凍融環(huán)境下水工混凝土結(jié)構(gòu)碳化時(shí)變可靠度分析

劉兆正， 張合朋， 吉慶偉， 侯利軍， 周元斌

(1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處， 江蘇 宿遷 223800； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

混凝土碳化是指空氣中的CO2氣體與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成中性化的化學(xué)成分，從而降低混凝土堿性水平。隨著碳化齡期的增長，混凝土保護(hù)層可能被完全中性化，導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋表面鈍化模失穩(wěn)破壞，鋼筋失去保護(hù)，進(jìn)而誘發(fā)鋼筋銹蝕、保護(hù)層開裂等更為嚴(yán)重的耐久性問題[1]。

混凝土材料是影響混凝土碳化速率的內(nèi)在因素。通過優(yōu)化配置混凝土的水膠比、水泥用量、外加劑以及摻合料等，提高混凝土的密實(shí)度，減小內(nèi)部連通孔隙率，從而降低CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)[2-3]。其次，環(huán)境溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境因素和混凝土應(yīng)力狀態(tài)是影響碳化的主要外部因素。研究表明，混凝土碳化速率隨著溫度和CO2濃度的增加而加快，相對濕度在50%左右時(shí)碳化速率最高，而相對濕度過高或過低均顯著降低碳化速率[4]。特別地，在遭受干濕交替作用時(shí)，碳化作用更為嚴(yán)重[5]?；炷潦芾瓡r(shí)，內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展而加快碳化速率，在受壓時(shí)內(nèi)部孔隙和微裂縫閉合而減小碳化速率[6]。

水工混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜，而且一些部位常年遭受干濕交替作用，碳化作用的影響不容忽視。特別在寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)還同時(shí)遭受凍融循環(huán)的作用，凍融損傷不僅劣化了混凝土的強(qiáng)度和整體性，而且降低了密實(shí)度并增大了CO2的擴(kuò)散系數(shù)，兩者共同作用往往導(dǎo)致更為嚴(yán)重的耐久性退化甚至結(jié)構(gòu)破壞[7]。調(diào)查表明[8]，在我國“三北地區(qū)”，運(yùn)行僅30年左右、甚至不超過20年的水工混凝土結(jié)構(gòu)常常遭受嚴(yán)重的凍融損傷和破壞，嚴(yán)重劣化結(jié)構(gòu)的耐久性。

本文針對凍融環(huán)境下混凝土碳化問題，結(jié)合既有模型建立該環(huán)境條件下混凝土的碳化深度模型，進(jìn)而開展碳化時(shí)變可靠度分析和碳化壽命預(yù)測，然后進(jìn)行參數(shù)影響分析，為寒冷地區(qū)混凝土碳化可靠性分析提供參考。

1 普通大氣環(huán)境下混凝土碳化模型

混凝土的碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比，可通過碳化深度預(yù)測模型公式(1)計(jì)算

(1)

式中：xc為混凝土碳化深度；k為反映混凝土碳化速度的碳化系數(shù)；t為碳化時(shí)間。對于碳化系數(shù)k，目前主要有基于氣體擴(kuò)散理論的模型、基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约盎跀U(kuò)散理論和試驗(yàn)的模型[1]。相比這幾類模型，基于擴(kuò)散理論和試驗(yàn)的碳化模型采用試驗(yàn)結(jié)果對碳化理論模型進(jìn)行修正，綜合了理論性和實(shí)際可操作性的優(yōu)點(diǎn)，適用性更好[5]。

在水工混凝土結(jié)構(gòu)碳化分析中，各工程的混凝土材料特性不同，而且環(huán)境條件復(fù)雜，需要綜合環(huán)境和材料影響效應(yīng)。余波等[5]基于多場耦合混凝土碳化數(shù)值模型，進(jìn)行了環(huán)境因素對碳化深度的影響分析，引入反應(yīng)溫度、CO2濃度和相對濕度的環(huán)境綜合影響系數(shù)，建立基于理論與試驗(yàn)的混凝土碳化深度實(shí)用預(yù)測模型。因此，本文采用余波等[5]建立的碳化模型，可以表示為

(2)

表1 單位體積混凝土吸收CO2的量[10]

表2 不同環(huán)境條件下的環(huán)境系數(shù)ke[5]

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，混凝土的CO2擴(kuò)散系數(shù)[9]可以表示為

(3)

0.0279βbs+0.1447βs-0.2902)

(4)

式中，w/b為水膠比。

2 凍融環(huán)境下混凝土的CO2擴(kuò)散系數(shù)

