(shí)間； ε3為鋼筋銹蝕深度計(jì)算模型不確定性系數(shù)，一般取為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.794 和0.652[19]，其他參數(shù)定義同前。

同鋼筋初始銹蝕模型相似，當(dāng)鋼筋銹蝕深度達(dá)到某個(gè)臨界閾值時(shí)，評(píng)定為混凝土表面初始開(kāi)裂。這個(gè)臨界閾值稱為臨界銹蝕深度，考慮到模型的不確定性，計(jì)算模型為[19]：

式中：kcrs為鋼筋位置影響系數(shù)(角部鋼筋取1.0，其他取1.35)；A、B、C 為不同鋼筋類型對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)，對(duì)光圓鋼筋、變形鋼筋和箍筋，取值分別為(0.012、0.000 84、0.022)、(0.008、0.000 55、0.022)、(0.026、0.0025、0.068)。實(shí)際工程中，檢測(cè)時(shí)的鋼筋狀態(tài)只有銹蝕和未銹蝕兩種，臨界銹蝕狀態(tài)很難被捕捉，所以臨界銹蝕深度無(wú)法通過(guò)檢測(cè)獲得，目前也尚無(wú)文獻(xiàn)給出公式計(jì)算值與實(shí)際臨界銹蝕深度的差異?？紤]到臨界銹蝕深度較大的變異性，此處計(jì)算模型不確定性系數(shù) ε4，假設(shè)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1 和0.5。

根據(jù)鋼筋銹蝕深度預(yù)測(cè)模型和臨界銹蝕深度模型，考慮混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋初始銹蝕時(shí)間、鋼筋銹蝕深度預(yù)測(cè)模型不確定性系數(shù)和臨界銹蝕深度計(jì)算模型不確定性系數(shù)的分布特征，采用Monte Carlo 模擬算法，計(jì)算t時(shí)刻混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂的概率為：

以上模型的詳細(xì)說(shuō)明參考《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)和文獻(xiàn)[19]。上述的模型不確定性系數(shù)，考慮了工程模型計(jì)算值與實(shí)際值的偏差。耐久性模型更新時(shí)，這些不確定性系數(shù)的分布均被視為先驗(yàn)分布。

2 基于無(wú)損檢測(cè)信息的模型更新方法

采用《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344-2004)[22]、《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50784)[23]和《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)[24]的方法，對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)展開(kāi)調(diào)查檢測(cè)，獲得的無(wú)損檢測(cè)信息包含混凝土強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度、通過(guò)半電池電位法確定的鋼筋銹蝕狀況，以及可觀測(cè)到的混凝土表面開(kāi)裂情況。本節(jié)利用檢測(cè)獲得的定性或定量耐久性相關(guān)信息，采用貝葉斯理論，提出對(duì)前述碳化深度預(yù)測(cè)模型、鋼筋初始銹蝕模型、混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型的更新方法，減小模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)耐久情況的差異，提高模型準(zhǔn)確性，用于結(jié)構(gòu)剩余耐久年限的預(yù)測(cè)，并依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)級(jí)。

2.1 碳化深度預(yù)測(cè)模型的更新

假設(shè)結(jié)構(gòu)使用t0年后進(jìn)行檢測(cè)，所獲得的混凝土保護(hù)層樣本為[c1,c2,···] ，碳化深度樣本為[x1,x2,···]，混凝土強(qiáng)度樣本為 [f1,f2,···]，結(jié)構(gòu)所處的年平均相對(duì)溫度(T：oC)和年平均相對(duì)濕度(RH：%)。根據(jù)《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384-2016)[25]，采用混凝土抗壓強(qiáng)度推定值fcu,e(取90%保證率的值)可等效替代模型中的混凝土抗壓強(qiáng)度值fcuk。

對(duì)碳化深度預(yù)測(cè)模型兩邊取對(duì)數(shù)得：

并將其作為更新后的對(duì)數(shù)均值和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 鋼筋初始銹蝕模型的更新

