黃建平
(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
旱區(qū)環(huán)境下砼橋梁碳化問(wèn)題分析
黃建平
(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙410004)
針對(duì)中國(guó)西北旱區(qū)環(huán)境的橋梁工程砼碳化問(wèn)題,從影響因素角度進(jìn)行分析,提出了用于旱區(qū)環(huán)境的砼碳化深度研究方法;經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)量,闡明了碳化深度計(jì)算模型的可行性,說(shuō)明了保護(hù)層厚度與砼強(qiáng)度對(duì)碳化深度的影響。
橋梁;碳化;旱區(qū)環(huán)境;保護(hù)層厚度;砼強(qiáng)度
鋼筋砼在大氣環(huán)境作用下,隨著工作年限的增長(zhǎng)會(huì)慢慢老化,耐久性受損。旱區(qū)橋梁工程耐久性降低的主要原因是結(jié)構(gòu)的保護(hù)層砼逐漸發(fā)生碳化。若碳化現(xiàn)象嚴(yán)重,則保護(hù)層砼會(huì)發(fā)生銹蝕開(kāi)裂,嚴(yán)重影響橋梁工程的正常使用,需進(jìn)行維修才可繼續(xù)投入使用。
1.1大氣環(huán)境影響因素
橋梁保護(hù)層碳化是一個(gè)緩慢的物理化學(xué)作用過(guò)程,影響碳化速度的因素主要是現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度與濕度等條件。環(huán)境溫度與碳化系數(shù)間的關(guān)系如下:
式中:KT1、KT2分別表示T1與T2兩種大氣環(huán)境下的碳化系數(shù)。
濕度環(huán)境對(duì)砼碳化的影響公式為:
式中:kRH1、kRH2分別表示RH 1與RH 2兩種濕度環(huán)境下的碳化速度。
根據(jù)式(2),碳化速度與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的相對(duì)濕度大小關(guān)系密切。當(dāng)相對(duì)濕度小時(shí),碳化速度快。中國(guó)西北地區(qū)空氣干燥,部分地區(qū)的溫度、濕度見(jiàn)表1。
表1 西北旱區(qū)部分地區(qū)的年均溫度和濕度
大氣環(huán)境的溫度與濕度之間相關(guān)性強(qiáng),考慮到
式中:T為現(xiàn)場(chǎng)的年平均溫度(℃);RH為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的年均濕度(%)。
根據(jù)式(3),在年均溫度與年均濕度均較小的情況下,干旱地區(qū)的砼碳化速度更快。
1.2砼材料性能影響
抗壓能力能綜合反映砼的物理性能,通常情況下,砼抗壓強(qiáng)度越高,抗碳化能力越強(qiáng)。利用酚酞酒精溶液測(cè)得的大量實(shí)際工程砼碳化深度數(shù)據(jù),通過(guò)線性回歸分析,得到抗壓強(qiáng)度與碳化系數(shù)之間的關(guān)系如下:
式中:kf表示由強(qiáng)度控制的砼碳化系數(shù);fcu,k表示砼的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)。
根據(jù)中國(guó)20世紀(jì)80年代工業(yè)廠房的吊車梁檢測(cè)數(shù)據(jù),鉆芯法測(cè)得C15砼碳化深度為70 mm。干旱地區(qū)暴露于空氣中的鋼筋銹蝕速度遠(yuǎn)比潮濕地區(qū)鋼筋銹蝕速度慢,但砼保護(hù)層發(fā)生碳化后,暴露在空氣中的鋼筋銹蝕速度將大大增快。溫度與濕度對(duì)砼碳化速度的綜合影響,將兩個(gè)系數(shù)綜合考慮,引入一個(gè)新的變量,即環(huán)境因子,其計(jì)算公式如下:
2.1碳化深度的檢測(cè)評(píng)價(jià)
旱區(qū)環(huán)境下評(píng)價(jià)暴露于空氣中的砼結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)是砼的碳化深度。碳化深度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法主要有兩種,即彩虹與酚酞試劑法,兩種測(cè)量方法的結(jié)果較為接近,在此選擇價(jià)格相對(duì)便宜的酚酞試劑法。
(1)選擇構(gòu)件。在利用碳化深度修正砼的強(qiáng)度時(shí),抽取的試件數(shù)量大于10個(gè),需大于同類構(gòu)件總數(shù)的30%。
(2)測(cè)區(qū)布置。構(gòu)件測(cè)量區(qū)域的布置主要根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的尺寸、材料特性及環(huán)境確定,一般位于兩個(gè)互相垂直的側(cè)面,數(shù)量為3~5個(gè)。測(cè)量區(qū)域一般應(yīng)包括構(gòu)件有代表性的部位。
(3)鉆孔。各個(gè)測(cè)量區(qū)域布置3個(gè)測(cè)孔,將其平均值作為該區(qū)域的測(cè)量結(jié)果代表值。在碳化深度小時(shí),可選擇較小孔徑的測(cè)量孔;當(dāng)碳化深度大時(shí),可選擇直徑較大的測(cè)量孔。
(4)清孔。不要用水來(lái)清理測(cè)量孔中的粉末與碎屑,而應(yīng)采用高壓空氣清理剩余垃圾和碎屑。
(5)測(cè)量碳化深度。將濃度1%的酚酞試劑噴于孔壁內(nèi)側(cè)邊緣,若碳化部位與未碳化部位的界限清晰明了,可直接采用深度測(cè)量工具來(lái)測(cè)量,取平均值作為測(cè)量孔的碳化深度值。
2.2旱區(qū)橋梁砼碳化深度評(píng)價(jià)