在凍融循環(huán)的反復(fù)作用下，凍融損傷導(dǎo)致混凝土密實(shí)度下降，孔隙率增大，加速了二氧化碳?xì)怏w在混凝土中的擴(kuò)散速率。肖前慧[7]通過混凝土凍融-碳化試驗(yàn)，定量分析了凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土連通孔孔隙率的影響，建立了凍融環(huán)境下CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)模型

(5)

式中：n為室內(nèi)試驗(yàn)快速凍融循環(huán)次數(shù)，S為混凝土孔隙水飽和度(%)，可以表示為

(6)

2.1 各地區(qū)的凍融循環(huán)次數(shù)

李金玉等[11]通過對我國華北地區(qū)(北京)、東北地區(qū)(長春)、西北地區(qū)(西寧)和中南地區(qū)(宜昌)50年氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考慮嚴(yán)寒地區(qū)持續(xù)性負(fù)溫天氣，建立以年均負(fù)溫天數(shù)nf為參數(shù)的自然年均凍融循環(huán)次數(shù)nact的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

nact(nf)=λnf

(7)

式中，λ為修正系數(shù)。結(jié)合負(fù)溫天數(shù)、有陽光照射的百分率、日溫差變化情況、混凝土發(fā)生凍融循環(huán)的溫度條件、以及我國部分地區(qū)的實(shí)測或統(tǒng)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)數(shù)據(jù)，綜合取λ=0.7。經(jīng)計(jì)算可得，我國各地區(qū)的自然年平均凍融循環(huán)次數(shù)為：東北地區(qū)120次，華北地區(qū)84次，西北地區(qū)118次，華中地區(qū)18次，華東地區(qū)約18～84次，華南地區(qū)0次。

武海榮等[12]對凍融循環(huán)次數(shù)nact與最冷月平均氣溫θ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，結(jié)果表明，除青藏地區(qū)由于高原氣候影響需單獨(dú)考慮外，我國其余地區(qū)的年均凍融循環(huán)次數(shù)與最冷月平均氣溫有著較好的相關(guān)關(guān)系，并提出自然凍融循環(huán)次數(shù)模型

(8)

2.2 實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際環(huán)境的凍融次數(shù)相關(guān)關(guān)系

李金玉等[11]基于現(xiàn)場3年的抗凍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步得出了實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境的凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)關(guān)系：按照我國現(xiàn)行規(guī)范所進(jìn)行的混凝土快速凍融試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境凍融循環(huán)次數(shù)之比約為1∶10～1∶15，即快速凍融循環(huán)1次大致相當(dāng)于自然環(huán)境下凍融循環(huán)10～15次。

3 凍融環(huán)境下混凝土碳化時(shí)變可靠度

凍融環(huán)境下混凝土碳化的極限狀態(tài)方程為

z(t)=c-x0-xc=c-x0-kxcxc

(9)

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度；kxc為碳化深度計(jì)算模式不確定系數(shù)；x0為碳化殘量，是指鋼筋銹蝕開始時(shí)碳化鋒面至鋼筋表面的距離，與混凝土強(qiáng)度、相對濕度及保護(hù)層厚度相關(guān)，可以表示為

(10)

式中，fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa，取為0.79fcu,k(立方體抗壓強(qiáng)度)。此外，碳化殘量也常常被考慮為常量，余波等[5]取碳化殘量為5 mm，故本文暫不考慮該參數(shù)的計(jì)算模式不確定系數(shù)。

研究表明，保護(hù)層厚度c服從正態(tài)分布，其均值與變異系數(shù)分別為0.99和0.16[13]；混凝土抗壓強(qiáng)度也服從正態(tài)分布，其變異系數(shù)可參照表3取值[13]。此外，牛荻濤等[14]基于對舊建筑物混凝土碳化深度實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)碳化深度基本服從正態(tài)分布和極值Ⅰ型分布，并建議采用正態(tài)分布作為碳化深度的概率模型。碳化殘量的概率分布模型的報(bào)道很少，不妨假定該變量也服從正態(tài)分布。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的碳化時(shí)變可靠指標(biāo)β可以通過下式計(jì)算

表3 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)[13]

(11)

(1)碳化殘量x0的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為

(μc-5)[ln(μfc/kfc)-2.3]

(12)

(13)

式中：μfc、σfc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；kfc為軸心抗壓強(qiáng)度均值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值，根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的95%保證率，可計(jì)算得到該系數(shù)為1.2。

