路承功，魏智強(qiáng)，喬宏霞,3*，薛翠真，付 勇

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅蘭州730050)

混凝土耐久性能是其內(nèi)部材料抵御外部服役環(huán)境中各種損傷因子能力的直接反映，對(duì)于混凝土建筑物或構(gòu)筑物的正常使用和安全可靠具有重要意義[1-2]。混凝土材料耐久性能的優(yōu)劣直接決定其服役壽命的長(zhǎng)短，若能通過(guò)混凝土耐久性能的變化得到其在服役環(huán)境中的壽命[3-4]，不僅對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用具有重要保證作用，而且還可在其失效破壞之前進(jìn)行必要的加固維修。

針對(duì)鋼筋混凝土耐久性及壽命問題，國(guó)內(nèi)外研究者展開了多方面研究。劉強(qiáng)等[5]通過(guò)室內(nèi)模擬臨海硫酸鹽及碳化環(huán)境，對(duì)粉煤灰混凝土抗氯離子滲透能力、抗水滲透能力進(jìn)行了研究分析，利用氯離子滲透性建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)不同環(huán)境混凝土壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Sideris等[6]則對(duì)自密實(shí)混凝土的抗碳化能力及氯離子侵蝕能力進(jìn)行了定量化分析，指出自密實(shí)混凝土相對(duì)普通混凝土使用壽命大大提升。劉金亮[7]、雷明峰[8]等從鹽凍環(huán)境、荷載作用等方面對(duì)混凝土氯鹽環(huán)境中的耐久性進(jìn)行了分析，提出了基于氯離子擴(kuò)散影響的氯鹽-凍融耦合時(shí)變模型及氯鹽-荷載環(huán)境下壽命評(píng)估模型，并通過(guò)數(shù)值模擬得到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。Mei[9]、牛荻濤[10]、Gan[11]等對(duì)橋梁設(shè)施碳化情況進(jìn)行了檢測(cè)，在總結(jié)分析影響碳化因素的基礎(chǔ)上提出保護(hù)措施，并進(jìn)行了剩余壽命預(yù)測(cè)。王青等[12]通過(guò)有限元軟件對(duì)混凝土在碳化環(huán)境中的碳化程度進(jìn)行了仿真分析，利用所得模型對(duì)無(wú)砟軌道板設(shè)計(jì)年限內(nèi)的腐蝕程度進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。Ossorio等[13]依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理，基于耐久性標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)規(guī)定，提出了一種采用氯離子擴(kuò)散模型的使用壽命定量估算方法。Kwon[14]、謝超[15]、劉娟紅[16]等從混凝土建筑物受到來(lái)自地下硫酸鹽腐蝕的角度對(duì)其耐久性能及壽命進(jìn)行了評(píng)估。郭進(jìn)軍等[17]在腐蝕的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮干濕循環(huán)作用，對(duì)混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的裂縫位移曲線、韌度等進(jìn)行了研究，極大豐富了混凝土耐久性及壽命預(yù)測(cè)方面的理論。

上述研究不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)材料的耐久性研究多基于室內(nèi)加速試驗(yàn)，且大多考慮1～3個(gè)損傷因子模擬侵蝕環(huán)境，進(jìn)而模擬混凝土在實(shí)際環(huán)境中的耐久性損傷劣化。然而在實(shí)際服役環(huán)境中，特別是西部鹽漬土地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)受到來(lái)自氣候與環(huán)境的綜合作用，其損傷劣化因素眾多，既包含來(lái)自硫酸鹽、氯鹽等腐蝕鹽的侵蝕，也包括凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等引起的耐久性退化。因此，僅利用室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)研究混凝土在西部鹽漬土環(huán)境中多損傷因子作用下的耐久性能損傷劣化顯得捉襟見肘，而現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)克服了傳統(tǒng)室內(nèi)加速試驗(yàn)的缺點(diǎn)，最大限度接近混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)服役環(huán)境，在揭示混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久性退化規(guī)律及侵蝕機(jī)理方面具有重要優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，從當(dāng)前混凝土壽命預(yù)測(cè)研究中看到，壽命預(yù)測(cè)方法多基于碳化及氯離子擴(kuò)散推導(dǎo)得到的數(shù)學(xué)模型，并未考慮混凝土在侵蝕環(huán)境中各種損傷因子綜合作用時(shí)的隨機(jī)性。而實(shí)際損傷劣化過(guò)程中，混凝土是各損傷因子逐漸劣化、綜合作用的結(jié)果，各損傷因子的作用具有極大的隨機(jī)性和不確定性?；诖?，本文將鋼筋混凝土置于具有典型鹽漬土特性的格爾木地區(qū)進(jìn)行室外耐久性試驗(yàn)，利用對(duì)非單調(diào)退化具有很好描述的Wiener隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行可靠性建模，通過(guò)搜集得到的耐久性退化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土壽命預(yù)測(cè)及可靠性評(píng)估。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方案設(shè)計(jì)

