基于耐久性指標(biāo)的橋梁承載能力檢測評定研究

申磊 馬磊磊

1 河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（450006）2 鄭州市市政工程管理處（450001）

基于耐久性指標(biāo)的橋梁承載能力檢測評定研究

申磊1馬磊磊2

1 河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（450006）2 鄭州市市政工程管理處（450001）

對影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標(biāo)進(jìn)行分析研究，論述了耐久性指標(biāo)（鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、碳化、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量及混凝土強(qiáng)度）的無損檢測方法、抽檢數(shù)量及測試原理，并分析了耐久性指標(biāo)的影響因素和不確定性。

承載能力；無損檢測；耐久性指標(biāo)；隨機(jī)性；不確定性

0 引言

在役橋梁承載能力基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行檢測評定，從原來《公路舊橋承載能力鑒定辦法（試行）》[1]中由專家經(jīng)驗確定的舊橋檢算系數(shù)到現(xiàn)在采用基于檢測結(jié)果定量化的分項檢算系數(shù)進(jìn)行修正極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式。

承載能力惡化系數(shù)是評定期內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀態(tài)衰退惡化對結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)產(chǎn)生不利影響的修正系數(shù)[2]。惡化狀態(tài)評定的耐久性指標(biāo)權(quán)重及檢測測區(qū)數(shù)量如表1所示。

表1 耐久性指標(biāo)權(quán)重及檢測測區(qū)數(shù)量

1 鋼筋銹蝕電位檢測方法與隨機(jī)性分析

混凝土中鋼筋銹蝕電位檢測宜采用半電池電位法，參考電極可采用銅/硫酸銅半電池電極，依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 152-2008）[3]進(jìn)行檢測。

半電池電位法，通過測定鋼筋/混凝土作為一個電極與在混凝土表面的Cu+CuSO4飽和溶液參考電極之間的電位差，評定鋼筋的銹蝕狀態(tài)[4]。Cu+CuSO4飽和溶液參考電極結(jié)構(gòu)圖和測試系統(tǒng)示意圖分別如圖1、2所示。

圖1 銅/硫酸銅參考電極結(jié)構(gòu)圖

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

混凝土中鋼筋銹蝕是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，實際工程中通常測量鋼筋的銹蝕電位來反映銹蝕程度。但在鋼筋銹蝕電位測量中，鋼筋、混凝土和檢測儀器共同組成一個電路系統(tǒng)，其檢測結(jié)果受到諸多因素的綜合影響，如環(huán)境濕度、水灰比、保護(hù)層厚度、氯離子含量、混凝土表面狀況以及鋼筋間距等。因此，對同一構(gòu)件測出的鋼筋銹蝕電位不是一個確定的值，而是具有一定波動的隨機(jī)變量。目前有關(guān)鋼筋銹蝕狀況以及電位的概率分布特征的研究還比較少，并且沒有一致的結(jié)果。

2 混凝土電阻率檢測方法與隨機(jī)性分析

混凝土電阻率測試采用基于Wenner法[5]的四電極電阻率測試儀，探頭間距50 mm，測試示意圖如圖3所示。在混凝土表面等間距接觸四支電極，兩個內(nèi)側(cè)電極為電壓電極，兩個外側(cè)的電極為電流電極，通過檢測兩個電壓電極間的電阻即可獲得混凝土結(jié)構(gòu)的電阻率。

式中:V為電壓電極間所測電壓；I為電流電極通過的電流；a為電極間距。

圖3 混凝土電阻率測試技術(shù)示意圖

混凝土電阻率是研究鋼筋混凝土耐久性重要指標(biāo)之一，也是反映混凝土中鋼筋腐蝕速度的重要因素。一般而言，對在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電阻率的檢測除受檢測方法、環(huán)境條件、施工工藝質(zhì)量影響外，還受混凝土材料組成有關(guān)，如水灰比、凝膠材料種類、水泥用量、礦物摻合料等。這些影響因素本身具有一定的隨機(jī)性和不確定性，可能導(dǎo)致現(xiàn)場對混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件電阻率檢測結(jié)果不是一個確定的值，而是一種具有一定概率特征綜合隨機(jī)變量。

3 混凝土碳化檢測方法與隨機(jī)性分析

混凝土碳化是周圍環(huán)境中的CO2滲入到混凝土內(nèi)部,與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程。配筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋在堿性混凝土環(huán)境的保護(hù)作用下處于鈍化狀態(tài)，而碳化會使鋼筋失去堿性環(huán)境的保護(hù)，鋼筋就易發(fā)生銹蝕。混凝土碳化深度結(jié)合鋼筋保護(hù)層厚度，可評判混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響。

混凝土碳化狀況可采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反應(yīng)厚度的方法測定，依據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）[6]對構(gòu)件碳化深度值進(jìn)行測量。

混凝土碳化與混凝土自身質(zhì)量，如混凝土水灰比、可碳化物質(zhì)含量，強(qiáng)度等級及混凝土密實程度等；同時也與混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境和荷載作用有關(guān)，如環(huán)境的溫度與濕度、CO2濃度、荷載作用方式及大小等。由于材料的因素、環(huán)境的變化、荷載作用因素有很大的隨機(jī)性，因此混凝土碳化深度中也存在大量不確定性以及分布的不均性，應(yīng)用統(tǒng)計的方法分析在役混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度較為合理。

