快速碳化試驗下的鋼筋混凝土結構可靠度評估

彭建新， 粟立彬

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

目前，混凝土和鋼筋混凝土結構已成為世界上使用最為廣泛的建筑材料之一[1]。混凝土和鋼筋混凝土結構具有價格低廉和取材容易等優點。但這些結構若長期暴露于惡劣的環境中、受外部腐蝕介質的影響，會造成結構使用壽命縮短。為此，需要研究鋼筋混凝土結構的耐久性問題[2]。

碳化作為影響結構耐久性諸多因素中的一種，因危害性大，存在范圍廣而備受學者們的關注。無論何時何地，只要結構暴露于大氣環境中，便會受到CO2氣體的侵蝕，碳化反應就一直在進行。混凝土嚴重碳化是鋼筋銹蝕的前兆，伴隨碳化作用的持續影響，改變了砼內的堿性環境，破壞了鋼筋外緣的鈍化膜，誘發了鋼筋銹蝕。隨著銹蝕產物的增加，出現膨脹、裂縫，致使保護層剝落，使鋼筋直接與大氣接觸，加快了銹蝕速度，增加了對結構的侵害。因此，開展鋼筋砼碳化研究，建立實用的預測模型，并將其用于指導結構的維修、加固及補強，可為混凝土結構耐久性設計和服役壽命預測提供依據。作者擬考慮環境中CO2濃度、溫度及濕度等影響混凝土碳化的因素，開展混凝土碳化試驗，并提出基于混凝土快速碳化試驗的鋼筋混凝土結構碳化可靠度評估方法。

1 混凝土的碳化機理

混凝土的碳化是指空氣中的酸性氣體CO2與混凝土中的液相堿性物質發生反應，生成鹽和水，使得混凝土的堿性下降和混凝土中成分改變的化學反應過程[3]。

其化學方程式為：

Ca(OH)2+CO2= CaCO3+H2O。

碳化消耗了混凝土內Ca(OH)2等堿性物質，生成了中性的難溶性鈣鹽(即碳酸鈣)，原來附著在鋼筋表面的鈍化膜消失，失去了對鋼筋的保護作用，從而導致鋼筋的銹蝕，降低結構的使用壽命。因此，混凝土中部分孔隙可能被碳化產物封堵，導致孔隙率下降，密度和強度提升。這雖然在一定程度上阻截了外界氣體向內進行擴散，有助于碳化速度的減緩，但這種積極效應的影響甚微。

2 快速碳化試驗

2.1 試驗概況

本試驗采用高、低溫綜合碳化箱，模擬人工氣候環境下的快速碳化試驗。

碳化環境：20%CO2；濕度為75%；溫度分為20,30和40 ℃ 3組。碳化齡期分為7,14,28,56,84和112 d。

混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試驗塊，強度標號分別為C25，C30和C35，對應水灰比分別為0.65,0.55和0.45。混凝土試件的配合比組成見表1。

采用湖南寧鄉某水泥公司制造的南方復合牌硅酸鹽P.C32.5水泥，骨料為半徑在0.5～3 cm之間的湘江卵石和中砂。

本試驗采用3種不同標號的混凝土試塊，3個為一組，每種標號的混凝土樣本數為6×3個。試驗過程中，運用控制變量法，逐一改變相關參數，記錄試驗現象和數據，最終通過所測得的碳化深度，反映出各因素對碳化的影響程度。

在經過28 d養護后，將試塊取出，再在58～62 ℃的溫度下烘烤48 h。在涂抹環氧樹脂后，將試塊放入密閉碳化箱內。碳化區域的確定還需要1%的酚酞乙醇溶液。

2.2 試驗結果

通過快速碳化試驗，得到了3種混凝土在不同溫度下隨時間變化的曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，每組試驗的碳化深度隨著齡期的增加而增加，初期較快，后期較慢；碳化深度在相同碳化齡期內，隨著水灰比的增加而增加；溫度越高，碳化至相同深度時所需要的齡期越短。

2.3 試驗數據分析

表1 混凝土試件的配合比組成Table 1 Proportion composition of the concrete mixtures

圖1 不同溫度條件下的碳化深度Fig. 1 The depth of carbonization at different temperatures

許多學者提出了預測模型[1]，其規律為混凝土碳化深度與碳化時間的平方根成正比。

(1)

式中：k為碳化速率系數，綜合反映碳化快慢的參數；xt為碳化深度，mm；t為碳化時間，d。

按照式(1)，通過Origin分析軟件，對試驗所得結果進行了曲線擬合，求得每組混凝土的碳化速率系數k的擬合結果及對應的相關系數R平方的取值，見表2。

分別分析抗壓強度、水灰比及溫度對碳化的影響，考慮多因素隨機模式并將各影響系數進行組合，提出了工程中幾種常見情況的混凝土碳化速率系數參考值，見表3。其結果與相關學者給出的建議值相近[4]。