相比于室內(nèi)的耐久性試驗(yàn)，根據(jù)鋼筋混凝土服役環(huán)境所進(jìn)行的室外現(xiàn)場(chǎng)耐久性試驗(yàn)更具有參考及應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)地域廣大，東西部差距顯著，環(huán)境各異，氣候多樣，使得鋼筋混凝土侵蝕劣化機(jī)理復(fù)雜，退化規(guī)律多樣。特別是西部鹽漬土地區(qū)，同時(shí)受到氣候和環(huán)境的綜合作用，多種腐蝕鹽侵蝕、凍融損傷、干濕循環(huán)破壞等，多種因素耦合作用，極大加速了鋼筋混凝土耐久性能劣化?；诖?，本文選取西部具有典型鹽漬土特性的格爾木作為鋼筋混凝土試件的室外暴露點(diǎn)，暴露點(diǎn)土質(zhì)中腐蝕離子種類及含量如表1所示。

表1 格爾木現(xiàn)場(chǎng)暴露點(diǎn)土質(zhì)成分Tab.1 Soil composition of exposed sites in Golmud mg·(kg土)-1

為充分揭示鋼筋混凝土試件在西部鹽漬土環(huán)境中耐久性能劣化特點(diǎn)，選取3種不同強(qiáng)度等級(jí)的配合比成型試件，如表2所示?？紤]到從實(shí)驗(yàn)室運(yùn)至暴露點(diǎn)的困難，試件尺寸選擇100 mm的立方體，將鋼筋置于試件最中間，24 h拆模后用環(huán)氧樹脂將鋼筋涂刷包裹置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至27 d時(shí)運(yùn)至暴露點(diǎn)進(jìn)行埋置。為使凍融作用更明顯，試件埋置深度不宜太大，試件表面至土層表面約50～100 mm。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Concrete mix design

室外暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集較為困難，為有效追蹤鋼筋混凝土耐久性退化規(guī)律，采用無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。其中，混凝土采用高精度電子秤與超聲波速檢測(cè)儀進(jìn)行質(zhì)量和聲速的測(cè)試，鋼筋采用直流低電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。每隔150 d對(duì)鋼筋混凝土試件數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）對(duì)質(zhì)量、動(dòng)彈性模量及鋼筋銹蝕率損失值的規(guī)定，最大限度降低儀器等相對(duì)誤差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，分別通過(guò)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)、質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)及鋼筋未銹蝕評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)不同暴露周期下混凝土耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。各評(píng)價(jià)參數(shù)如式（1）～（3）所示：

式中，ξa、ξb、ξc分別為動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)、質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)、鋼筋未銹蝕評(píng)價(jià)參數(shù)，Vt、Wt、Rt分別為一定暴露周期后試件的超聲聲速值、質(zhì)量值及電阻值，V0、W0、R0分別為初始時(shí)刻試件的超聲聲速值、質(zhì)量值及電阻值。當(dāng)ξ小于0時(shí)，認(rèn)為鋼筋混凝土試件出現(xiàn)失效破壞，當(dāng)ξ介于0～1之間時(shí)，認(rèn)為試件出現(xiàn)損傷劣化。

為更好揭示鹽漬土暴露環(huán)境中鋼筋及混凝土腐蝕劣化機(jī)理，暴露一定周期后，將部分鋼筋混凝土試件運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，制作樣本，利用SEM圖像對(duì)混凝土及鋼筋侵蝕損傷情況進(jìn)行觀察。