通過理論分析和試驗驗證，大氣環(huán)境下碳化深度、碳化速度系數(shù)和結(jié)構(gòu)服役時間三者的關(guān)系為[7-9]:

4 鋼筋保護(hù)層厚度檢測方法與隨機(jī)性分析

混凝土對鋼筋的保護(hù)作用主要有兩個方面，一是高堿性的混凝土在鋼筋表面形成鈍化膜，二是阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣、水分等的滲入。第二種作用主要取決于保護(hù)層的厚度和混凝土的密實度。鋼筋保護(hù)層厚度依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 152-2008）[3]可采用電磁檢測方法進(jìn)行無損檢測。

由于施工誤差以及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用過程中保護(hù)層不可避免受到磨損和剝落等損傷，與設(shè)計混凝土保護(hù)層厚度相比實際保護(hù)層厚度有較大的變異，甚至超過了規(guī)范規(guī)定。因此，混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度并不是一個確定值，而是一個具有一定變異性的隨機(jī)變量。

5 氯離子含量檢測方法與隨機(jī)性分析

氯離子通過混凝土的毛細(xì)孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時，會與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而破壞鋼筋的鈍化膜,是誘發(fā)鋼筋銹蝕的重要因素，為了避免鋼筋過早銹蝕，需要對混凝土原材料中氯離子的含量進(jìn)行嚴(yán)格地控制。

混凝土中氯離子含量，可采用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上鉆取不同深度的混凝土粉末樣品的方法通過化學(xué)分析進(jìn)行測定。依據(jù)《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 322-2013）[10]，對既有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件鉆取混凝土芯樣,并對混凝土中的氯離子含量進(jìn)行測試。

混凝土中的氯離子主要由兩部分組成:一部分是混凝土組成材料帶進(jìn)混凝土的氯離子,如拌和水、水泥、細(xì)骨料、粗骨料、礦物摻和料以及各種外加劑等；一部分是通過混凝土保護(hù)層由外界環(huán)境侵入混凝土內(nèi)部的氯離子。目前，針對氯離子侵入混凝土的傳輸機(jī)理是十分復(fù)雜的,包括離子擴(kuò)散作用、滲透作用、毛細(xì)作用、電化學(xué)遷移作用以及不同作用的組合[11]。對于這一過程，主要模型就是用Fick第二定律解釋，該模型主要采用隨時間變化的表面氯離子濃度和擴(kuò)散系數(shù)。從而不可避免的要考慮各種因素對它的影響，包括混凝土材料自身性能、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境的溫度和濕度及所受的荷載狀態(tài)等因素[12]。由于這些影響因素的隨機(jī)變異性決定了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散和積聚是一個隨機(jī)過程。

6 混凝土強(qiáng)度檢測方法與隨機(jī)性分析

對橋梁混凝土強(qiáng)度，應(yīng)在主要構(gòu)件或主要受力部位布置測區(qū)，采用回彈法、超聲回彈綜合法、取芯法等進(jìn)行檢測。依據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）[6]對構(gòu)件布設(shè)測區(qū)回彈值測量。

影響混凝土強(qiáng)度因素很多,主要有骨料級配、水灰比、水泥強(qiáng)度等級、凝膠材料種類、外加劑、施工質(zhì)量以及養(yǎng)護(hù)條件等。由于這些因素具有很大的隨機(jī)性而引起混凝土強(qiáng)度變異，所以對于構(gòu)件不同部位混凝土強(qiáng)度不是一個確定的值，而是一個隨機(jī)變量。

根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計同一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50283-1999）[13]，通過對全國范圍內(nèi)重點橋梁工地和預(yù)制廠進(jìn)行調(diào)查，同時收集已建橋梁存檔試驗數(shù)據(jù)，對取得接近3萬各級強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)參數(shù)估計和概率分布的假設(shè)檢驗，表明結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度滿足不拒絕正態(tài)分布。

7 結(jié)論

通過對影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標(biāo)分析研究，得到以下結(jié)論:

1）選取耐久性指標(biāo)（鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、碳化、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量及混凝土強(qiáng)度）適宜的無損檢測方法。

2）影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標(biāo)具有一定的隨機(jī)性和不確定性，是具有一定概率特征綜合隨機(jī)變量。

3）混凝土強(qiáng)度滿足不拒絕正態(tài)分布。

[1][(88)公路技字11號].公路舊橋承載能力鑒定辦法（試行）[S].北京:人民交通出版社,1989.

[2]JTG/T J21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3]JGJ/T 152-2008,混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4]杜朝偉,趙卓,尚剛,等.在役橋梁結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2013.

[5]趙卓,蔣曉東.受腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測診斷[M].鄭州:黃河水利出版社,2006.

[6]JGJ/T 23-2011,回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[7]趙尚傳,趙國藩.混凝土結(jié)構(gòu)碳化壽命的概率模型研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2002,1(28):24-26.

[8]劉志勇,孫偉.多因素作用下混凝土碳化模型及壽命預(yù)測[J].混凝土,2003,12(3):3-7.

[9]朱民安.混凝土碳化與鋼筋混凝土耐久性[J].混凝土,1992, (6):18-22.

[10]JGJ/T 322-2013.混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[11]張奕.氯離子在混凝土中運輸機(jī)理研究[D].浙江:浙江大學(xué),2008.

[12]AD AM N EV I LL E.Ch1oride attack of reinforced concrete:an overview[J].Materia1s and Structures,1995,28: 63-70.

[13]GB/T 50283-1999,公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計同一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃版社,1999.