基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預測

潘 競 虎

(甘肅公航旅路業有限公司，甘肅 蘭州 730300)

1 概述

作為重要的基礎設施建筑物之一，隧道結構復雜，建設投資大，建設周期長，且所經區域大多地質條件復雜多樣，面臨的地質水文問題、環境保護問題、力學性能等也具有多樣性和復雜性[1]。隧道結構自身所處的位置具有較強特殊性，但除此之外，隧道結構，尤其是襯砌結構仍然具有鋼筋混凝土結構的一般特性，與其他鋼筋混凝土結構和建筑物相同，隧道襯砌結構也具有服役壽命[2-4]。近年來，隨著經濟與科技不斷發展，隧道建設事業穩步發展，而隧道結構尤其是襯砌結構的耐久性及壽命預測問題受到了國內外學者的普遍關注[3-6]。隧道結構與周圍的巖體、地下水等介質緊密聯系長期相互作用且暴露在大氣環境中，因而隧道襯砌結構的耐久性和使用壽命受環境因素的影響。長期的研究表明，環境因素對公路隧道襯砌使用壽命的影響，主要體現在襯砌結構長期在大氣中二氧化碳與汽車尾氣綜合作用下混凝土產生的劣化，尤其以混凝土的碳化過程為甚。當碳化進程達到一定程度時，就會引起襯砌內部鋼筋的銹蝕，進而影響襯砌結構的耐久性和使用性能，縮短結構使用壽命[2-7]。因此，文章對基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預測理論進行了研究，并以我國西南地區某一實際工程為例，對公路隧道鋼筋無銹蝕階段壽命進行了初步預測。

2 混凝土碳化對公路隧道襯砌壽命影響

2.1 混凝土碳化機理及影響因素

混凝土中的水泥在進行水化的過程中，由于該過程中水泥自身的化學收縮及混凝土內部的自由水蒸發的影響，會在不同位置出現大小、形狀、密度等物理特征各不相同且又有毛細管相互聯系的氣泡和孔隙。這些氣泡和孔隙中的水會與空氣中的二氧化碳結合形成不穩定的碳酸，進而在混凝土內部與其他水化產物發生化學反應，并形成了新的產物，改變或削弱了混凝土的部分物理化學性能，該過程稱為混凝土的碳化。這其中起主導作用的是二氧化碳與氫氧化鈣發生的中和反應?；炷撂蓟^程中發生的化學反應有[8]：

CO2+H2O→H2CO3,Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·4H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

混凝土發生碳化的過程較為復雜，無論是外界因素還是混凝土材料的物理力學性能，對于碳化都有較大影響。綜合以往的研究結果[9-14]，影響混凝土碳化過程的主要因素包括混凝土自身配合比設計與強度、環境中二氧化碳濃度、環境濕度與溫度等。其中，混凝土配合比與強度主要影響混凝土內部的氣泡與孔隙數量，而環境中二氧化碳濃度、溫度、濕度等影響碳化的過程和劇烈程度。

2.2 混凝土碳化對公路隧道襯砌影響

碳化過程發生的化學反應中，由于碳酸是后期空氣中的二氧化碳與混凝土內部的水生成的酸，消耗了混凝土中原有的氫氧化鈣，生成了新的物質碳酸鈣，其不溶于水，會引起混凝土體積的膨脹，同時降低了混凝土自身的堿性，增強了混凝土的脆性，對于結構受力不利。此外，碳化對混凝土的主要危害，還是混凝土碳化過程引起的鋼筋銹蝕，該過程對于混凝土與鋼筋的結合性能不利，會加速混凝土內部鋼筋的銹蝕。

鋼筋銹蝕過程中發生的反應有：

Fe+Fe2+→2e-,Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+H2O→4Fe(OH)3,

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

鋼筋銹蝕的種類屬于電化學腐蝕，會極大的削弱鋼筋的截面面積，對襯砌結構的耐久性和正常使用性能危害極大。

鋼筋銹蝕對襯砌結構性能的影響，主要表現在三個方面：

首先，銹蝕會導致鋼筋本身的物理力學性能下降，且極大地減小截面面積，降低鋼筋自身強度；

其次，鋼筋銹蝕后產生的物質，會造成鋼筋體積極大的膨脹，使得混凝土保護層開裂，襯砌結構產生裂縫，在影響襯砌強度和耐久性的同時，也減小了混凝土截面的有效面積；

最后，鋼筋的銹蝕會直接導致襯砌結構內部鋼筋與混凝土粘結性能的降低，錨固力下降，使得襯砌結構在受力過程中力的傳遞過程受損，極大地削弱襯砌結構的力學性能。

2.3 襯砌混凝土碳化深度模型與碳化殘量

混凝土碳化過程中，碳化深度的基本計算，可通過Fick第一擴散定律來進行模擬，其基本計算公式為：

其中，X為碳化深度；k為碳化系數；t為碳化時間。在此基礎上，國內外不同學者分別提出了基于理論和實驗的碳化深度計算模型。其中，最典型的理論模型是基于上述計算基本模型的數學模型，對碳化系數做了進一步的細化和考慮，其表達式為：

其中，DCO2為CO2的有效擴散系數；CCO2為混凝土所處環境中的CO2濃度；MCO2為單位體積的混凝土所能吸收的CO2量。

基于混凝土碳化深度的研究，為了表征混凝土結構內部鋼筋銹蝕的發展歷程與混凝土碳化深度之間的關系，日本學者安谷孝義首次提出了碳化殘量的概念，并將其描述為：“實驗中通過無色酚酞試劑所確定的混凝土碳化的前沿與開始發生銹蝕的鋼筋表面之間的距離”。我國JTG F80/1—2017公路工程質量檢驗評定標準所采用的碳化殘量計算公式為：