2 耐久性結(jié)果分析

定期對(duì)暴露于鹽漬土環(huán)境中的鋼筋混凝土進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，將所得數(shù)據(jù)代入式（1）～（3），得到鋼筋混凝土耐久性能劣化規(guī)律如圖1～3所示。

圖1 動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)Fig.1 Evaluation par ameter s of dynamic modulus of elasticity

圖2 質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)Fig.2 Quality evaluation parameters

由圖2可見：C45、C40兩類混凝土ξb值在0～450 d的周期中呈上升變化趨勢(shì)；C35在0～300 d的周期中持續(xù)增加，比ξa值上升持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，在上升階段結(jié)束后均呈波動(dòng)式下降；至1 050 d時(shí)C35混凝土試件的ξb值最小。這主要是因?yàn)榍治g初期，腐蝕離子持續(xù)侵入，生成多種腐蝕產(chǎn)物填充在混凝土內(nèi)部，此時(shí)膨脹應(yīng)力小，對(duì)混凝土破壞力小，試件表面較為完整，Mg2+與OH-反應(yīng)生成的不溶物也附著在試件表面，使得試件質(zhì)量增加，ξb值呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。隨著反應(yīng)不斷繼續(xù)，腐蝕膨脹晶體的破壞作用加強(qiáng)，同時(shí)，Mg2+與水化硅酸鈣發(fā)生置換反應(yīng)，生成無(wú)膠凝性能的水鎂石（M-S-H，化學(xué)式為3MgO·2SiO2·2H2O）[22]，使得試件表面開始出現(xiàn)起皮、掉渣等，此時(shí)離子進(jìn)入混凝土生成的腐蝕產(chǎn)物量少于試件表面質(zhì)量損失，宏觀表現(xiàn)為ξb值開始下降。侵蝕周期越長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物越多，膨脹應(yīng)力越大，混凝土內(nèi)部膠凝材料消耗越多，膠凝材料與骨料逐漸分離，試件邊角脫落，質(zhì)量進(jìn)一步損失。同時(shí)，格爾木地區(qū)晝夜溫差大，全年負(fù)溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，季節(jié)交替處存在顯著的凍融破壞作用，初期試件完整性好，凍融作用較弱，隨著腐蝕離子的持續(xù)侵入，混凝土內(nèi)部膠凝材料消耗，凍融作用愈發(fā)顯著，與腐蝕離子共同作用使得試件表面及棱角處出現(xiàn)剝落、掉渣，質(zhì)量損失加劇，ξb值不斷降低，損傷劣化加劇。

對(duì)比混凝土的上述兩類評(píng)價(jià)指標(biāo)，還可以觀察到，ξa值在第1階段（即初期上升階段）的持續(xù)時(shí)間短，而ξb值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。這主要是因?yàn)楦g離子侵入后，腐蝕產(chǎn)物對(duì)混凝土孔壁的膨脹作用并不是立刻產(chǎn)生的，而是在腐蝕產(chǎn)物體積超過(guò)內(nèi)部孔隙體積產(chǎn)生。此時(shí)，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷劣化，但該損傷劣化還不至于使混凝土表面出現(xiàn)起皮、掉渣等質(zhì)量損失行為。只有當(dāng)腐蝕產(chǎn)物較多，膠凝材料消耗較大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較為明顯的質(zhì)量損失行為，同時(shí)，因季節(jié)變化產(chǎn)生的凍融循環(huán)作用也加劇了內(nèi)部貫通孔隙的生成及試件外部棱角的破壞。因此，動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)在初期出現(xiàn)下降，而質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)在初期持續(xù)增加周期較長(zhǎng)。強(qiáng)度等級(jí)越高，在腐蝕后期兩類評(píng)價(jià)參數(shù)值越高，且腐蝕周期內(nèi)波動(dòng)變化越小，表明抗侵蝕能力越強(qiáng)。但是兩類評(píng)價(jià)指標(biāo)中，ξa值變化幅度較ξb值大，表明鹽漬土現(xiàn)場(chǎng)淺埋環(huán)境中動(dòng)彈性模量對(duì)混凝土更加敏感。

圖3 鋼筋未銹蝕評(píng)價(jià)參數(shù)Fig.3 Evaluation parameters of steel bars without corrosion