3 碳化深度的概率模型

從銹蝕形態上看，混凝土中的鋼筋銹蝕可分為局部銹蝕和均勻銹蝕2種。由混凝土碳化引發的鋼筋銹蝕是均勻銹蝕[2]，而均勻銹蝕近似服從正態分布。

鋼筋銹蝕分為3個階段：①碳化前沿到達鋼筋表面，但鋼筋鈍化膜并未破壞；②CO2與鋼筋表面的鈍化膜發生化學反應，導致混凝土發生局部破壞；③鋼筋大面積腐蝕，混凝土大面積開裂，鋼筋銹蝕速度加快，導致鋼筋截面迅速減少，導致結構安全性能低于安全性允許的可靠指標[2]。因此，第①階段是結構真正的安全使用期，建立的極限方程為：

表2 試塊碳化結果及擬合數據Table 2 Carbonization results and fitting data of tested blocks

表3 不同條件下碳化速率系數的參考值Table 3 Reference value of carbonization rate coefficient under different conditions

Z=C-xt=0。

(2)

式中：C為混凝土碳化允許指標，取混凝土保護層厚度[5]；xt為碳化深度隨碳化時間的關系函數。

銹蝕發生的概率為：

Pf(t) =P(Z≤0)=P(C-xt≤0)=

(3)

式中：Pc(s)為混凝土保護層厚度隨變量C的概率分布函數；pc(s)為混凝土保護層厚度隨變量C的密度函數；Pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時刻的概率分布函數，服從正態分布函數；pxt(s)為混凝土碳化深度在任意t時刻的密度函數，服從正態分布函數。

由式(3)可計算出任一時刻的結構發生銹蝕的概率。但是，即使對于最為簡單的功能函數，用數值積分法計算結構的失效概率也是十分麻煩的。因此，在實際工程應用中，引入結構可靠度指標的概念[6]。

假設結構抗力R和作用效應S均服從正態分布，則結構的功能函數Z=R-S也服從正態分布。其均值分別為μZ,μR和μS，標準差分別為σZ,σR和σS。結構可靠度指標[1]為：

(4)

Pf=1-φ(β)。

(5)

以快速碳化試驗為基礎，對結構進行可靠度評估的步驟為：

1) 工程完工后，在鋼筋混凝土結構上隨機取樣，得到一組混凝土保護層厚度的樣本，利用線性無偏估計方法，計算出樣本的均值和標準差。

2) 查閱資料[7-8]，得到鋼筋混凝土結構所處的碳化環境。根據本研究提供的不同條件的碳化速率系數k，按照轉換關系kn=0.096 9+0.025 2k，計算得到自然環境下的碳化速率系數kn，并預測出某一時間點的碳化深度。

3) 根據預測得到的碳化深度，反推出要達到該碳化深度快速碳化時所需要的時間。然后，將該時間點上得到的碳化深度測定值數組作為該時刻的碳化深度樣本值。運用線性無偏參數估計方法，得到樣本的均值和標準差。

4) 按式(4)計算，得到結構的可靠度指標。然后，通過中心點法(適用于的情況)或者當量正態化法，計算出結構在某一時刻的失效概率。

本試驗計算了某混凝土試件在碳化40年后的碳化深度為19.204 mm，這與某一工程結構[9-10](除CO2濃度以外，其他環境條件和所計算試件所處的環境一致)在40年后的碳化深度實測平均值19.42 mm的差別非常小，從而驗證了該自然環境下碳化系數和快速碳化試驗碳化系數的轉換關系。

4 結論

混凝土碳化是一個復雜的隨機過程，是造成結構中鋼筋銹蝕的主要因素之一。因此，對鋼筋混凝土結構的碳化可靠度進行預測具有十分重要的現實意義。本研究在進行快速碳化試驗的基礎上，結合其他學者已有的研究成果，運用作者提出的方法，對結構在某一時刻的碳化可靠度進行了預測，得到了結構失效的時間，為工程結構的加固維修時間提供了依據，避免了經濟損失。該方法的計算過程簡便且可靠。但該方法也具有局限性：①結構所處的自然環境和試驗中構件所處的環境不可能完全一樣，只能夠做到接近，這就會產生一定的誤差；②在反推快速碳化所需時間這一程序，由于作者只測定了7,14,28,56,84和112 d的碳化深度，反推的時間不可能正好落在這些時間點上。因此，得到的碳化深度預測數組取值并不方便，只能根據碳化深度與時間的擬合曲線進行取值，這也就會產生一定的誤差。如何對這2種誤差進行修正，還需要進一步的研究。