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        既有建筑耐久性評估技術(shù)規(guī)范的介紹

        2024-05-03 23:50:36方楚忠藍曉峰袁繼雄黃良朋
        廣東建材 2024年3期
        關(guān)鍵詞:汕頭市擴散系數(shù)氯離子

        方楚忠 藍曉峰 袁繼雄 黃良朋

        (1 汕頭市建設(shè)工程質(zhì)量與安全中心)

        (2 廣東居安建筑工程檢測有限公司)

        (3 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院)

        耐久性損傷對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用壽命和安全造成的影響,越發(fā)被研究人員和工程建設(shè)者所重視。從二十多年來我們所接觸的工程項目情況而言,汕頭市沿海地區(qū)建(構(gòu))筑物、橋梁等的混凝土劣化問題明顯,部分結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)問題相對嚴(yán)重,鋼筋銹縮、銹斷,混凝土開裂剝離現(xiàn)象普遍,耐久性評估和加固修復(fù)處理的需求量大。

        由于耐久性問題與地方環(huán)境作用因素、現(xiàn)場實際觀測數(shù)據(jù)直接相關(guān)[1],我們需要制定適合本地區(qū)的耐久性評估方法,并提供地區(qū)數(shù)據(jù)。本標(biāo)準(zhǔn)的編制,能夠為既有建筑物混凝土結(jié)構(gòu)鑒定評估提供技術(shù)支撐,有利于解決和處理汕頭市既有建(構(gòu))筑物的質(zhì)量和安全問題,有利于社會穩(wěn)定和保障民生。

        1 標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

        為滿足汕頭市既有建筑物耐久性評估的需要,汕頭市建設(shè)工程質(zhì)量與安全中心聯(lián)合相關(guān)單位,合作編制了地方標(biāo)準(zhǔn)DB4405/T 298-2022《既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估技術(shù)規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)包括:基本規(guī)定,建(構(gòu))筑物進行檢測評估的前提條件和具體要求,檢測評估的基本程序,工作內(nèi)容等;使用環(huán)境與工程情況調(diào)查的具體內(nèi)容和要求;耐久性檢測的具體內(nèi)容和要求;耐久性評估,包括大氣環(huán)境下、氯鹽侵蝕環(huán)境下兩種情形;共有四個附錄:混凝土中氯離子含量測定、汕頭市沿海地區(qū)表面氯離子濃度和混凝土有效擴散系數(shù)建議值、算例兩則、誤差函數(shù)表等。

        在過去的十年間,這些技術(shù)成果在汕頭市既有混凝土結(jié)構(gòu)檢測鑒定工作中已有成功應(yīng)用,應(yīng)用于多個典型建筑物的檢測鑒定工作,包括近代的歷史建筑、停工再續(xù)建的樓宇、未建成或未使用的“爛尾樓”、使用超過二十年的建筑物、內(nèi)海灣公園碼頭的原構(gòu)筑物等,建筑面積超過十萬平方米,為既有建筑物改造提供了評估鑒定資料,保證了改造工程順利進行。

        2 本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點

        本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新性包括:基于耐久性的建筑物剩余壽命綜合評估方法,用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法等。

        2.1建筑物剩余壽命綜合評估方法

        根據(jù)本地情況,要求鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)分別進行大氣環(huán)境和氯鹽侵蝕環(huán)境時的耐久性評估[2]。該方法在既有建筑物混凝土結(jié)構(gòu)檢測鑒定中具備較強的實用性和可操作性。

        2.1.1大氣環(huán)境下的耐久性評估

        鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限按式(1)計算。式(1)來源于式(2),即依Fick 第一定律得到的混凝土碳化基本模型,文獻[3]采用了相同的公式。

        式中:t1為大氣環(huán)境下,鋼筋混凝土構(gòu)件計算使用年限(a);X為混凝土計算保護層厚度(mm),按實測數(shù)據(jù),考慮一定的保證率取值;k為混凝土碳化系數(shù)(mm/a),綜合反映各影響因素對碳化速度的影響,包括環(huán)境條件和混凝土抗碳化能力;XC為實測混凝土碳化深度(mm),按實測數(shù)據(jù),考慮一定的保證率取值;t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測時的時間(a)。