水工結(jié)構(gòu)中部分混凝土結(jié)構(gòu)處于飽水狀態(tài)，特別是干濕交替的部分，更易遭受凍融損傷，需要考慮該損傷對混凝土抗壓強(qiáng)度不利效應(yīng)。肖前慧[7]的研究表明，凍融損傷混凝土的強(qiáng)度與水膠比w/b、粉煤灰摻量βf和含氣量a等因素相關(guān)，并建立了凍融損傷混凝土的抗壓強(qiáng)度退化模型

ρ=fcn/fc0=

(14)

式中：a為含氣量；fcn、fc0為凍融損傷前后混凝土的抗壓強(qiáng)度。

結(jié)合李田等[15]建立的北方大氣區(qū)混凝土?xí)r變強(qiáng)度模型，進(jìn)一步考慮凍融損傷，混凝土抗壓強(qiáng)度可近似采用如下模型：

(15)

式中：μfc(t)，δfc(t)分別為t年后混凝土強(qiáng)度的均值和變異系數(shù)；μfc0、δfc0分別為初始時(shí)刻的均值與變異系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差σfc=δfcμfc。

(2)碳化深度xc的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為

(16)

對于碳化深度計(jì)算模式不確定系數(shù)kxc，根據(jù)余波等[5]計(jì)算得到的2類混凝土試件的碳化深度，在大氣環(huán)境下該系數(shù)的均值與變異系數(shù)分別取為1.03和0.265；根據(jù)肖前慧[7]的碳化深度計(jì)算結(jié)果，在凍融環(huán)境下該系數(shù)的均值與變異系數(shù)分別取為0.89和0.297。

4 算例及參數(shù)分析

某處于北京地區(qū)大氣環(huán)境中的水閘混凝土結(jié)構(gòu)，閘墻厚0.6 m，采用強(qiáng)度為C30的單摻礦物摻合料混凝土，水膠比0.45，配有直徑為20 mm的豎向和橫向HRB335變形鋼筋，保護(hù)層厚度30 mm?；炷林蟹勖夯业馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，膠凝材料的總質(zhì)量為400 kg/m3，混凝土的含氣量為4.5%。該地區(qū)年平均溫度13℃，平均濕度55%，室外環(huán)境CO2的體積分?jǐn)?shù)0.03%。試算，服役齡期內(nèi)閘墻中部受拉區(qū)混凝土碳化時(shí)變可靠水平。

本工程所屬北京地區(qū)，根據(jù)李金玉[11]的研究，該地區(qū)混凝土每年遭受的自然凍融循環(huán)次數(shù)約為84次，取實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境凍融循環(huán)次數(shù)之比為1∶12.9，則換算的實(shí)驗(yàn)室快速凍融次數(shù)為每年6.51次。

本工程采用了摻加粉煤灰的混凝土，文獻(xiàn)[10]表明我國火電廠粉煤灰大部分為低鈣粉煤灰，并對近100家火電廠粉煤灰進(jìn)行成分分析，表明CaO含量約為3.22%，Al2O3的含量約為27.8%，故不考慮CaO的活性。在計(jì)算參數(shù)m0時(shí)，ω(CaO)取為0，結(jié)合相關(guān)給定參數(shù)，可得：

m0=8.22B(1-βf)(1-α)-

此外，水閘混凝土結(jié)構(gòu)處于室外環(huán)境，同時(shí)還可能受到陽光輻射影響，結(jié)合該地區(qū)的相對濕度和溫度，查表1可知該結(jié)構(gòu)可能遭受3種不同程度的碳化作用，體現(xiàn)為不同的環(huán)境綜合影響系數(shù)，即中等ke=0.055，較嚴(yán)重ke=0.071，嚴(yán)重ke=0.101。一般而言，水工混凝土結(jié)構(gòu)的干濕交替區(qū)混凝土碳化最為嚴(yán)重，不妨以ke=0.101的工況表征干濕交替區(qū)碳化作用。

