受力狀態下混凝土材料劣化模型與可靠性分析

李英民　周小龍　譚潛

摘要：通過分析試驗數據，修正和改進了現有混凝土碳化深度預測模型中的應力影響系數和水灰比影響系數，并給出了基于可靠性分析的混凝土結構材料劣化壽命準則。分析表明：拉、壓應力狀態下，混凝土碳化速率分別得到促進和抑制，特別是隨著拉應力水平的增加，碳化速率越來越快；通過可靠性分析可得，混凝土材料劣化概率與可靠度存在一一對應的關系，同時混凝土保護層厚度和應力水平對混凝土結構的壽命影響顯著，在具有相同可靠度保障時，隨著拉應力水平的提高或保護層厚度的減小，混凝土材料的劣化時間將縮短。

關鍵詞：碳化；應力水平；劣化模型；可靠度；混凝土結構

中圖分類號：TU312文獻標志碼：A文章編號：16744764（2013）06008207

碳化深度是一般大氣環境下衡量混凝土結構材料劣化的主要量化指標。調查顯示，大量在役混凝土結構存在著過早劣化的跡象，這種現象的產生往往與結構工程師設計時較少關注混凝土材料的耐久性有關。目前，關于混凝土碳化深度的研究很多[15]，但不管是基于碳化機理的理論模型還是基于碳化試驗的經驗模型都較少系統考慮應力因素的影響，既使考慮[6]，也統一規定拉應力影響系數取11，壓應力影響系數取1.0，使得拉應力狀態下的預測結果偏于不安全而壓應力狀態下的預測結果偏于保守。同時現有碳化深度預測模型沒有考慮應力因素和水灰比因素間的相互影響，而水灰比和應力狀態的不同直接關系到混凝土內部孔隙率的大小，二者對混凝土的碳化速度影響極大[78]，且二者相互關聯。鑒于此，系統考慮水灰比和應力因素的影響對完善混凝土碳化深度預測模型很有必要。

文章以混凝土碳化深度達到鋼筋表面一定距離時的狀態作為混凝土構件耐久性失效的極限狀態，通過對混凝土碳化深度的分析來研究混凝土材料的劣化模型，同時考慮到碳化深度預測模型是基于試驗平均數據的數學回歸未考慮混凝土碳化過程的隨機性，采用可靠度理論，給出了混凝土結構材料劣化預測的概率方法。李英民，等：受力狀態下混凝土材料劣化模型與可靠性分析1混凝土碳化深度預測模型改進

1.1現有混凝土碳化深度試驗方案與檢測數據

綜合考慮已有研究成果[912]，同時考慮到實際工程中較少有混凝土構件承受軸向拉力作用，大部分受拉構件都處于彎曲受拉狀態。文獻[12]中的試驗方案能較真實的反映實際工程中混凝土構件所處的應力狀態，也能更準確地反映拉壓應力條件下混凝土碳化深度隨時間的演變規律。試件加載方式如圖1所示。拉、壓應力區的應力值可通過圣維南原理確定。

1.2混凝土材料碳化深度預測模型

目前已有的混凝土碳化深度預測模型主要可以歸結為3種類型：基于擴散理論的預測模型、基于碳化試驗的經驗模型和基于綜合考慮擴散理論和碳化試驗結果的預測模型。雖然各種預測模型的差異較大，但都有一個共同點，即都認為混凝土碳化深度與其齡期的平方根成正比。考慮到這些預測模型均沒有系統考慮混凝土受力狀態不同對碳化深度的影響，而實際上混凝土碳化點的應力狀態對該處碳化深度的影響是顯著的。文獻[12]確定的預測模型雖然較系統的考慮了應力因素的影響，但混凝土碳化深度的影響因素很多，隨機性也很大，特別是混凝土結構服役時間跨度大，各種影響因素具有很強的個性和不確定性，該文獻僅以應力水平和水灰比作為混凝土碳化深度的影響因素顯然是不夠的。為尋找更適合考慮應力因素的碳化深度預測模型，基于文獻[12]中試驗數據，選用多條曲線對碳化深度和碳化時間的關系進行數學回歸，經多次試算，得到2種較合理的關系曲線回歸方程，如圖2～5所示。

3結論

1）給出了一般大氣環境下修正的混凝土碳化深度預測模型，充分考慮了應力水平和水灰比等因素的影響。預測模型與試驗檢測數據吻合較好，且具有一定的理論依據，能充分反映不同應力狀態下碳化深度隨時間的演變規律。

2）建立了混凝土結構構件基于碳化深度的材料劣化模型，同時考慮到混凝土碳化深度具有隨機性的特點，通過可靠性分析，建立了混凝土結構構件失效概率與可靠度的對應關系。同時根據劣化模型和碳化深度預測公式均能建立各影響因素與混凝土結構劣化失效時間之間的對應關系。

3）可靠性分析表明，混凝土保護層厚度和碳化深度與混凝土材料的劣化密切相關，混凝土構件所處的拉應力水平越大、保護層厚度越小，其距離劣化失效的時間越短。

4）保護層厚度按照混凝土結構設計規范GB 50010—2001及以前設計的一、二類a環境下的鋼筋混凝土結構，其耐久性幾乎均不能滿足50 a設計基準期內的耐久性要求，保護層越小，混凝土構件劣化失效越早。

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（編輯胡英奎）