彭建新， 粟立彬

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

目前，混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上使用最為廣泛的建筑材料之一[1]?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)具有價格低廉和取材容易等優(yōu)點。但這些結(jié)構(gòu)若長期暴露于惡劣的環(huán)境中、受外部腐蝕介質(zhì)的影響，會造成結(jié)構(gòu)使用壽命縮短。為此，需要研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題[2]。

碳化作為影響結(jié)構(gòu)耐久性諸多因素中的一種，因危害性大，存在范圍廣而備受學者們的關(guān)注。無論何時何地，只要結(jié)構(gòu)暴露于大氣環(huán)境中，便會受到CO2氣體的侵蝕，碳化反應就一直在進行?；炷羾乐靥蓟卿摻钿P蝕的前兆，伴隨碳化作用的持續(xù)影響，改變了砼內(nèi)的堿性環(huán)境，破壞了鋼筋外緣的鈍化膜，誘發(fā)了鋼筋銹蝕。隨著銹蝕產(chǎn)物的增加，出現(xiàn)膨脹、裂縫，致使保護層剝落，使鋼筋直接與大氣接觸，加快了銹蝕速度，增加了對結(jié)構(gòu)的侵害。因此，開展鋼筋砼碳化研究，建立實用的預測模型，并將其用于指導結(jié)構(gòu)的維修、加固及補強，可為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和服役壽命預測提供依據(jù)。作者擬考慮環(huán)境中CO2濃度、溫度及濕度等影響混凝土碳化的因素，開展混凝土碳化試驗，并提出基于混凝土快速碳化試驗的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化可靠度評估方法。

1 混凝土的碳化機理

混凝土的碳化是指空氣中的酸性氣體CO2與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應，生成鹽和水，使得混凝土的堿性下降和混凝土中成分改變的化學反應過程[3]。

其化學方程式為：

Ca(OH)2+CO2= CaCO3+H2O。

碳化消耗了混凝土內(nèi)Ca(OH)2等堿性物質(zhì)，生成了中性的難溶性鈣鹽(即碳酸鈣)，原來附著在鋼筋表面的鈍化膜消失，失去了對鋼筋的保護作用，從而導致鋼筋的銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，混凝土中部分孔隙可能被碳化產(chǎn)物封堵，導致孔隙率下降，密度和強度提升。這雖然在一定程度上阻截了外界氣體向內(nèi)進行擴散，有助于碳化速度的減緩，但這種積極效應的影響甚微。

2 快速碳化試驗

2.1 試驗概況

本試驗采用高、低溫綜合碳化箱，模擬人工氣候環(huán)境下的快速碳化試驗。

碳化環(huán)境：20%CO2；濕度為75%；溫度分為20,30和40 ℃ 3組。碳化齡期分為7,14,28,56,84和112 d。

混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試驗塊，強度標號分別為C25，C30和C35，對應水灰比分別為0.65,0.55和0.45?；炷猎嚰呐浜媳冉M成見表1。

采用湖南寧鄉(xiāng)某水泥公司制造的南方復合牌硅酸鹽P.C32.5水泥，骨料為半徑在0.5～3 cm之間的湘江卵石和中砂。

本試驗采用3種不同標號的混凝土試塊，3個為一組，每種標號的混凝土樣本數(shù)為6×3個。試驗過程中，運用控制變量法，逐一改變相關(guān)參數(shù)，記錄試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，最終通過所測得的碳化深度，反映出各因素對碳化的影響程度。

在經(jīng)過28 d養(yǎng)護后，將試塊取出，再在58～62 ℃的溫度下烘烤48 h。在涂抹環(huán)氧樹脂后，將試塊放入密閉碳化箱內(nèi)。碳化區(qū)域的確定還需要1%的酚酞乙醇溶液。

2.2 試驗結(jié)果

通過快速碳化試驗，得到了3種混凝土在不同溫度下隨時間變化的曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，每組試驗的碳化深度隨著齡期的增加而增加，初期較快，后期較慢；碳化深度在相同碳化齡期內(nèi)，隨著水灰比的增加而增加；溫度越高，碳化至相同深度時所需要的齡期越短。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

表1 混凝土試件的配合比組成Table 1 Proportion composition of the concrete mixtures

圖1 不同溫度條件下的碳化深度Fig. 1 The depth of carbonization at different temperatures

許多學者提出了預測模型[1]，其規(guī)律為混凝土碳化深度與碳化時間的平方根成正比。

(1)

式中：k為碳化速率系數(shù)，綜合反映碳化快慢的參數(shù)；xt為碳化深度，mm；t為碳化時間，d。

按照式(1)，通過Origin分析軟件，對試驗所得結(jié)果進行了曲線擬合，求得每組混凝土的碳化速率系數(shù)k的擬合結(jié)果及對應的相關(guān)系數(shù)R平方的取值，見表2。

分別分析抗壓強度、水灰比及溫度對碳化的影響，考慮多因素隨機模式并將各影響系數(shù)進行組合，提出了工程中幾種常見情況的混凝土碳化速率系數(shù)參考值，見表3。其結(jié)果與相關(guān)學者給出的建議值相近[4]。