由圖3可見：除450～600 d的周期外，ξc值基本呈直線下降，且后期降低速率更大。這主要是因?yàn)楦g性離子，特別是陰離子進(jìn)入混凝土后，極大地破壞了鋼筋穩(wěn)定存在的堿性環(huán)境，致使鋼筋與水泥水化形成的鈍化膜處于極不穩(wěn)定的環(huán)境中。其中，鹽漬土中的Cl-半徑小，活性大，極易穿過(guò)鈍化膜薄弱處，使鋼筋發(fā)生點(diǎn)蝕，鈍化膜保護(hù)作用失效[23]。隨著侵蝕周期的增加，點(diǎn)蝕位置逐漸增大，O2、H2O等也通過(guò)混凝土孔隙在鋼筋表面附近積累，腐蝕發(fā)生的條件越來(lái)越充分，鋼筋銹蝕速率逐漸增加。尤其是鋼筋混凝土試件在鹽漬土淺埋環(huán)境中時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕離子侵蝕和氣候變化產(chǎn)生的凍融作用愈強(qiáng)，使得混凝土內(nèi)部原本獨(dú)立存在的一些孔隙開始貫通，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入鋼筋表面的通道更加順暢，鋼筋腐蝕發(fā)生的概率及程度進(jìn)一步增加。鋼筋銹蝕后，其有效半徑減小，電阻值增加，宏觀表現(xiàn)為ξc值降低。而3種試件在450～600 d時(shí)，ξc值出現(xiàn)的短暫升高則與銹蝕產(chǎn)物在鋼筋表面附著有關(guān)，銹蝕產(chǎn)物的存在，使得鋼筋有效面積表現(xiàn)為“偽增大”，直至銹蝕產(chǎn)物被溶解，銹蝕產(chǎn)物未與鋼筋直接接觸時(shí)，鋼筋有效面積降低，ξc值繼續(xù)減小。3種試件中，C45的ξc值最大，C40次之，C35最小，表明C45試件中鋼筋銹蝕程度最小，混凝土對(duì)其保護(hù)作用最好。

鋼筋混凝土試件在鹽漬土中淺埋1 050 d后將部分試件運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，制作樣本，進(jìn)行微觀測(cè)試，不同強(qiáng)度混凝土和鋼筋微觀損傷形貌如圖4、5所示。

圖4 混凝土暴露結(jié)束后SEM圖Fig.4 SEM of concrete after exposure

圖5 混凝土中鋼筋暴露結(jié)束后SEM圖Fig.5 SEM of reinforcement in concrete after exposure

從圖4、5中可以觀察到：C35混凝土中有許多短桿狀晶體生成，短桿之間相互交錯(cuò)，形成疏松多孔的空間體。C40混凝土中的腐蝕產(chǎn)物則成平行排列的短棒狀分布，相比較于C35混凝土，其腐蝕產(chǎn)物發(fā)育程度較低，且在棒狀晶體附近有爆米花狀、珊瑚狀的腐蝕產(chǎn)物生成，腐蝕產(chǎn)物之間多孔隙、不平整。C45混凝土則在內(nèi)部凝膠體的缺陷處生成纖維狀、針狀、桿狀的晶體集合，并向孔隙外發(fā)育，在晶體集合旁邊也有凸起的蜂窩狀球體，但整體凝膠體表面相對(duì)平整，與骨料很好地膠結(jié)在一起，有效地填充了混凝土內(nèi)部孔隙，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物數(shù)量越少，腐蝕產(chǎn)物發(fā)育程度越低。結(jié)合格爾木鹽漬土地區(qū)的腐蝕環(huán)境、氣候及腐蝕產(chǎn)物形貌特征，這些棒狀、桿狀、纖維狀、針狀腐蝕產(chǎn)物可能是硅灰石膏晶體、鈣礬石晶體、石膏晶體的集合體，在不同溫度、PH值及離子濃度情況下呈現(xiàn)不同的晶體形貌。腐蝕產(chǎn)物中，還包括爆米花狀、蜂窩球狀的形貌，這是碳酸鈣晶體的主要形貌特征，因此可判定有碳酸鈣生成。這些腐蝕產(chǎn)物晶體大多具有膨脹性，初期填充在混凝土內(nèi)部孔隙，使得混凝土動(dòng)彈性模量宏觀表現(xiàn)為增加，試件質(zhì)量也有所提升；隨著腐蝕產(chǎn)物越來(lái)越多，開始對(duì)孔隙壁產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹應(yīng)力，直至孔壁破裂；當(dāng)試件內(nèi)部有較多獨(dú)立微孔貫通時(shí)，混凝土試件出現(xiàn)裂縫，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道更加順暢。同時(shí)，硅灰石膏、鈣礬石、水鎂石等腐蝕產(chǎn)物均無(wú)膠結(jié)性能，使得骨料之間的粘結(jié)性能減弱，試件表面出現(xiàn)起皮、掉渣等剝落現(xiàn)象和粉化現(xiàn)象，質(zhì)量出現(xiàn)損失。大量腐蝕產(chǎn)物的生成，也不斷地消耗水化產(chǎn)物氫氧化鈣，從而降低了混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境，為維持內(nèi)部PH值，促使水化反應(yīng)不斷正向進(jìn)行，混凝土損傷劣化加劇。