(1)

其中，x0為碳化殘量的計算值；c為結構混凝土的保護層厚度，mm，當c>50 mm時，取c=50 mm；fcuk為混凝土的抗壓強度標準值；RH為混凝土結構所處環境的年平均相對濕度。

該公式的計算結果與工程實際吻合度較高，且考慮了環境濕度、混凝土抗壓強度、混凝土結構的保護層厚度等因素，具有一定的富裕系數。文中做混凝土襯砌結構基于碳化過程的壽命預測時，采用該計算模式進行。

2.4 公路隧道襯砌壽命預測方法

根據上述分析，襯砌結構的全壽命工作分為兩個階段，混凝土的碳化以及混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，這兩個階段在時間上緊密相連，也存在邏輯關系。因此，襯砌結構壽命預測的關鍵點，在于確定混凝土碳化至鋼筋還未發生銹蝕時，襯砌內部鋼筋的無銹蝕工作時間。而襯砌結構混凝土內部的鋼筋銹蝕的主要影響因素是混凝土的碳化過程，其起始時間由碳化深度與混凝土碳化殘量共同確定。

計算碳化深度時，國內較為全面且與工程實際結構較為吻合的碳化深度實驗模型為西安科技大學牛荻濤教授等人結合碳化速率各個影響因素及工程實際中可能出現的參數，提出的碳化深度計算模型，其表達式為：

(2)

其中，Kmc為計算中出現的表征不確定性的隨機變量；kj為結構角部修正系數；kCO2為二氧化碳濃度影響系數；kP為混凝土澆筑面的修正系數，襯砌結構澆筑面上取其數值為1.2；kS為襯砌結構工作應力修正系數，取其數值為1.1；T為襯砌結構工作環境對應的年平均溫度，℃；RH為襯砌結構工作環境對應的年平均相對濕度；fcu為襯砌結構所使用混凝土的立方體抗壓強度，MPa；mc為襯砌結構混凝土立方體抗壓強度的平均值與標準值之間的比值；t為碳化時間。

碳化殘量的計算，采用2.3中JTG F80/1—2017公路工程質量檢驗評定標準所推薦的碳化殘量計算公式。根據以往的研究結果，當襯砌結構的混凝土保護層厚度與碳化深度碳化殘量的和相等時，可認為襯砌結構內部鋼筋開始發生銹蝕，在此過程中，鋼筋無銹蝕工作時間的計算模式為：

(3)

根據上述理論，即可進行基于混凝土碳化過程的公路隧道襯砌壽命預測，其預測值為對應工作環境下，襯砌內部鋼筋發生銹蝕所需要的時間。

3 公路隧道襯砌壽命預測實例

3.1 工程概況

該隧道位于我國西南某地山區，所屬區域地質條件復雜，多山嶺溝谷，節理裂隙較為發育，但整體透水性較差，富水性差且容易受季節變化的影響。地下水主要為基巖裂隙孔隙水，對混凝土的腐蝕性極弱，但是對鋼材具有較弱的腐蝕性。洞身圍巖主要為Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖，其中Ⅴ級主要分布在出口淺埋段，巖體破碎，穩定性較差。因此，基于上述地質條件，洞口淺埋段采用大管棚和雙層小導管的方式對該段洞身進行超前支護進洞施工，洞口淺埋段和洞身主要部分采取臺階法開挖，部分地段穩定性較差，采用預留核心土環形開挖的施工方式進行。該隧道已于2011年年底正式通車，次年對隧道二襯進行缺陷檢測，本研究基于檢測結果，對隧道襯砌進行壽命預測。

3.2 基于混凝土碳化過程的公路隧道壽命預測

將實地檢測的結果進行匯總并分析后得到以下數據：襯砌混凝土抗壓強度平均值為35.02 MPa，混凝土強度的推定值為27.11 MPa，其值高于襯砌混凝土C25的設計強度。檢測到洞內二氧化碳的濃度為14.39%，故而計算得到二氧化碳濃度影響系數為2.2；檢測得到洞內環境溫度為18.59 ℃，相對濕度為84.13%。將各參數代入式(1)計算得到隧道襯砌結構混凝土在對應工作環境下，碳化殘量的估算值為：

x0=21.87 mm。

而根據碳化深度的計算式(2)及鋼筋開始銹蝕的條件式(3)，有：

計算可得，T1=45.94。

因此，初步分析可以得到，在當前工作環境下，隧道襯砌內鋼筋的無銹蝕工作壽命為46年，即從隧道建成開始，二襯內的鋼筋在46年后便會開始銹蝕，要在該時段后注意檢查隧道襯砌結構混凝土，確保運營安全，如有必要，采取相應的維修策略，延長隧道使用壽命。

4 結語

隧道結構所經區域大多地質條件、水文情況、環境問題等復雜多樣，隧道襯砌結構的耐久性和使用壽命受環境因素的影響較大，主要體現在混凝土的碳化過程及其發展過程對襯砌內部鋼筋銹蝕的影響，進而降低襯砌結構的耐久性和使用性能。本文的研究，通過分析公路隧道襯砌結構的碳化機理及影響因素如混凝土配合比設計、環境中二氧化碳濃度、環境濕度與溫度等，進而討論了混凝土碳化引起鋼筋銹蝕后對公路隧道襯砌結構的影響，在總結襯砌混凝土碳化深度模型與碳化殘量計算模式的基礎上，論述了公路隧道襯砌壽命的預測方法。基于理論分析，結合我國西南地區某山區隧道的實際檢測結果，對其鋼筋無銹蝕情況下的使用壽命進行了初步計算和預測。本文的研究結果，對于同類型項目的實施提供了一定的指導和借鑒。