基于不同濃度CO2環境下的公路隧道壽命預測模型

彭 浩，熊 鵬，陶永虎

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

21世紀至今我國高速公路及高鐵建設事業蓬勃發展，隧道保有量也急劇攀升。為保證隧道安全長效工作，開展隧道服役壽命預測勢在必行。劉強等[1]通過模擬臨海碳化環境和硫酸鹽侵蝕環境，結合已有研究成果[2]，構建理論模型預測了拱北隧道暗挖段鋼筋混凝土襯砌結構壽命，但臨海隧道服役環境與內陸隧道差異較大，在公路隧道中應用受限。李昕等[3]基于相似法則和可靠度理論，利用蒙特卡羅法和Matlab編程，根據承載力極限準則和裂縫限值準則兩種服役壽命預測方法，對南京緯三路水下大直徑盾構隧道工程實例的襯砌結構壽命進行預測，但依托工程為水下隧道，其服役環境亦較內陸地區的隧道更為復雜，失效原因更加多樣，故其預測壽命的方法也有一定局限性。王海彥等[4]通過分析硫酸鹽的侵蝕機理，建立了自然劣化衰減方程，再根據規范中混凝土強度耐蝕系數低于75%時混凝土壽命終結的基本原則，得出了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的壽命預測方程，并使用該方程進行了襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕壽命預測，發現襯砌混凝土在硫酸鹽侵蝕環境與高濃度CO2環境下的誘因不同、致損過程差異較大，故該方法并不能在高濃度CO2公路隧道中應用。姚貝貝等[5]將響應面法和重要抽樣法結合，以響應面法所得驗算點作為重要抽樣法的樣本中心，以此求解結構可靠度指標，并考慮結構抗力隨時間遞減的因素，利用Matlab編制了隧道在服務壽命期限內的時變可靠度指標的計算程序，通過時變性可靠度指標與耐久性系數間的對應關系，得到隧道襯砌任意時刻的耐久性系數，并應用有限元計算，預測了實例的隧道壽命，但該方法計算過于繁瑣，實際應用存在一定難度。潘洪科等[6]選取保護層完全碳化壽命準則作為結構的耐久性壽命評判標準，在試驗基礎上獲得各影響因素與碳化深度的相關數據，采用人工智能的方法，建立了神經網絡預測模型，并將訓練后的網絡模型進行應用檢驗。該思路及方法十分新穎，但并未考慮混凝土性能退化、鋼筋銹蝕等因素，仍有改進空間。本文從襯砌混凝土結構的一般性出發，考慮隧道所處環境、襯砌材料、鋼筋銹蝕等諸多因素，以裂縫寬度限值準則和結構鋼筋銹蝕量與表面裂縫寬度之間的關系作為理論基礎，建立隧道正常使用壽命預測模型，再對不同濃度CO2環境下隧道的正常使用壽命進行預測和分析。

1 隧道襯砌在CO2環境下破壞過程

公路隧道由于汽車排放大量尾氣使得隧道內CO2濃度遠高于大氣環境中的濃度，故襯砌混凝土的碳化速度也遠快于自然環境中的混凝土，導致其正常使用壽命較低，但二者從碳化到破壞的過程基本相同，其大致過程如下：

(1)混凝土的水化產物(氫氧化鈣和水化硅酸鈣)和未水化水泥顆粒(硅酸三鈣和硅酸二鈣)與CO2發生化學反應生成CaCO3、水等，使得混凝土出現PH值降低、孔隙增大、強度降低等現象，這個過程被稱之為混凝土碳化，相關化學方程式如下[7]：

Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+H2O

(1)

(xCaO2SiO2yH2O)+xCO2+yH2O→xCaCO3+2SiO2(x+y)H2O

(2)

(2CaOSiO2)+2CO2+nH2O→SiO2nH2O+2CaCO3

(3)

(3aOSiO2)+3CO2+nH2O→SiO2nH2O+3CaCO3

(4)

(2)混凝土碳化后PH持續降低，當鋼筋表面PH<11.5后由于混凝土的中性化，導致鋼筋表面鈍化膜發生脫鈍現象。完全脫鈍后鋼筋開始銹蝕且腐蝕速率隨PH減小逐漸加快。混凝土PH≤9后，鋼筋腐蝕速率不再受PH值影響[8- 9]。

(3)鋼筋腐蝕產生的銹蝕產物體積是原體積的3～8倍[10]，混凝土保護層受到膨脹壓力，當腐蝕達到一定程度后襯砌混凝土被撐破，襯砌開裂。裂縫的出現導致鋼筋表面濕度、酸性氣體及O2濃度梯度增加，鋼筋腐蝕速率急劇加快。

(4)隨著鋼筋腐蝕程度加重，襯砌將會出現承載能力降低、裂縫寬度增大等問題。當裂縫寬度達到規范限值或承載力不足時可認為隧道不再符合正常使用要求，隧道正常使用壽命終結，需對隧道進行加固處理并進行安全性評估方可繼續使用。