式中，各參數(shù)均采用更新后的分布模型，計(jì)算的初銹時(shí)間是一個(gè)變量，而不是某個(gè)特定的取值。

2.3 混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型的更新

根據(jù)前述公式，計(jì)算t0時(shí)刻先驗(yàn)的開(kāi)裂概率為：

鋼筋銹蝕深度樣本，只有通過(guò)破損取樣才能獲得，取樣檢測(cè)要鑿掉混凝土的保護(hù)層取出鋼筋，測(cè)量鋼筋剩余直徑、銹蝕坑長(zhǎng)度、深度和截面銹蝕率等，屬于破損檢測(cè)的范疇。實(shí)際工程中，為避免破壞結(jié)構(gòu)的整體性，一般不建議進(jìn)行破損檢測(cè)，也就不易獲得鋼筋銹蝕深度的樣本，無(wú)法對(duì)鋼筋銹蝕深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更新。考慮到耐久性評(píng)估中對(duì)鋼筋銹蝕發(fā)展更重要的影響，是預(yù)測(cè)混凝土保護(hù)層的開(kāi)裂概率，所以此處不對(duì)鋼筋銹蝕深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更新，而是以觀測(cè)到的開(kāi)裂比例，對(duì)鋼筋臨界銹蝕深度的計(jì)算模型進(jìn)行更新，以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)混凝土保護(hù)層開(kāi)裂概率的更新和預(yù)測(cè)。

同樣假設(shè)在n′個(gè)檢查構(gòu)件中有m′個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)了順筋裂縫，定義為事件H′，開(kāi)裂概率的似然函數(shù)為：

3 實(shí)例分析

我國(guó)目前處于結(jié)構(gòu)新建與維修改造并重階段，現(xiàn)存了大量的既有混凝土結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行可靠的耐久性能評(píng)估，以做出合理的維修加固或改造決策[15]。工程實(shí)踐表明，混凝土中的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化的最主要因素。對(duì)一般室內(nèi)環(huán)境建筑，通?？梢跃S持50 年不維修，對(duì)室外環(huán)境，使用30 年-40 年即需要維修，對(duì)南方潮濕地區(qū)，使用20 年-30 年即維修，對(duì)重工業(yè)建筑，使用25 年-30 年即需大修，對(duì)惡劣環(huán)境下的建筑，一般10 年-20 年就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害[27]。采用文中方法，基于工程檢測(cè)信息，可綜合先驗(yàn)信息和結(jié)構(gòu)服役的歷史耐久性能，對(duì)由理論和實(shí)驗(yàn)獲得的耐久性機(jī)理模型進(jìn)行更新和修正，以預(yù)測(cè)未來(lái)的損傷和耐久壽命，同時(shí)依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)，對(duì)結(jié)構(gòu)做出合理的耐久性評(píng)估。此處引入文獻(xiàn)[19]中的工程實(shí)例，說(shuō)明本文方法的適用性。

3.1 基本信息

實(shí)例為武漢鋼鐵公司江心水站，建于1957 年，檢測(cè)時(shí)已使用44 年，具體介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。為排除其他因素的影響，本文僅考慮水站主體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)筒內(nèi)部鋼筋混凝土梁板評(píng)定單元。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，環(huán)境相對(duì)溫度為34.1oC，相對(duì)濕度為68%。采用回彈法測(cè)試混凝土強(qiáng)度，并用回彈超聲綜合法進(jìn)行復(fù)核，得到混凝土強(qiáng)度等級(jí)為35.3 MPa。

單元內(nèi)布置10 個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)定混凝土碳化深度，每個(gè)測(cè)區(qū)呈品字形布置三個(gè)測(cè)孔，孔深控制在40 mm左右，用氣筒清除孔內(nèi)粉末，用布擦干凈后噴灑1%酒精酚酞溶液，等變色后用游標(biāo)卡尺測(cè)量碳化深度(每孔在相對(duì)邊測(cè)2 個(gè)數(shù)據(jù)，精確至0.1 mm)。共檢測(cè)混凝土碳化深度樣本60 個(gè)，統(tǒng)計(jì)分析樣本平均值為20.7 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為3.9 mm，變異系數(shù)為0.19。對(duì)混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其變異性較大，共檢測(cè)樣本20 個(gè)，樣本統(tǒng)計(jì)均值為41.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為17.9 mm，變異系數(shù)為0.43。對(duì)混凝土中的鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定，采用鋼筋銹蝕測(cè)試儀和打孔抽查的方法，測(cè)點(diǎn)與混凝土保護(hù)層厚度測(cè)點(diǎn)相同，共20 個(gè)樣本，均未發(fā)現(xiàn)鋼筋有任何銹蝕現(xiàn)象。

