沿海水閘混凝土碳化壽命的可靠度分析

黃文濤

[摘要]沿海水閘靠近海洋環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到氯離子侵蝕和碳化共同作用，其耐久性問(wèn)題更為突出。在菲克穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散定律的基礎(chǔ)上，在獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的小樣本數(shù)碳化數(shù)據(jù)后，采用可靠度分析方法，預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命。結(jié)果表明檢測(cè)的水閘碳化深度小于保護(hù)層厚度，且預(yù)測(cè)剩余壽命非常樂(lè)觀。

[關(guān)鍵詞]沿海；水閘；混凝土碳化；可靠度

文章編號(hào)：2095-4085（2017）01-0089-02

混凝土碳化是空氣中的酸性氣體CO₂與混凝土中的堿性物質(zhì)相互作用，致其成分、組織和性能發(fā)生變化，并使其技能下降的一種復(fù)雜變化。碳化引起混凝土的堿度降低，進(jìn)而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，繼而導(dǎo)致混凝土鋼筋銹蝕，甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前發(fā)生耐久性失效。沿海水閘不僅要起到防洪排澇作用，同時(shí)也要承擔(dān)擋潮的任務(wù)，運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，其混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題普遍突出。除此之外，水閘靠近海洋環(huán)境尤其海洋大氣環(huán)境，空氣CO₂和氯離子濃度更高，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到氯離子侵蝕和碳化的共同作用，加劇了結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。

結(jié)構(gòu)壽命是指結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中滿足既定功能的使用年限。混凝土碳化是衡量工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的重要指標(biāo)，如何預(yù)測(cè)沿海水閘在多目標(biāo)、復(fù)雜環(huán)境條件下運(yùn)行的剩余壽命，充分挖掘鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用潛力，是本文著重探討的問(wèn)題。

因此，碳化使得混凝土逐漸中性化，降低環(huán)境的堿性，這樣就給“有害物質(zhì)”提供了便利，進(jìn)而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，又在水分和氧氣的綜合作用下，鋼筋開(kāi)始銹蝕。同時(shí)，碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用而逐漸開(kāi)裂，甚至結(jié)構(gòu)的整體破壞。

氯離子的存在會(huì)加劇混凝土的碳化，更容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的退化。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaCl溶液浸泡后，混凝土的抗碳化能力下降，而且粉煤灰、礦渣雙摻混凝土的抗碳化能力低于普通混凝土，粉煤灰含量越多，抗碳化能力下降越明顯。當(dāng)氯離子侵入后，氯鹽晶體填充結(jié)構(gòu)孔隙，同時(shí)氯離子的侵入也會(huì)形成弗雷德鹽，當(dāng)水閘在洪水和潮水漲落的工況中運(yùn)行，易出現(xiàn)干濕交替的情況，會(huì)使得混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生鹽脹而產(chǎn)生微裂紋，加劇碳化作用。

2.混凝土結(jié)構(gòu)碳化壽命模型

相關(guān)工程實(shí)踐表明，鋼筋一旦開(kāi)始銹蝕，只要不大的銹蝕量和不長(zhǎng)的試件，就足以導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。開(kāi)裂后的銹蝕又受到更多不確定因素的影響，難以對(duì)其作出定量的估計(jì)。目前，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)都以碳化深度達(dá)到鋼筋表面作為鋼筋銹蝕的標(biāo)志，并以此作為預(yù)測(cè)碳化壽命的準(zhǔn)則。

3.工程算例

本文選取寧波甬新閘的碳化檢測(cè)結(jié)果，甬新閘承擔(dān)甬江流域防洪排澇兼擋潮的任務(wù)，工程等級(jí)為Ⅱ等，其主要建筑物水閘為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，該工程已經(jīng)運(yùn)行11年。本次檢測(cè)對(duì)象包括水閘閘門(mén)板、閘墩、胸墻、檢修橋板、工作橋橋板及啟閉機(jī)房立柱等部位的混凝土，考慮到不同構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境的惡劣情況及結(jié)構(gòu)重要性，選擇其中碳化較為嚴(yán)重的胸墻和工作橋板作為研究對(duì)象。胸墻和工作橋板保護(hù)層厚度分別服從正態(tài)分布N（44.3，3.82），N（33.5，2.82），碳化深度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

4.結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)菲克穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散定律的碳化模型，并采用可靠性計(jì)算方法預(yù)測(cè)沿海水閘的剩余使用壽命。本次檢測(cè)結(jié)果表明各構(gòu)件實(shí)測(cè)混凝土碳化深度均小于鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)值，而且剩余壽命也非常樂(lè)觀。