2 建立鋼筋混凝土襯砌正常使用壽命模型

在實際工程中，隧道襯砌結構在服役若干年后，一般都會發育出不同程度的裂縫，而后將處于帶縫工作狀態。但只要裂縫寬度不超過規范限值，將不會危及結構的安全性能，即認為結構滿足使用耐久性要求。隧道二次襯砌一般作為安全儲備，并不作為主要的承力結構，因此以承載力準則進行結構安全性驗算存在一定局限性。本文以裂縫寬度限值準則作為判斷隧道是否滿足使用耐久性的依據，相較于承載力準則有著更廣泛的適用性。

考慮隧道襯砌從碳化到失效的全過程可建立高濃度CO2環境下的隧道正常使用壽命預測模型。

綜合隧道內考慮CO2濃度、環境溫度、濕度、混凝土強度和施工工藝后結合已有研究成果[11- 13]可得鋼筋開始銹蝕時間ti的計算方法如下：

ti=[(c-χ0)/k]2

(5)

式(5)中，

(6)

(7)

鋼筋持續銹蝕體積發生膨脹，撐破保護層，開裂后，鋼筋銹蝕速率加快，保護層開裂時間及開裂后銹蝕速率計算方法如下[10]。

(8)

δcr=0.015(c/d)1.55+0.0014fcuk+0.0016

(9)

(10)

λ1=(4.5-340λ0)λ0

(11)

式(5)—(11)中，ti—鋼筋開始銹蝕時間；k—碳化系數，c—保護層厚度，mm；χ0—碳化殘量，mm；fcuk—混凝土抗壓強度，MPa；Dc—與保護層厚度及碳化系數有關的參數；m—局部環境系數；KCO2、Kk1、KkT、Kks和KF—CO2濃度影響系數、位置影響系數、養護澆筑影響系數、工作應力影響系數和粉煤灰取代系數；T、RH、C0—混凝土溫度(℃)、環境相對濕度、CO2濃度(%)；tcr—保護層開裂時間；δcr—保護層銹脹開裂時的臨界鋼筋銹蝕深度；λ0—保護層銹脹開裂前的年平均鋼筋銹蝕速率；Kcl為鋼筋位置影響系數；λ1為保護層銹脹開裂后年平均銹蝕率。

萬勝武等[14]通過大量試驗研究發現鋼筋位于一般位置時混凝土表面的裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度存在如下關系：

ω=4.1969δ-0.064

(12)

通過對公式(5)—(12)進行整理計算可得任意時刻t與裂縫寬度的關系：

(13)

式(12)—(13)中，δ—鋼筋銹蝕深度，δ=δcr+λ1(t-tcr)；ω—裂縫寬度，按規范[13]規定取2mm；t—結構裂縫寬度限制的時間，即為隧道正常使用壽命，其余各符號意義同前。

對隧道進行剩余壽命預測時先按照本文模型對隧道相應服役年限的最大裂縫寬度ωmax進行預測，并以隧道內裂縫寬度的實測值對模型數據進行修正，按修正后模型預測隧道的正常使用壽命并與已服役時間做差，差值即為隧道的剩余使用壽命。

3 工程實例及其影響因素

3.1 典例分析

某公路隧道工程[15]，地區年平均溫度25℃，平均濕度0.78,采用鋼筋混凝土二次襯砌對稱配筋。截面參數為：采用C30混凝土，截面厚度為60cm，保護層厚度40mm，每延米布置8根22mm螺紋鋼筋(Art=3041mm2)。

由上述公式可得當t=99(年)時，襯砌的最大裂縫寬度ωmax=2.005mm>2mm，因此該隧道的正常使用壽命為99年。

3.2 主要影響因素

3.2.1溫度對隧道正常使用壽命的影響

溫度是影響隧道正常使用壽命的重要因素之一。根據熱力學定律，溫度升高分子運動速率加快，化學反應加速進行，導致混凝土碳化速度、鋼筋腐蝕速率也隨之加快，隧道正常使用壽命縮短，保持環境條件不變以溫度為變量繪制不同CO2濃度環境下隧下的正常使用壽命曲線如圖1所示。

圖1 溫度對正常使用壽命的影響

由圖1可知：隨著CO2濃度的增加，不同溫度環境下的隧道正常使用壽命都有不同程度的減少，當隧道內CO2濃度處于0.03%～0.12%間時降幅最為劇烈，之后濃度的增加雖然也在一定程度上影響隧道的正常使用壽命，但降幅并不明顯，逐漸趨于平穩。導致該現象的原因如下：根據式(1)—(4)中的相關反應及相關化學知識可知，由于CO2濃度增加，反應物濃度增大反應加快，隧道襯砌碳化速率加快，壽命減少。當CO2濃度達到一定值時，繼續增加反應物濃度，對反應的促進效果將不再顯著；因此，當CO2濃度超過0.12%(即自然環境中CO2濃度的3～4倍)后，隨著濃度增加，隧道正常使用壽命也隨之減少，但幅度有所下降。相同CO2濃度環境下，隧道的正常使用壽命隨溫度上升而減少，原因在于較高的溫度使物質間化學反應速率加快，但大氣環境下溫度的升降幅度有限，并不會使混凝土的碳化及鋼筋銹蝕速率產生太大程度的改變；因此，溫度對隧道壽命的影響相較于隧道動輒上百年的壽命來說影響程度微乎其微，且隧道內溫度很難通過人力改變，因此設計階段進行充分考慮即可。