3.2 更新過(guò)程和預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)的碳化深度樣本，進(jìn)行碳化深度預(yù)測(cè)模型的更新，更新前后碳化深度概率分布如圖1。更新結(jié)果顯示，實(shí)際碳化速率是理論值的2.2 倍左右。由更新后的碳化深度模型，檢測(cè)獲得的保護(hù)層厚度概率分布和先驗(yàn)的碳化殘量模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)44 年的先驗(yàn)銹蝕概率，平均值為0.759，標(biāo)準(zhǔn)差為0.379，假設(shè)為Beta 分布。由本文方法，考慮20 個(gè)檢測(cè)樣本中無(wú)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)44 年的銹蝕概率進(jìn)行更新，更新后的平均值為0.115，標(biāo)準(zhǔn)差為0.064，更新后仍為Beta 分布，更新前后銹蝕概率的概率分布曲線對(duì)比如圖2。實(shí)際工程檢測(cè)時(shí)，內(nèi)筒內(nèi)部鋼筋混凝土梁板并無(wú)銹蝕現(xiàn)象，更新后的結(jié)果更符合實(shí)際。

圖 1 更新前后的碳化深度Fig. 1 Carbonation depth before and after updating

圖 2 更新前后的第44 年鋼筋銹蝕概率Fig. 2 Corrosion probability for 44 years before and after updating

由圖2 知，更新前的銹蝕概率離散性較大，更新后的離散性顯著降低，采用檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行更新，同時(shí)考慮理論計(jì)算的銹蝕概率和檢測(cè)樣本的銹蝕比例，可有效降低模型的不確定性。根據(jù)式(13)，計(jì)算 ε2的更新后均值(假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)差不變)為0.244，其先驗(yàn)均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1 和0.46，對(duì)于本實(shí)例，理論碳化殘量值與實(shí)際偏差較大，更新前碳化殘量計(jì)算均值為29.306，更新后為9.594，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)需要更長(zhǎng)時(shí)間的碳化，才會(huì)導(dǎo)致鋼筋的銹蝕，這與檢測(cè)結(jié)果相符，更新效果明顯。

采用更新前和更新后的碳化殘量計(jì)算模型，更新后的碳化深度預(yù)測(cè)模型和檢測(cè)獲得的保護(hù)層厚度概率分布參數(shù)，通過(guò)Monte Carlo 模擬結(jié)構(gòu)未來(lái)的銹蝕概率，對(duì)比分析如圖3。假設(shè)不對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何處理，對(duì)結(jié)構(gòu)繼續(xù)服役20 年后的鋼筋銹蝕概率作預(yù)測(cè)，采用更新后的模型預(yù)測(cè)值為0.165，采用理論模型預(yù)測(cè)值為1，差異顯著。由式(14)計(jì)算更新前后鋼筋初始銹蝕時(shí)間，繪制頻率分布直方圖，如圖4，更新前后差異明顯。采用更新前的碳化殘量計(jì)算模型，鋼筋初始銹蝕時(shí)間的平均值為29.88 年，采用更新后的碳化殘量計(jì)算模型，鋼筋初始銹蝕時(shí)間平均值為122.22 年。

圖 3 鋼筋銹蝕概率的預(yù)測(cè)Fig. 3 Prediction of the corrosion probability

圖 4 初銹時(shí)間的頻率分布直方圖Fig. 4 Histogram of the corrosion initiation time

因檢測(cè)時(shí)無(wú)鋼筋銹蝕和混凝土保護(hù)層的順筋開(kāi)裂信息，故本實(shí)例不再對(duì)混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型的更新過(guò)程做討論。工程檢測(cè)中，需根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際耐久性損傷狀態(tài)和檢測(cè)信息，判斷是否進(jìn)行混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型的更新。

3.3 耐久性評(píng)級(jí)