由圖5可見：鋼筋腐蝕一定時(shí)期后，3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的鋼筋表面已不再光滑，出現(xiàn)了蝕坑、空洞。對(duì)于C35試件，鋼筋基體蝕坑內(nèi)還有顆粒狀銹蝕產(chǎn)物堆積，小塊狀銹蝕產(chǎn)物零星分布；C40試件鋼筋銹蝕產(chǎn)物呈團(tuán)簇狀分布，銹蝕產(chǎn)物疏松、多孔；而C45試件鋼筋表面極不平整，有塊狀、顆粒狀的鐵銹分布，坑蝕形成縱向紋路。經(jīng)過(guò)1 050 d的侵蝕，鋼筋已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重腐蝕劣化。這是由于混凝土是一個(gè)復(fù)雜多相體，以水作為運(yùn)輸介質(zhì)，鹽漬土中的腐蝕離子，特別是陰離子不斷通過(guò)混凝土孔隙向鋼筋表面富集，鋼筋鈍化膜穩(wěn)定存在的堿性環(huán)境被破壞，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)中。半徑小、活性大的Cl-首先穿過(guò)鈍化膜和鋼筋表面形成電位差，出現(xiàn)大陰極、小陽(yáng)極的情形，鋼筋開始活化，為腐蝕的發(fā)生提供了動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)鋼筋處于混凝土孔隙液膜中，導(dǎo)電性足夠大，為腐蝕的發(fā)生提供了電解質(zhì)聯(lián)系，鋼筋混凝土試件在鹽漬土中侵蝕周期越長(zhǎng)，導(dǎo)電性越強(qiáng)。在氧氣等腐蝕介質(zhì)存在時(shí)鋼筋銹蝕發(fā)生，初期在鋼筋表面形成小蝕坑，后期離子進(jìn)入量越來(lái)越多，鈍化膜完全溶解，失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋表面形成較多的原電池回路。此時(shí)陽(yáng)極區(qū)的鐵離子不斷溶解，向外遷移擴(kuò)散，陰極區(qū)的氫氧根離子也不斷通過(guò)孔隙液向陽(yáng)極區(qū)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合生成氫氧化亞鐵等銹蝕產(chǎn)物，鋼筋表面的蝕坑不斷擴(kuò)大。隨著侵蝕時(shí)間的不斷增加，腐蝕產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力也使混凝土出現(xiàn)貫通的孔隙，更多氧氣等銹蝕所需的介質(zhì)源源不斷到達(dá)鋼筋表面附近，銹蝕產(chǎn)物被氧化，形成Fe(OH)3、Fe2O3、Fe3O4和FeO等的集合體，其體積是基體的2.0～6.5倍。此時(shí)銹蝕產(chǎn)物在鋼筋-混凝土之間的狹小空間內(nèi)不斷被擠壓，當(dāng)達(dá)到一定的銹蝕量時(shí)，還會(huì)使混凝土產(chǎn)生沿鋼筋縱向分布的裂紋。

3 基于Wiener可靠性壽命預(yù)測(cè)

