周洪培

（寧德沈海復(fù)線寧連高速公路有限公司，福建寧德 352000）

0 引言

混凝土中鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)安全性、可靠度降低的主要原因，而在大氣環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)碳化是混凝土中鋼筋銹蝕的前提。因而，研究混凝土的碳化對(duì)研究混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有著非常重要的意義。對(duì)混凝土碳化機(jī)理及影響因素的深入研究發(fā)現(xiàn)，混凝土保護(hù)層厚度及碳化深度都具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，基于隨機(jī)性理論建立科學(xué)、合理、實(shí)用的混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型并對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行適用耐久性評(píng)估具有重要意義。

1 碳化深度預(yù)測(cè)模型分析

國(guó)內(nèi)外的諸多研究人員對(duì)混凝土碳化進(jìn)行了深入的研究，在分析了大量碳化試驗(yàn)基礎(chǔ)上，引入了碳化系數(shù)，提出計(jì)算混凝土碳化深度的一般表達(dá)式：

式中：xc——混凝土碳化深度；

k——混凝土碳化系數(shù)。

1.1 建立實(shí)用模型

碳化系數(shù)，反映了混凝土的抗碳化的能力。它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種和用量、養(yǎng)護(hù)辦法、孔隙的大小及分布有關(guān)，而且與環(huán)境中的二氧化碳濃度、空氣相對(duì)濕度、溫度等因素有關(guān)[1]。根據(jù)這些影響因素，提出了下面的以考慮混凝土自身質(zhì)量與環(huán)境條件影響為主，同時(shí)考慮分析的位置、混凝土養(yǎng)護(hù)澆筑面、混凝土工作應(yīng)力情況的預(yù)測(cè)及混凝土碳化深度的多系數(shù)隨機(jī)模式：

式中：Kj——角部位置影響系數(shù)；

kco2——CO2濃度系數(shù)；

kp——澆筑面影響系數(shù)；

ks——工作應(yīng)力影響系數(shù)；

Ke——環(huán)境影響系數(shù)；

Kf——混凝土質(zhì)量影響系數(shù)；

Kmc——未知因素影響系數(shù)。

1.2 確定各因素影響系數(shù)

1.2.1 混凝土質(zhì)量影響系數(shù)Kf的確定

抗壓強(qiáng)度是反映混凝土力學(xué)性能的綜合指標(biāo)，它綜合反映了混凝土的水灰比、水泥和石料的品種及用量、施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等因素對(duì)混凝土質(zhì)量的影響?；炷翉?qiáng)度越高，說明其密實(shí)性越好，抗碳化能力越強(qiáng)。因此，以混凝土抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)建立的碳化預(yù)測(cè)模型更能符合實(shí)際情況，消除了傳統(tǒng)模型的以水灰比為主要參數(shù)的很多缺點(diǎn)，可取

1.2.2 CO2濃度系數(shù)kco2的確定

環(huán)境中二氧化碳的濃度是影響混凝土碳化的主要外界因素之一，濃度越大、碳化梯度越大，則碳化速度越快[2]。參考規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)橋梁所處工作環(huán)境進(jìn)行估計(jì)，對(duì)于室外環(huán)境的估計(jì)值見表1所列。

表1 室外環(huán)境kco2的取值表

1.2.3 環(huán)境影響系數(shù)Ke的確定

由于環(huán)境溫度和相對(duì)濕度有較強(qiáng)的相關(guān)性，兩者影響系數(shù)綜合為環(huán)境因子Ke[3]，由下式具體計(jì)算：

式中:T和RH分別代表所在環(huán)境年平均溫度（℃）和所在環(huán)境年平均濕度。

1.2.4 其他因素影響系數(shù)的確定

角部位置影響系數(shù)kj，是指考慮二氧化碳在混凝土不同位置中的擴(kuò)散路徑與碳化進(jìn)程的關(guān)系有所區(qū)別，來確定的碳化影響系數(shù)。對(duì)于角部，混凝土的碳化是屬于雙向擴(kuò)散，通過理論分析得出角部混凝土碳化深度是非角部的約倍?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定角部取kj=1.4，非角部則取1.0。

澆筑面影響系數(shù)則是考慮到混凝土施工時(shí)，澆筑面與其他結(jié)構(gòu)面在振搗、養(yǎng)護(hù)及拆模時(shí)間的區(qū)別，導(dǎo)致對(duì)碳化速率有所影響，對(duì)澆注面取kp=1.2。

考慮到混凝土在拉壓兩種不同受力狀態(tài)時(shí)，其會(huì)有微觀上的區(qū)別，甚至受拉時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂縫或裂縫，規(guī)范規(guī)定：混凝土處于受壓區(qū)時(shí)，取ks=1.0；處于受拉區(qū)時(shí)取1.1。

未知因素影響系數(shù)Kmc，反映了該計(jì)算模型未考慮到的其他未知因素的影響，也包含了該計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的差異。

2 混凝土碳化壽命分析

目前，在耐久性研究方面，大多數(shù)理論認(rèn)為把碳化深度到達(dá)鋼筋表面所用時(shí)間定義為鋼筋開始銹蝕時(shí)間。然而，參考大量工程調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果（用酚酞試劑測(cè)定的碳化深度）表明，并不是碳化深度一達(dá)到鋼筋表面，鋼筋就開始銹蝕。文獻(xiàn)認(rèn)為，室內(nèi)環(huán)境中，當(dāng)碳化深度超過鋼筋位置20～30mm后鋼筋才開始銹蝕；而在其他一些環(huán)境下，鋼筋在碳化深度未達(dá)到其表面時(shí)就已經(jīng)銹蝕。于是，混凝土碳化壽命是一個(gè)隨機(jī)過程[4]，碳化壽命準(zhǔn)則可以表示為：