        2.1.2氯鹽侵蝕條件下的耐久性評估

        氯鹽侵蝕條件時,鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限按式(3)計算。

        式中:t2為氯鹽侵蝕條件時,鋼筋混凝土構(gòu)件計算使用年限(a);D為混凝土有效擴散系數(shù)(mm2/a),按式(4)確定;erf為誤差函數(shù);Ccr為引起混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度值,以在混凝土中的質(zhì)量(kg/m3)計;C0為混凝土表面氯離子濃度值(kg/m3),按式(4)確定;Ci為混凝土中的氯離子濃度值(kg/m3)。

        混凝土表面氯離子濃度,混凝土有效擴散系數(shù)應(yīng)按式(4),由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)擬合回歸求得。式(4)是由Fick 第二擴散定律描述氯離子侵入混凝土過程的解析解。文獻[4]附錄A采用相同的公式。

        式中:C為t0時刻X深度處氯離子濃度值(kg/m3);X為距離混凝土表面,與C對應(yīng)的深度值(mm);t0為現(xiàn)場實測時,距離該結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)混凝土成形的時間(a)。

        2.2混凝土中氯離子含量的表示方法

        用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法并提供了相應(yīng)的檢測方法,在檢測鑒定工作中解決了既有混凝土結(jié)構(gòu)原始資料欠缺,無法通過混凝土配合比參數(shù)計算氯離子占膠凝材料百分比的問題,在工程檢測中有重要作用[5]。

        硬化混凝土中氯離子含量表示方法主要有三種,一是表示為氯離子占砂漿的質(zhì)量百分比,二是表示為氯離子占膠凝材料的質(zhì)量百分比,三是表示為氯離子占混凝土的質(zhì)量百分比。三種表示方法在檢測過程的化學(xué)分析部分完全相同,均采用電位滴定法,區(qū)別只在于取樣和樣品制備環(huán)節(jié)。前兩種表示方法和檢測方法在《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50344-2019 中均有明確規(guī)定,其本質(zhì)上是相同的,因為二者的數(shù)值可以通過混凝土的膠砂比進行換算。其弊端是使用鉆芯法取樣對混凝土結(jié)構(gòu)有一定破壞,芯樣在不同深度分層切割時有一定難度和空氣污染;另外,在計算時如遇到混凝土配合比資料缺失或資料與實體不一致時,只能憑借經(jīng)驗進行估算。

        在本標(biāo)準(zhǔn)中,硬化混凝土中氯離子含量表示為氯離子占混凝土的質(zhì)量百分比。取樣方法采用鉆孔法,用小直徑鉆頭在混凝土多個部位,不同深度中鉆取粉末,經(jīng)再次研磨后進行檢測,檢測對象是膠凝材料、砂、石的混合物。在計算過程中,不涉及混凝土的配合比參數(shù),僅與混凝土干密度取值有關(guān),普通混凝土干密度約為2350~2450kg/m3,本標(biāo)準(zhǔn)取為2400kg/m3。本方法的優(yōu)點在于取樣方便,對混凝土結(jié)構(gòu)基本沒有破壞,缺點是單孔數(shù)據(jù)離散性大,應(yīng)盡量增加鉆孔數(shù)量來提高樣品代表性。

        3 相關(guān)問題的討論

        3.1氯離子臨界濃度的確定

        氯離子臨界濃度,是計算鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限的關(guān)鍵數(shù)值,宜根據(jù)建筑物所處實際環(huán)境條件和既有工程調(diào)查確定。當(dāng)缺乏可靠資料時,可按本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取用。位于大氣區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)相對干燥,電阻率會大大提高,陽極與陰極間的離子傳導(dǎo)相對困難,因此將大氣區(qū)氯離子臨界濃度定為0.55%(占水泥用量)或2.10kg/m3。這與文獻[3]所采用的數(shù)值相同。