Wiener過(guò)程也稱為布朗（Brown）運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是Brown對(duì)浸沒于液體或氣體中小粒子運(yùn)動(dòng)的描述，也是概率論中最為重要的隨機(jī)過(guò)程之一，其本質(zhì)上可以看作是由Brown運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散過(guò)程。Wiener過(guò)程具有良好的計(jì)算和分析性質(zhì)，適用于描述因大量微小損傷而導(dǎo)致產(chǎn)品具有增加或減小趨勢(shì)的非單調(diào)退化過(guò)程[24-25]。對(duì)于服役于鹽漬土環(huán)境中的鋼筋混凝土，其損傷劣化并不是一蹴而成的，是各種大量損傷因子逐漸劣化、綜合作用的結(jié)果，并且離子種類、濃度及氣候變化產(chǎn)生的凍融循環(huán)之間的相互作用具有明顯的加速促進(jìn)作用，因此可以用Wiener過(guò)程理論對(duì)鋼筋混凝土在鹽漬土服役環(huán)境下的耐久性退化進(jìn)行描述建模。

設(shè)Xk(t)為鋼筋混凝土在時(shí)刻t下的第k個(gè)耐久性退化量；α為鋼筋混凝土試件耐久性漂移系數(shù)；β為耐久性退化階段的擴(kuò)散系數(shù)；k為鋼筋混凝土在鹽漬土服役環(huán)境中的退化指標(biāo)，其中，k=1時(shí)為混凝土動(dòng)彈性模量退化量，k=2時(shí)為混凝土質(zhì)量退化量，k=3時(shí)為鋼筋電阻率退化指標(biāo)。根據(jù)Wiener隨機(jī)退化過(guò)程有：

將各鋼筋混凝土試件在鹽漬土埋置現(xiàn)場(chǎng)所采集得到的各耐久性退化量代入式（9）、（10），所得參數(shù)如表3所示。

表3 各退化指標(biāo)參數(shù)估計(jì)值Tab.3 Estimated valuesof each degradation index parameters

將上述參數(shù)及各耐久性退化指標(biāo)的失效閾值代入式（7），得到各強(qiáng)度等級(jí)試件在不同服役周期下的可靠度曲線，如圖6～8所示。

圖6 基于動(dòng)彈性模量可靠度壽命曲線Fig.6 Reliability life curves based on dynamic elasticity modulus

從圖6～8中可見：鹽漬土現(xiàn)場(chǎng)埋置環(huán)境中，鋼筋混凝土3種耐久性退化指標(biāo)得到的可靠度曲線相似，均呈3階段變化特點(diǎn)，即初期可靠度基本保持不變，其數(shù)值維持在1.0附近，中后期可靠度加速下降，可靠度完全降至為零。但是3種耐久性指標(biāo)所得可靠度曲線中，各階段持續(xù)時(shí)間不同。對(duì)于動(dòng)彈性模量所得可靠度曲線（圖6），3種強(qiáng)度試件在第1階段的持續(xù)時(shí)間較短，C35、C40、C45分別在800、950、1 050 d附近開始出現(xiàn)下降，其后以較快的速率下降，分別在大約7 500、10 000、20 000 d時(shí)可靠度基本降至為0。從基于質(zhì)量的可靠度曲線（圖7）看到，第1階段持續(xù)時(shí)間較動(dòng)彈性模量可靠度曲線持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，3種試件分別在1 000、1 700及2 800 d附近時(shí)可靠度出現(xiàn)下降，表明此時(shí)混凝土性能開始受到損傷，其后可靠度緩慢降低，直至混凝土完全破壞，3種試件基于質(zhì)量退化指標(biāo)的壽命分別約為12 000、18 000、25 000 d?；阡摻铍娮柰嘶笜?biāo)的可靠度曲線（圖8）與基于混凝土動(dòng)彈性模量、質(zhì)量退化指標(biāo)的可靠度曲線相比差異較大。從圖8可見，第1階段持續(xù)時(shí)間明顯較長(zhǎng)，表明鋼筋開始退化的時(shí)間較遲，這是混凝土對(duì)鋼筋保護(hù)的結(jié)果，3種試件可靠度開始下降的時(shí)間分別為1 800、2 100及2 800 d附近。一旦出現(xiàn)下降，就以較大的速率降至為零，得到3種試件基于鋼筋性能退化的壽命為4 500、5 000及5 800 d。