國(guó)內(nèi)外已有不少預(yù)測(cè)砼碳化深度的計(jì)算公式,但均存在一定的局限性,實(shí)際應(yīng)用中誤差大。為分析干旱地區(qū)橋梁工程砼的碳化特性,選擇濕度環(huán)境差異小的砼進(jìn)行檢測(cè)。首先利用無(wú)損檢測(cè)法測(cè)量砼抗壓強(qiáng)度,再在腹板上鉆孔并清洗干凈,噴灑濃度為1%的檢測(cè)試劑,根據(jù)顏色判斷碳化深度。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。
根據(jù)表1,在梁體砼強(qiáng)度低時(shí),保護(hù)層砼的碳化系數(shù)較大,隨著強(qiáng)度的增大,碳化系數(shù)下降,基本符合拋物線規(guī)律(見(jiàn)圖1)。
將表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到砼強(qiáng)度與碳化系數(shù)k的關(guān)系[見(jiàn)式(5)]和碳化深度x與年限t的關(guān)系[見(jiàn)式(6)]:
根據(jù)表1,受橋梁工程建造環(huán)境與場(chǎng)地環(huán)境的限制,檢測(cè)得到的砼強(qiáng)度與橋梁跨度關(guān)系較大,一般隨著跨度的增大,砼強(qiáng)度也增大。在砼強(qiáng)度低時(shí),測(cè)量得到的碳化深度數(shù)據(jù)離散性較大。砼強(qiáng)度越高,碳化深度越小,碳化系數(shù)明顯下降。
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,碳化深度的測(cè)量結(jié)果隨機(jī)性大,這主要是由于施工環(huán)境、施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件等導(dǎo)致砼保護(hù)層本身質(zhì)量具有一定的隨機(jī)性。
3.1砼碳化深度可靠度分析
經(jīng)分析,碳化耐久性失效概率為:
可靠度指標(biāo)為:
根據(jù)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)構(gòu)正常使用情況下的可靠度指標(biāo)不宜小于1~1.5,需考慮結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況及社會(huì)因素。
3.2橋梁砼碳化壽命評(píng)估
為了驗(yàn)證碳化深度隨機(jī)模型,以某三跨連續(xù)拱橋?yàn)槔?,通過(guò)對(duì)保護(hù)層厚度、碳化深度的檢測(cè),分析評(píng)價(jià)橋梁剩余使用壽命。
表2 旱區(qū)橋梁保護(hù)層砼碳化深度檢測(cè)結(jié)果
圖1 砼強(qiáng)度與碳化系數(shù)的關(guān)系
拱橋由拱肋、梁、柱及橫撐組成,進(jìn)行鉆芯法測(cè)量修正后的結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 鉆芯法修正的砼強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果MPa
對(duì)構(gòu)件保護(hù)層進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果服從正態(tài)分布。建立碳化耐久性年限方程,根據(jù)橋梁重要性,可將碳化可靠度指標(biāo)取為0.5,即碳化概率為30%。實(shí)測(cè)得到的橋梁碳化耐久性剩余年限見(jiàn)表4~6,動(dòng)態(tài)可靠度指標(biāo)與年限的關(guān)系見(jiàn)圖2~4。
根據(jù)測(cè)量結(jié)果,構(gòu)件截面小的立柱受環(huán)境影響更大,保護(hù)層質(zhì)量相對(duì)更差,碳化剩余壽命短。梁與主拱的體積大,支模、澆筑、養(yǎng)護(hù)條件好,砼密實(shí)性好,剩余壽命長(zhǎng),能滿足功能使用要求。采用可靠度分析方法,可解決測(cè)量數(shù)據(jù)離散問(wèn)題,有助于正確預(yù)測(cè)砼碳化壽命。
該文就處于干旱環(huán)境中橋梁工程砼的碳化問(wèn)題,對(duì)影響砼碳化的主要因素進(jìn)行了分析,結(jié)合干旱地區(qū)橋梁工程的砼強(qiáng)度與碳化測(cè)量,提出了適合于干旱地區(qū)對(duì)橋梁砼進(jìn)行碳化預(yù)測(cè)的系數(shù)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量,驗(yàn)證了碳化深度預(yù)測(cè)模型的有效性。運(yùn)用可靠度分析方法進(jìn)行分析,結(jié)果表明保護(hù)層厚度與強(qiáng)度對(duì)碳化深度的影響顯著,在工程設(shè)計(jì)中要特別注意保護(hù)層厚度與砼強(qiáng)度的控制。
表4 第1孔砼碳化耐久性剩余年限分析
表5 第2孔砼碳化耐久性剩余年限分析
表6 第3孔砼碳化耐久性剩余年限分析
圖2 第1孔砼碳化可靠度指標(biāo)-時(shí)間曲線
圖3 第2孔砼碳化可靠度指標(biāo)-時(shí)間曲線
圖4 第3孔砼碳化可靠度指標(biāo)-時(shí)間曲線
[1]肖佳,勾成福.混凝土碳化研究綜述[J].混凝土,2010 (1).
[2]彭建新,張建仁.RC橋梁碳化腐蝕下的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)、耐久性和全壽命成本分析[J].公路交通科技,2011,28(2).
[3]史晨光,楊光昊,吳浪.混凝土鐵路橋梁碳化壽命預(yù)測(cè)[J].廣東建材,2010,26(5).
[4]甘海龍,謝肖禮.基于可靠性原理的在役鋼筋混凝土橋梁碳化壽命預(yù)測(cè)[J].四川建筑科學(xué)研究,2013,39(2).
U445.7
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1671-2668(2016)01-0194-05
2015-11-19