鋼筋混凝土結構耐久壽命預測的概述

陳 娟 (長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

鋼筋混凝土是近代和現代最廣泛使用的建筑材料,也是當前最大宗的人造材料。各國在設計規范和實際工程中都很重視鋼筋混凝土結構的安全性,但往往忽視其結構的耐久性,從而導致大量的鋼筋混凝土結構老化帶來的耐久性問題,以致各國不得不為維修大量的鋼筋混凝土結構投入巨額資金。因此,鋼筋混凝土結構的耐久壽命成為研究熱點。為此,筆者對鋼筋混凝土結構耐久壽命預測加以概述。

1 影響鋼筋混凝土結構耐久壽命的因素

鋼筋混凝土結構在他們的壽命期內暴露于各種不同的環境中,因此有可能發生嚴重影響結構壽命的劣化。劣化機理一般包括外界離子通過滲透進入材料的孔結構中,以及含水相和不含水相的化學物質的分解[1]。影響鋼筋混凝土結構耐久壽命的因素有凍融破壞、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、氯離子侵蝕、堿-集料反應等。受大氣中二氧化碳的影響,混凝土的碳化是不可避免的,經過長期的研究,混凝土碳化已經有了被廣泛認同的模型。氯離子侵蝕通常發生在海邊的混凝土結構,氯離子侵蝕對混凝土結構的危害程度遠遠大于混凝土碳化[2]。目前氯離子對混凝土及其內部鋼筋的腐蝕機理已有較多的研究,而氯離子對混凝土的侵入卻尚未有一個統一的模型。混凝土的凍融破壞主要發生在北方寒冷地區,雖然目前還無公認的反映混凝土凍害的機理理論,但是對于混凝土抗凍措施已經有了較好的建議。堿-集料反應也是影響混凝土耐久性最主要的因素之一,它不同于其他混凝土病害,其開裂破壞是整體性的,且堿-集料造成的混凝土開裂破壞難以被阻止,目前對其影響因素和抑制方法都已有一定的研究。

2 鋼筋混凝土結構耐久壽命的定義

鋼筋混凝土結構的耐久壽命是一個與時間有關的過程。鋼筋混凝土結構的劣化過程分為初始階段和擴展階段。初始階段為侵蝕性物質進入混凝土保護層到侵蝕性物質到達鋼筋處且鋼筋開始去鈍化,擴展階段為鋼筋開始腐蝕到材料性能達到極限狀態。屈文俊等[3]認為,一般將混凝土中鋼筋的因銹脹裂定義為混凝土結構的耐久性極限狀態,這樣,位于侵蝕性環境條件下的混凝土結構耐久壽命就為自結構投入使用至混凝土結構出現銹脹裂縫的時間跨。這個時間跨一般分為2個時間段,第1階段為誘發期,也即鈍化期;第2階段為發展期。

Liang等[4]人認為鋼筋混凝土結構耐久壽命的定義是從施工開始至加筋處的Cl-濃度達到使混凝土出現初始劣化這一段時間。無論鋼筋混凝土結構耐久壽命如何定義,必須包含如下因素,即特定的環境、一定的破壞準則等。

3 鋼筋混凝土結構耐久壽命的預測

對在役鋼筋混凝土結構耐久壽命進行預測,可以揭示其潛在危險,及時作出維修、加固或拆除決策,從而避免重大事故的發生,因而對鋼筋混凝土結構耐久壽命的預測研究尤為重要,對此,許多研究者提出了不同的預測鋼筋混凝土耐久壽命的方法。如根據經驗預測、基于同類材料性能比較的預測、快速試驗、應用可靠性與隨機過程概念在材料的物理和化學性能基礎上建立劣化過程數學模型[5]等。以下著重介紹3種預測混凝土耐久壽命的預測方法。