圖7 基于質(zhì)量可靠度壽命曲線Fig.7 Reliability life curvesbased on quality

圖8 基于鋼筋電阻可靠度壽命曲線Fig.8 Rliability life curvesbased on steel resistance

縱向?qū)Ρ雀髂途眯酝嘶笜?biāo)得到的可靠度壽命曲線，發(fā)現(xiàn)混凝土的第1階段持續(xù)時(shí)間短，特別是基于動(dòng)彈性模量的可靠度壽命曲線第1階段的持續(xù)時(shí)間最短；而鋼筋的第1階段持續(xù)時(shí)間明顯較長(zhǎng)，表明鹽漬土環(huán)境中混凝土的劣化先于鋼筋，且混凝土動(dòng)彈性模量對(duì)于混凝土耐久性能變化更加敏感。這主要是因?yàn)?，鋼筋混凝土試件在鹽漬土中淺埋時(shí)，鹽漬土中的腐蝕性離子首先通過(guò)混凝土孔隙不斷向試件內(nèi)部遷移，在離子遷移至鋼筋表面之前，與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹產(chǎn)物硅灰石膏、鈣礬石、石膏等，填充在混凝土內(nèi)部孔隙、孔洞等缺陷處，使得混凝土動(dòng)彈性模量出現(xiàn)波動(dòng)。由于初期膨脹產(chǎn)物所產(chǎn)生的膨脹力較弱及膠凝材料膠結(jié)性能較好，還未使混凝土出現(xiàn)起皮、剝落等質(zhì)量損失行為，因此，質(zhì)量變化較動(dòng)彈性模量相對(duì)滯后。至腐蝕性離子遷移到鋼筋表面，并使鋼筋發(fā)生失鈍、銹蝕等時(shí)，混凝土的腐蝕已經(jīng)歷一定時(shí)間，混凝土對(duì)鋼筋起到了很好的保護(hù)作用，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，抗離子侵入的能力越好，因此鋼筋可靠性壽命開始下降的時(shí)間較混凝土更長(zhǎng)。隨著腐蝕性離子不斷向混凝土內(nèi)部遷移并在鋼筋表面富集，混凝土內(nèi)部的PH值也不斷降低，這是腐蝕性離子不斷消耗水泥水化生成的氫氧化鈣所致，同時(shí)膠凝材料進(jìn)一步減少，腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力越來(lái)越大，鋼筋鈍化膜穩(wěn)定存在的堿性環(huán)境被破壞，混凝土及鋼筋腐蝕程度加劇，服役可靠度不斷降低，直至完全失效。

4 結(jié) 論

綜合上述分析，得到以下結(jié)論：

1）鹽漬土環(huán)境中，腐蝕性離子進(jìn)入混凝土中生成Friedel’s鹽、硅灰石膏、鈣礬石、石膏、碳酸鈣等晶體，腐蝕產(chǎn)物集合體SEM圖像呈棒狀、桿狀、纖維狀、針狀，腐蝕產(chǎn)物消耗混凝土內(nèi)膠凝材料的同時(shí)，對(duì)周圍孔壁產(chǎn)生較大結(jié)晶膨脹應(yīng)力。

2）在腐蝕離子及鹽漬土地區(qū)服役氣候綜合作用下，混凝土動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)及質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)呈波動(dòng)式變化，初期略有上升，中后期加速下降，動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)混凝土性能變化更加敏感。

3）鹽漬土環(huán)境侵蝕1 050 d后鋼筋發(fā)生銹蝕，腐蝕產(chǎn)物疏松、多孔，是Fe(OH)3、Fe2O3、Fe3O4、FeO等的集合體，對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，鋼筋表面出現(xiàn)蝕坑、空洞，有顆粒狀、團(tuán)簇狀銹蝕產(chǎn)物堆積，坑蝕形成縱向紋路。

4）鋼筋混凝土基于Wiener隨機(jī)過(guò)程壽命曲線呈3階段變化，通過(guò)動(dòng)彈性模量得到的壽命曲線第1階段持續(xù)時(shí)間短，C35、C40、C45混凝土壽命約為7 500、10 000、20 000 d；通過(guò)質(zhì)量得到的壽命曲線第1階段持續(xù)時(shí)間及壽命均較長(zhǎng)，3類混凝土壽命分別約為12 000、18 000及25 000 d；通過(guò)鋼筋電阻得到的壽命曲線第1階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，但壽命最短，約為4 500、5 000及5 800 d。