式中：c——混凝土保護(hù)層厚度，是隨機(jī)變量；

x0——碳化殘量，是和混凝土強(qiáng)度、環(huán)境條件及混凝土保護(hù)層厚度的相關(guān)函數(shù)，也是隨機(jī)變量；

X（t）——混凝土碳化深度，是一個(gè)隨機(jī)過程；

T——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限。

2.1 混凝土碳化深度的隨機(jī)性

混凝土碳化現(xiàn)象，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。因結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和混凝土本身的質(zhì)量都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，所以混凝土碳化深度也具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。即使同一環(huán)境、同一強(qiáng)度的兩個(gè)混凝土構(gòu)件，其碳化深度也會(huì)存在較大差異。

大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，混凝土保護(hù)層厚度及碳化深度均能較好地服從正態(tài)分布。混凝土碳化深度不僅具有隨機(jī)性，而且還具有隨機(jī)過程性[3]。因此，宜用非平穩(wěn)隨機(jī)過程進(jìn)行描述。碳化深度的一維概率密度函數(shù)可以表示為：

式中：t為碳化時(shí)間；μX（t）及 σX（t）分別代表凝土碳化深度的平均值函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)，且：

式中：μK及σK分別代表碳化系數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差?；炷撂蓟疃鹊碾S機(jī)模型可以表示為：

式中：Fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa，是隨機(jī)變量；

mc——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值。

2.2 碳化壽命概率分析

混凝土碳化耐久性失效，即鋼筋發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)方程為：

式中：X（t）——混凝土碳化深度。

鋼筋發(fā)生銹蝕的概率為：

與結(jié)構(gòu)可靠度的定義類似，為了對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行度量，提出了結(jié)構(gòu)耐久度的概念。定義結(jié)構(gòu)耐久度為：結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，在服役期內(nèi)不發(fā)生耐久性失效的概率。與混凝土碳化耐久性失效準(zhǔn)則相應(yīng)的耐久度則稱為碳化耐久度，可以表示為：

相應(yīng)的，可靠指標(biāo)可以表示為：

在設(shè)置混凝土碳化的可靠度指標(biāo)時(shí)，要綜合考慮建筑物的重要性(經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響)與技術(shù)狀況等綜合因素，這個(gè)問題是極為復(fù)雜的。清華大學(xué)通過對(duì)建筑物的調(diào)查，給出了結(jié)構(gòu)破損狀態(tài)和鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系，對(duì)鋼筋銹蝕的允許概率提出的建議見表2。表2中給出的鋼筋銹蝕概率不表示鋼筋開始銹蝕概率，而是表示鋼筋達(dá)到有害銹蝕狀態(tài)時(shí)的概率。有害銹蝕狀態(tài)實(shí)際是指構(gòu)件截面已經(jīng)開始產(chǎn)生損失，或者是肉眼辨別不出來的，沿鋼筋的全長(zhǎng)卻產(chǎn)生了浮銹。

表2 鋼筋銹蝕允許概率一覽表

鋼筋開始銹蝕的可靠指標(biāo)限值如表3所列。

表3 鋼筋開始銹蝕的允許概率一覽表

3 算例分析

福建某大橋?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，其下部結(jié)構(gòu)的混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C35。已通車運(yùn)營(yíng)24 a，經(jīng)查閱相關(guān)資料確定該橋橋墩并未采取相關(guān)防腐處理措施，橋墩外觀良好，未見修補(bǔ)跡象，無人為干擾。對(duì)橋墩混凝土碳化深度進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢測(cè)，共抽樣80個(gè)測(cè)點(diǎn)?；炷撂蓟疃炔捎梅犹凭噭┑味ǚǎ瑢?shí)測(cè)結(jié)果見表4所列；混凝土保護(hù)層采用鋼筋檢測(cè)儀實(shí)地檢測(cè)，結(jié)果見表5所列。并采用SPSS對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果如表6所列、保護(hù)層厚度及碳化深度分布規(guī)律如圖1、圖2所示。

表4 混凝土保護(hù)層實(shí)測(cè)結(jié)果一覽表

表5 混凝土碳化深度實(shí)測(cè)結(jié)果一覽表

表6 假設(shè)檢驗(yàn)匯總表

由表5可知，混凝土保護(hù)層厚度及碳化深度大致服從正態(tài)分布，具有明顯的隨機(jī)性。這也證實(shí)了本文研究方法的合理性。

根據(jù)上述方法，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于隨機(jī)性的碳化壽命分析。

如認(rèn)定該結(jié)構(gòu)為重要結(jié)構(gòu)，取其可靠性指標(biāo)β=0.5，則計(jì)算出其碳化壽命為42 a，其已服役24 a，則剩余碳化壽命為18 a。

如認(rèn)定其為一般結(jié)構(gòu)，則取其可靠性指標(biāo)為β=0，則計(jì)算出其碳化壽命為51 a，則剩余壽命為27 a。

4 結(jié)論

本文基于混凝土碳化隨機(jī)性理論和實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，完善了混凝土橋梁的碳化深度均值和碳化深度標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)變模型，在此基礎(chǔ)上分析了混凝土橋梁的碳化時(shí)變可靠度，給出了基于可靠度的碳化壽命預(yù)測(cè)方法。由本文分析過程知碳化壽命準(zhǔn)則可用于確定混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命及合理維護(hù)檢修的時(shí)間，從而避免鋼筋銹蝕的發(fā)生和結(jié)構(gòu)耐久性能的退化，也可避免橋梁結(jié)構(gòu)的過度養(yǎng)護(hù)。

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