根據(jù)《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)，通過(guò)計(jì)算耐久性裕度系數(shù)，按表1進(jìn)行構(gòu)件的耐久性等級(jí)評(píng)定。對(duì)一般大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋初始銹蝕耐久性極限狀態(tài)的耐久性裕度系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：ti為鋼筋初始銹蝕耐久年限(年)；t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(年)；te為目標(biāo)使用年限(年)； γ0為耐久重要性系數(shù)，由耐久重要性等級(jí)確定。對(duì)重要結(jié)構(gòu)，耐久重要性等級(jí)取為一級(jí)，對(duì)一般結(jié)構(gòu)，宜取為一級(jí)，對(duì)次要結(jié)構(gòu)，宜取為二級(jí)，對(duì)一般結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)，當(dāng)構(gòu)件容易修復(fù)、替換時(shí)，其耐久重要性等級(jí)可降低一級(jí)。對(duì)一級(jí)耐久重要性等級(jí)， γ0取1.1，對(duì)二級(jí)耐久重要性等級(jí)， γ0取1.0，對(duì)三級(jí)耐久重要性等級(jí)， γ0取0.9。

表 1 耐久性等級(jí)評(píng)定[1]Table 1 Durability rating assessment

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定方法，對(duì)反映碳化速率的混凝土碳化系數(shù)，直接由實(shí)測(cè)碳化深度確定，以避開(kāi)諸多不確定性因素的影響，而對(duì)鋼筋初始銹蝕耐久年限的計(jì)算，采用碳化殘量的理論模型，并未根據(jù)實(shí)際工程做相應(yīng)的更新和修正[18]。以下采用文中更新后的碳化殘量計(jì)算模型，計(jì)算耐久性裕度系數(shù)，進(jìn)行耐久性等級(jí)評(píng)定，并與規(guī)范中未作更新的評(píng)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

已知實(shí)例中的內(nèi)筒內(nèi)部鋼筋混凝土梁板，檢測(cè)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)有鋼筋銹蝕和順筋開(kāi)裂現(xiàn)象，且經(jīng)鋼筋銹蝕測(cè)試儀和打孔抽查的20 個(gè)檢測(cè)構(gòu)件中，也沒(méi)有一個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)了鋼筋銹蝕，說(shuō)明碳化環(huán)境下，實(shí)例中構(gòu)件的耐久性狀況良好。若忽略這一事實(shí)，直接采用《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的理論初始銹蝕耐久年限計(jì)算方法進(jìn)行耐久性評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果不準(zhǔn)確，本質(zhì)上忽略了構(gòu)件在歷史使用中的實(shí)際耐久性能。

因此，在耐久性評(píng)級(jí)前，應(yīng)考慮構(gòu)件的實(shí)際耐久狀況，充分利用檢測(cè)信息，對(duì)耐久性模型進(jìn)行更新，并采用更新后的模型計(jì)算耐久性裕度系數(shù)，這對(duì)耐久性評(píng)估的準(zhǔn)確性具有重要意義。

4 結(jié)論

由于工程結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)自身的不確定性及試驗(yàn)材料和試驗(yàn)條件的差異性，目前基于機(jī)理的碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，與檢測(cè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性狀態(tài)具有較大差異。本文基于無(wú)損檢測(cè)信息，提出了碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的更新方法，并根據(jù)更新后的耐久性模型，對(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測(cè)。采用更新后的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355-2019)中的耐久性評(píng)級(jí)方法，對(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件耐久性評(píng)級(jí)。本文提出的耐久性模型更新方法具有普適性，而更新后的耐久性模型和評(píng)估結(jié)果，結(jié)合了待評(píng)估結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)信息，具有針對(duì)性。

實(shí)例分析表明，采用本文提出的耐久性模型更新方法，可以充分利用結(jié)構(gòu)實(shí)際檢測(cè)的碳化深度樣本、銹蝕和開(kāi)裂比例，對(duì)規(guī)范中的耐久性模型進(jìn)行更新，更新后的耐久性模型，其預(yù)測(cè)結(jié)果與檢測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際耐久性狀態(tài)的偏差更小。相比直接采用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中的理論模型，采用更新后的模型進(jìn)行耐久性損傷預(yù)測(cè)和評(píng)估，更符合待評(píng)估結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久狀況。