3 碳化深度的概率模型

從銹蝕形態(tài)上看，混凝土中的鋼筋銹蝕可分為局部銹蝕和均勻銹蝕2種。由混凝土碳化引發(fā)的鋼筋銹蝕是均勻銹蝕[2]，而均勻銹蝕近似服從正態(tài)分布。

鋼筋銹蝕分為3個階段：①碳化前沿到達鋼筋表面，但鋼筋鈍化膜并未破壞；②CO2與鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生化學反應，導致混凝土發(fā)生局部破壞；③鋼筋大面積腐蝕，混凝土大面積開裂，鋼筋銹蝕速度加快，導致鋼筋截面迅速減少，導致結(jié)構(gòu)安全性能低于安全性允許的可靠指標[2]。因此，第①階段是結(jié)構(gòu)真正的安全使用期，建立的極限方程為：

表2 試塊碳化結(jié)果及擬合數(shù)據(jù)Table 2 Carbonization results and fitting data of tested blocks

表3 不同條件下碳化速率系數(shù)的參考值Table 3 Reference value of carbonization rate coefficient under different conditions

Z=C-xt=0。

(2)

式中：C為混凝土碳化允許指標，取混凝土保護層厚度[5]；xt為碳化深度隨碳化時間的關(guān)系函數(shù)。

銹蝕發(fā)生的概率為：

Pf(t) =P(Z≤0)=P(C-xt≤0)=

(3)

式中：Pc(s)為混凝土保護層厚度隨變量C的概率分布函數(shù)；pc(s)為混凝土保護層厚度隨變量C的密度函數(shù)；Pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時刻的概率分布函數(shù)，服從正態(tài)分布函數(shù)；pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時刻的密度函數(shù)，服從正態(tài)分布函數(shù)。

由式(3)可計算出任一時刻的結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕的概率。但是，即使對于最為簡單的功能函數(shù)，用數(shù)值積分法計算結(jié)構(gòu)的失效概率也是十分麻煩的。因此，在實際工程應用中，引入結(jié)構(gòu)可靠度指標的概念[6]。

假設(shè)結(jié)構(gòu)抗力R和作用效應S均服從正態(tài)分布，則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z=R-S也服從正態(tài)分布。其均值分別為μZ,μR和μS，標準差分別為σZ,σR和σS。結(jié)構(gòu)可靠度指標[1]為：

(4)

Pf=1-φ(β)。

(5)

以快速碳化試驗為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)進行可靠度評估的步驟為：

1) 工程完工后，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上隨機取樣，得到一組混凝土保護層厚度的樣本，利用線性無偏估計方法，計算出樣本的均值和標準差。

2) 查閱資料[7-8]，得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的碳化環(huán)境。根據(jù)本研究提供的不同條件的碳化速率系數(shù)k，按照轉(zhuǎn)換關(guān)系kn=0.096 9+0.025 2k，計算得到自然環(huán)境下的碳化速率系數(shù)kn，并預測出某一時間點的碳化深度。

3) 根據(jù)預測得到的碳化深度，反推出要達到該碳化深度快速碳化時所需要的時間。然后，將該時間點上得到的碳化深度測定值數(shù)組作為該時刻的碳化深度樣本值。運用線性無偏參數(shù)估計方法，得到樣本的均值和標準差。

4) 按式(4)計算，得到結(jié)構(gòu)的可靠度指標。然后，通過中心點法(適用于的情況)或者當量正態(tài)化法，計算出結(jié)構(gòu)在某一時刻的失效概率。

本試驗計算了某混凝土試件在碳化40年后的碳化深度為19.204 mm，這與某一工程結(jié)構(gòu)[9-10](除CO2濃度以外，其他環(huán)境條件和所計算試件所處的環(huán)境一致)在40年后的碳化深度實測平均值19.42 mm的差別非常小，從而驗證了該自然環(huán)境下碳化系數(shù)和快速碳化試驗碳化系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

4 結(jié)論

混凝土碳化是一個復雜的隨機過程，是造成結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要因素之一。因此，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化可靠度進行預測具有十分重要的現(xiàn)實意義。本研究在進行快速碳化試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他學者已有的研究成果，運用作者提出的方法，對結(jié)構(gòu)在某一時刻的碳化可靠度進行了預測，得到了結(jié)構(gòu)失效的時間，為工程結(jié)構(gòu)的加固維修時間提供了依據(jù)，避免了經(jīng)濟損失。該方法的計算過程簡便且可靠。但該方法也具有局限性：①結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境和試驗中構(gòu)件所處的環(huán)境不可能完全一樣，只能夠做到接近，這就會產(chǎn)生一定的誤差；②在反推快速碳化所需時間這一程序，由于作者只測定了7,14,28,56,84和112 d的碳化深度，反推的時間不可能正好落在這些時間點上。因此，得到的碳化深度預測數(shù)組取值并不方便，只能根據(jù)碳化深度與時間的擬合曲線進行取值，這也就會產(chǎn)生一定的誤差。如何對這2種誤差進行修正，還需要進一步的研究。