圖1所示為不同程度碳化作用下受凍融損傷閘墻混凝土保護(hù)層碳化時(shí)變可靠度。由圖可見，碳化殘量對混凝土碳化可靠水平有顯著影響。在中度碳化作用下，不考慮碳化殘量時(shí)，在設(shè)計(jì)使用年限50年之內(nèi)，其可靠指標(biāo)均高于正常使用極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)1.0。也就是說，該區(qū)域混凝土不會(huì)發(fā)生保護(hù)層完全碳化。相比之下，考慮碳化殘量后，其碳化壽命下降至約42年。碳化殘量與相對濕度、混凝土強(qiáng)度和保護(hù)層厚度相關(guān)，本工程條件下，碳化殘量計(jì)算值約為7 mm左右，約占保護(hù)層厚度的1/4，故極大影響了碳化壽命。此外，隨著碳化作用程度由中等加劇為嚴(yán)重，可靠指標(biāo)下降速率顯著加快，混凝土保護(hù)層碳化壽命明顯縮短。在嚴(yán)重碳化作用下，保護(hù)層碳化壽命甚至僅約為18年。可見，環(huán)境條件的影響對混凝土碳化時(shí)變可靠水平和碳化壽命有著重要的影響，合理表征環(huán)境影響系數(shù)對碳化可靠度分析尤為重要。

圖1 閘墻中部混凝土碳化時(shí)變可靠水平

此外，基于本文碳化模型和可靠度分析方法分析了不同參數(shù)條件下水工混凝土的碳化時(shí)變可靠水平。圖2所示為凍融與碳化共同作用下不同保護(hù)層厚度與強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)的碳化時(shí)變可靠指標(biāo)。由圖可見，碳化可靠指標(biāo)對保護(hù)層厚度的敏感性要遠(yuǎn)高于混凝土強(qiáng)度。隨著保護(hù)層厚度從20 mm增大到40 mm，碳化壽命從17年增大為44年。相比之下，隨著混凝土強(qiáng)度從20 MPa增加到40 MPa，碳化壽命僅增長約12年。可見，在工程施工中，要嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度，特別是遭受嚴(yán)重碳化作用的干濕交替結(jié)構(gòu)部位。

圖2 不同保護(hù)層和強(qiáng)度等級下結(jié)構(gòu)中部混凝土碳化時(shí)變可靠水平

圖3所示為凍融與非凍融條件下中部與角部部位的碳化時(shí)變可靠指標(biāo)。由圖3可見，角部部位混凝土的碳化可靠水平顯著低于中部部位，角部混凝土在較嚴(yán)重和嚴(yán)重碳化作用下的碳化壽命僅約為17年和10年。在初始服役階段，凍融對碳化可靠水平的影響較小，在遭受一定年限的凍融循環(huán)后，碳化可靠指標(biāo)逐漸低于未凍融損傷混凝土結(jié)構(gòu)的可靠水平。特別地，凍融作用對不考慮碳化殘量時(shí)的可靠指標(biāo)影響較大，如圖3(a)所示。這主要是由于不考慮碳化殘量時(shí)，混凝土經(jīng)歷相對緩慢的可靠指標(biāo)下降速率，長期累積的凍融損傷加大混凝土的CO2擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而降低碳化可靠水平。然而，對于考慮碳化殘量的角部部位或嚴(yán)重碳化作用區(qū)域，碳化可靠水平隨服役齡期下降很快，混凝土凍融損傷較輕，對可靠水平的影響較小。可見，對于水工混凝土結(jié)構(gòu)角部部位和遭受嚴(yán)重碳化作用的干濕交替部位，要適當(dāng)加大保護(hù)層厚度，提高混凝土保護(hù)層的碳化可靠水平，進(jìn)而避免結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕和混凝土銹脹開裂。

圖3 凍融與非凍融條件下水工混凝土碳化時(shí)變可靠水平

5 結(jié) 論

本文針對凍融環(huán)境下水工混凝土結(jié)構(gòu)碳化耐久性問題，開展了混凝土碳化時(shí)變可靠性分析，得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)合大氣環(huán)境下混凝土碳化模型、凍融損傷混凝土的強(qiáng)度和CO2擴(kuò)散系數(shù)模型、自然與實(shí)驗(yàn)室凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系，建立了凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度預(yù)測模型。

(2)基于考慮碳化殘量影響的碳化壽命功能函數(shù)，結(jié)合相關(guān)變量的統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)字特征，建立了凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的碳化時(shí)變可靠度分析方法。

(3)碳化時(shí)變可靠度參數(shù)分析表明，碳化殘量對混凝土碳化壽命預(yù)測有顯著影響，累計(jì)凍融損傷達(dá)一定程度后才能降低混凝土碳化可靠水平，而且隨著服役時(shí)間增長影響越顯著?；炷帘Ｗo(hù)層厚度和環(huán)境條件綜合影響系數(shù)是碳化壽命的控制參數(shù)，而混凝土強(qiáng)度的影響相對較小。同時(shí)，角部部位混凝土碳化可靠指標(biāo)的經(jīng)時(shí)下降速率要遠(yuǎn)高于中部部位的混凝土。