3.1 概率方法

馬亞麗[6]提出了基于規定可靠指標的鋼筋混凝土結構耐久壽命預測方法,該方法認為在氯離子的實際侵蝕過程中,由于混凝土本身質量的離散性和環境條件的變異性 (影響氯離子侵蝕的因素都具有隨機性),隨著時間推移,混凝土侵蝕深度是一個隨機過程,氯離子侵蝕到鋼筋表面的時間則是一個具有一定概率分布特征的隨機變量。具體過程如下:①通過對氯離子侵蝕影響因素的概率特性進行分析,得出氯離子擴散系數、氯離子臨界濃度、混凝土表面氯離子濃度、混凝土保護層厚度的概率分布特征。然后,依據Fick定律,計算氯離子侵蝕耐久壽命 (氯離子侵蝕到鋼筋表面并達到一定濃度的時間)的概率值。②利用氯離子侵蝕影響因素的分布特征,計算混凝土結構在不同時間點上的耐久可靠性指標,從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時間變化的曲線。若某一時間點上耐久可靠性低于規定指標,則據此可以確定鋼筋混凝土結構的耐久壽命。Seung Jun Kwon等[7]認為由于氯化物的侵蝕存在著很多的不確定性,如不同的混凝土材料的性能、不同的混凝土保護層厚度、不同的表面氯離子濃度、氯離子極限含量水平的不確定性,因此在預測混凝土壽命時應引入概率的方法。耐久性失效的概率Pdurability、耐久壽命T ser分別由下式確定:

式中,pfmax為耐久失效的最大概率;Ct和Ccr分別為進入混凝土的氯化物含量和極限氯化物含量,kg/m3。

3.2 通過鋼筋腐蝕預測法

該方法通過測定3種不同情況下鋼筋的銹蝕狀態來預測陸地混凝土的剩余壽命,3種情況分別為:①通過碳化作用預測鋼筋混凝土的剩余壽命。如果沒有除冰鹽或天災等影響因素,其剩余壽命取決于混凝土覆蓋層有效深度的碳化。②通過海砂預測鋼筋混凝土的剩余壽命。通過統計分析軟件SAS,利用多元回歸分析將腐蝕率表達成和鋼筋損失量相關的一個表達式,該表達式涉及到3個參數,即相對濕度、氯離子和混凝土保護層厚度。③通過除冰鹽預測鋼筋混凝土的剩余壽命。除了海砂,如果陸地混凝土受到氯離子的侵蝕,最有可能的原因就是使用除冰鹽,但由于除冰鹽使用時間的不確定性,因而很難弄清除冰鹽的影響[8]。

3.3 通過試驗預測法

Ahm ad等[9]提出用基于累計損傷理論的實驗方法來預測鋼筋混凝土的壽命,其基本內容如下,如果鋼筋混凝土試件從開始去鈍化的時間t p開始,以其自然腐蝕率I corr腐蝕一定的時間L c,然后給試件通外加電流I a,直到混凝土保護層開裂,這段時間為t cor,從而根據累加損傷理論可以得到如下方程:

式中,L c/L t為自然損傷部分;L a/L l為外部施加電流導致的損傷部分;L a為自然侵蝕發生到外加電流導致試件完全損傷的時間;L l為排除自然侵蝕,僅由外加電流對試件導致完全損傷的時間;L c為鋼筋自去鈍化到施加電流時發生自然損傷的持續時間;Lt為試件侵蝕導致混凝土保護層開裂的總時間。

4 結 語

隨著科學技術和生產的發展,鋼筋混凝土制造技術也在不斷進步,但由于全球環境惡化,對鋼筋混凝土結構耐久壽命產生嚴重影響。因此,對鋼筋混凝土結構耐久性研究非常重要。目前主要集中在混凝土腐蝕機理研究、在役結構的健康狀況評價和剩余壽命預測、結構性能的防護措施研究等方面。相信隨著研究的進一步深入,基于耐久性設計的鋼筋混凝土結構將逐步完善。

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