鋼筋混凝土碳化可靠度評估方法研究

龐 峻

0 引言

鋼筋混凝土結構在使用過程中，不僅要承受各種荷載工況的作用，而且還要受到環境因素的影響。在環境因素和材料內部因素的作用下，混凝土的碳化引起內部鋼筋銹蝕，導致結構的性能發生逐步的退化，從而使結構的承載能力下降，影響到主體結構的安全和正常使用性能。因此，對鋼筋混凝土結構進行混凝土碳化可靠度評估及剩余碳化壽命預測，對混凝土的耐久性研究具有重要意義，并在做出維修加固決策時提供重要的參考依據。

1 混凝土碳化原理與碳化深度模型

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕。空氣中二氧化碳滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為:

水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為鈍化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。

影響混凝土碳化速度的因素有很多。同時由于其本身施工質量和環境因素的多樣性，因此混凝土的碳化是一個隨機過程，很難較為準確的描述。目前國內外最常用的碳化模型為:

其中，D(t)為混凝土碳化深度的時間函數，mm;t為混凝土碳化時間，s;k為混凝土碳化系數，mm/年1/2。

碳化系數與水泥類別、用量、水灰比、養護條件、混凝土振搗質量及環境因素有關。由于各種因素的不確定性可將其看成一個隨機變量函數，故其數學表達式為:

其中，α1為混凝土養護條件修正系數;α2為水泥類別修正系數;α3為環境條件修正系數。α1，α2，α3取值可由文獻查得，而廠房結構所處環境較差，因此在對廠房混凝土結構進行碳化分析時應適當提高環境條件修正系數α3的參考權數。

2 鋼筋混凝土結構碳化可靠度評估與剩余壽命預測

假設將混凝土碳化到達鋼筋表面作為結構耐久性極限狀態，設t為結構繼續使用期內任意時刻，則結構耐久性功能函數可表示為:Z(t)=C－D(t)，于是t時刻混凝土構件的失效概率P(t)可表示為:

其中，PC(x)，P'C(x)分別為混凝土保護層厚度隨變量C的概率分布函數和密度函數;PD(t)(x)，P'D(t)(x)分別為混凝土碳化深度在任意t時刻的概率分布函數和概率密度函數。

由于結構僅在保護層厚度大于碳化深度時才能處于安全可靠階段，即結構在[t0，t0+T1]內只要某一時刻混凝土保護層厚度小于碳化深度，則代表結構失效，因此在[t0，t0+T1]內混凝土碳化失效概率Pf(t1)為:

將混凝土剩余壽命劃分為若干個等長時間段，假設結構在各時間段的碳化深度隨機變量為第i時刻的中點值，則各個時間段的失效概率可由式(3)計算求出。因此在剩余壽命階段[t0，t0+T1]內的混凝土碳化失效概率可表達為:

另外混凝土失效事件在不同時間段內發生同時失效屬于不可能事件，所以混凝土的失效概率又可表示為:

假設將鋼筋混凝土結構的剩余壽命取為不同的值，利用式(6)可以計算得出結構在不同剩余壽命內的碳化失效概率。因此給定某一目標可靠指標值，則可對一結構的剩余碳化壽命做出預測判斷。由于鋼筋混凝土的失效概率不能準確預測，在滿足計算精度要求的前提下，本文選用JC法進行初步計算，從而進一步得到相應的失效概率和可靠概率。

根據以上分析可知，事實上剩余碳化壽命大于結構剩余壽命的概率也就是結構在繼續使用期[t0，t0+T1]內的混凝土碳化可靠概率。因為混凝土保護層碳化引起的鋼筋銹蝕是全面均勻分布的，如果不采取任何加固維修措施，使鋼筋發生銹蝕損壞最終會引起對結構耐久性的不良影響。因此在大氣環境下，有時將混凝土保護層的碳化作為結構到達使用壽命的標志，以此作為結構使用壽命的終結標準顯然過于保守。但是對于既有結構的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命的評估預測，對于結構的定期檢查和及時維修具有重要的意義。

3 工程案例分析

某化工廠房于2001年建成投入使用，于2004年對該結構混凝土框架梁柱進行全面檢測。根據混凝土保護層厚度及碳化深度的實測數據，對結果數據進行統計分析，使用x2檢驗方法計算分析得到混凝土保護層厚度和碳化深度的統計參數如表1所示。

表1 混凝土保護層厚度和碳化深度實測結果

以2004年作為可靠度評估的起點時間，根據式(6)可計算出在不同繼續使用期內的混凝土失效概率，進一步可知相應的可靠度指標，結果如表2所示。

表2 混凝土碳化可靠度指標

根據計算結果可以看出，該結構的碳化可靠度較高，這與實測結果數據基本趨于一致，如取目標可靠度指標為2.0(可靠概率為0.977)，則剩余碳化壽命為40年;如取目標可靠度指標為1.6(可靠概率為0.95)，則剩余碳化壽命為50年。

由于所取梁柱均為病害最為嚴重的構件，因此也可以將上述分析結果作為該結構的碳化可靠度及剩余碳化壽命的保守估計。僅從混凝土碳化的角度分析，除了對結構局部破損部位進行維修外，該廠房結構無需進行大的維修加固措施。

4 結語

混凝土碳化是導致內部鋼筋銹蝕的主要原因之一，所以混凝土保護層厚度的完全碳化可作為鋼筋混凝土結構耐久性失效的標志。因此，對既有鋼筋混凝土結構的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命進行研究分析，可以排除結構潛在的危險，為結構的維修加固等處理的決策提供重要的參考建議。但是由于影響碳化的因素較多和統計資料的缺乏，因此要對實際結構的混凝土碳化可靠度及剩余碳化壽命做出準確的預測，還有待于進一步的研究分析。

[1]Enringt M P，Frangopol D M.Probabilitic analysis of resistance degradation of reinforced concrete bridge beam under corrosion[J].Journal of Engineering Structure，1998，20(11):960-971.

[2]錢稼茹.混凝土結構設計規范第五批科研課題綜合報告匯編—耐久性的可靠度設計方法[R].北京:中國建筑科學研究院混凝土設計規范國家標準管理組，1996.

[3]禹智濤，韓大建.既有鋼筋混凝土橋梁碳化可靠度評估方法[J].華南理工大學學報，2004，32(2):35-36.