        如現(xiàn)場調(diào)查時,發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向受力鋼筋已發(fā)生銹蝕,宜根據(jù)現(xiàn)場實測氯離子濃度判定氯離子臨界濃度。編制組對汕頭市部分典型項目進行了氯離子取樣檢測,如某上世紀(jì)90 年代高層建筑,位于礐石大橋北岸,現(xiàn)場實測的三層結(jié)構(gòu)柱,氯離子含量為0.28%~0.40%(占水泥用量),現(xiàn)場未見鋼筋銹蝕和混凝土脹裂,推斷臨界氯離子濃度大于0.40%(占水泥用量),又如南澳島后宅鎮(zhèn)某停建建筑物,臨海岸線100m,現(xiàn)場實測了三層結(jié)構(gòu)柱,氯離子含量為0.38%~0.67%(占水泥用量),現(xiàn)場鋼筋銹蝕嚴(yán)重,混凝土脹裂現(xiàn)象普遍,推斷臨界氯離子濃度0.45%~0.60%(占水泥用量)之間。

        3.2表面氯離子濃度和混凝土有效擴散系數(shù)的建議值

        在本標(biāo)準(zhǔn)的附錄,給出了汕頭市沿海地區(qū)表面氯離子濃度和混凝土有效擴散系數(shù)建議值。這些建議值,是從眾多工程案例提取出來的。

        混凝土有效擴散系數(shù)D,按Fick第二擴散定律的誤差函數(shù)解析解公式(其中假定在這一暴露時間內(nèi)的擴散系數(shù)和表面氯離子濃度均為定值)進行曲線擬合,回歸求得(回歸求得的另一參數(shù)為表觀表面濃度Csa)。D 的數(shù)值隨暴露時間的增長而降低,當(dāng)年限很長時(如數(shù)十年后)可認(rèn)為趨于穩(wěn)定?,F(xiàn)場混凝土的表層氯離子濃度由于受到諸多外界因素的影響,不能直接取用現(xiàn)場實測的表面氯離子濃度值,而應(yīng)采用表觀表面濃度Csa[1]。

        文獻[3]附錄D 給出了混凝土有效擴散系數(shù)的計算公式,其中包括若干個回歸系數(shù)??紤]該標(biāo)準(zhǔn)為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn),本標(biāo)準(zhǔn)把該公式列入附錄。文獻[6]也給出具體的計算公式,但主要適用于已建港口水工建筑物。

        3.3近海環(huán)境調(diào)查的情況

        2021~2022 年,對汕頭市沿海環(huán)境腐蝕性介質(zhì)進行了一年時間的調(diào)查和監(jiān)測,共獲取了184 組大氣環(huán)境檢測數(shù)據(jù),66 組近海海水中氯離子濃度數(shù)據(jù)。通過調(diào)查和檢測,了解了汕頭海域海水中氯離子濃度及變化規(guī)律,汕頭地區(qū)大氣中二氧化碳和氯離子濃度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律,對影響氯離子濃度的氣相因素有了進一步的認(rèn)識,確認(rèn)汕頭市沿海處于近海大氣區(qū)(Ⅲ-E)與海洋鹽霧區(qū)(Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D)。調(diào)查結(jié)果是標(biāo)準(zhǔn)中系數(shù)取值的重要參考,也為新建建筑物混凝土耐久性設(shè)計提供依據(jù)。

        4 結(jié)論

        ⑴由Fick 第一定律、第二定律直接得到耐久性評估方法,經(jīng)實際工程驗證,其結(jié)果是可以接受的。

        ⑵用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法,具有實踐意義;表面氯離子濃度和混凝土有效擴散系數(shù)的建議值時根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H工程給出的,具有合理性。

        ⑶實際工程評估時,出現(xiàn)數(shù)據(jù)離散性較大的問題,建議加大檢測數(shù)據(jù)量,并考慮不同高度、朝向、位置等影響因素。

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