3.2.2保護層厚度對隧道正常使用壽命的影響

公路隧道服役過程中由于汽車尾氣的大量排放導致隧道內CO2濃度遠高于自然環境內的濃度，其濃度很容易達到大氣環境內的3～4倍，使得隧道襯砌混凝土的碳化速度和深度都遠遠大于自然環境中的混凝土，較厚的保護層可防止鋼筋過早被銹蝕，因此公路隧道的正常使用壽命很大程度上由隧道襯砌混凝土的保護層厚度決定，保持環境條件不變，以保護層厚度為變量繪制不同CO2濃度環境下隧道的正常使用壽命曲如圖2所示。

圖2 保護層厚度對正常使用壽命的影響

由圖2可知：隨著隧道襯砌混凝土保護層厚度的增加，不同CO2濃度環境下隧道正常使用壽命都有大幅度的增長；正常情況下，保護層厚度每增加5mm隧道壽命就有5～10年不同程度的提升。保護層較薄時CO2濃度對隧道正常使用壽命影響較小，但隨厚度增加影響不斷增大；保護層厚度為30mm時CO2濃度從0.03%升高至0.15%，隧道正常使用壽命僅減少了8年，但厚度為60mm時減少了20年，降幅為30mm時的2.5倍。因此，保護層厚度與CO2濃度對隧道正常使用壽命影響有較深的耦合度。

3.2.3相對濕度對隧道正常使用壽命的影響

隧道服役過程中，由于含有大量水蒸汽的汽車尾氣大量排放，使得隧道內相對濕度遠高于自然環境，而較高的濕度會使混凝土碳化、鋼筋銹蝕速率加快，故相對濕度對隧道正常使用壽命的影響不容忽視，限定環境條件參數不變，以相對濕度為變量繪制不同CO2濃度下隧道的正常使用壽命曲如圖3所示。

圖3 相對濕度對正常使用壽命的影響

由圖3可知：相同CO2濃度環境下當相對濕度<0.7時隧道的正常使用壽命遠高于設計年限一百年，且隨相對濕度的增加驟減，而后降幅逐漸減小，相對濕度介于0.8～0.85時隧道的正常使用壽命達到最小值而后有小幅度增加。出現該現象的原因為在環境相對濕度為0.8時鋼筋的腐蝕速率最快；當相對濕度大于0.8后由于孔隙水飽和度增加、氧氣擴散困難使銹蝕速率反而下降，這也導致了在相對濕度在大于0.85后隧道正常使用壽命不降反增的反常現象，故在結構耐久性計算中，當環境相對濕度大于0.8時皆按0.8進行計算。

3.2.4混凝土強度對隧道正常使用壽命的影響

混凝土強度能真實地反映出混凝土的孔隙率和密實度的大小以及水泥用量的多少，因此襯砌混凝土的強度能宏觀地反應隧道的正常使用壽命的長短，控制各環境參數不變，以混凝土強度為變量繪制不同CO2濃度環境下隧道的正常使用壽命曲線如圖4所示。

圖4 混凝土強度對正常使用壽命的影響

由圖4可知：隨著襯砌混凝土強度增加，隧道的正常使用壽命在不同CO2濃度環境下都有小幅度上升，增加幅度基本不受CO2濃度影響。高強度襯砌混凝土壽命較長的原因在于，高強度混凝土的孔隙率較小、密實度較大，CO2和O2的濃度梯度都較小，大大抑制了混凝土的碳化及鋼筋銹蝕速率。其次，高強度的混凝土能在一定程度上抑制裂縫的產生和擴散，標號越高抑制裂縫發育的效果越明顯。因此，隧道在使用高強度混凝土時壽命普遍高于普通混凝土。

上述各因素都對隧道的正常使用壽命有或大或小的影響。其中又以相對濕度、CO2濃度、保護層厚度的影響為最突出。因此，大力發展小排量燃油汽車或者零排放的新能源汽車能在很大程度上降低隧道內相對濕度、CO2濃度以及SO2、NO2等酸性氣體濃度，是未來提升隧道服役壽命最可行的方法之一。

4 結論

(1)依據鋼筋銹蝕量與裂縫寬度之間的實驗關系給出了隧道正常使用壽命t與裂縫限制寬度、腐蝕速率、開裂時間等因素的關系顯式。

(2)按照鋼筋銹蝕量與裂縫寬度之間關系建立的隧道壽命預測模型，計算結果較為合理，且計算簡單、參數容易獲取，為相關研究提供了新的思路。

(3)碳化系數k為進行隧道壽命預測最重要的參數之一，但其計算公式存在計算結果誤差較大的問題，建議通過現場測定的方法確定其取值。

(4)在影響隧道正常使用壽命的諸多因素中，保護層厚度、相對濕度及CO2濃度對壽命的影響最突出。