碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的更新方法

　　摘 要：碳化環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型，是基于擴(kuò)散理論、快速試驗、自然暴露試驗以及工程經(jīng)驗建立的。由于結(jié)構(gòu)固有的不確定性和服役環(huán)境的復(fù)雜性，理論模型的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)檢測的耐久狀況存在較大偏差。該文利用工程耐久性檢測獲得的碳化深度、檢測鋼筋銹蝕比例、檢測混凝土開裂比例，綜合先驗知識，基于貝葉斯理論，提出碳化環(huán)境下的耐久性模型更新方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)實際的檢測結(jié)果，經(jīng)過更新的耐久性預(yù)測模型與待評估結(jié)構(gòu)實際耐久狀況更相符。依此模型進(jìn)行相應(yīng)剩余耐久壽命的概率預(yù)測和耐久性評級，為既有結(jié)構(gòu)耐久性評估提供參考。

　　關(guān)鍵詞：耐久性評估;碳化環(huán)境;檢測信息;模型更新;壽命預(yù)測

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)存最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式，碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，是目前我國既有混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的問題。受碳化影響較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，如工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)(常年處于高溫高濕環(huán)境)、交通隧道和地下結(jié)構(gòu)(交通廢氣中的CO2積聚到較高水平)等，結(jié)構(gòu)潛在的使用壽命主要取決于碳化速率和隨后的鋼筋腐蝕[1−4]。

　　對碳化深度和鋼筋銹蝕的準(zhǔn)確預(yù)測，是結(jié)構(gòu)維護(hù)與維修決策的關(guān)鍵。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，通過利用既有混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測信息，綜合理論知識、實際環(huán)境和結(jié)構(gòu)的歷史損傷狀態(tài)，采用概率方法對耐久性模型進(jìn)行更新，并利用更新后的模型預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命，建立基于概率的耐久性評估方法，具有重要的工程意義。

　　混凝土論文范例：市政道路工程瀝青混凝土路面施工常見問題及應(yīng)對措施

　　國內(nèi)外的耐久性評估標(biāo)準(zhǔn)，如我國《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)[1]，日本的“Standard Specifications for Concrete Structures”[5]，美國的“Life-365 Service Life PredictionModel”[6]等，采用的耐久性評估與預(yù)測模型，均是基于擴(kuò)散理論、快速試驗、自然暴露試驗以及工程經(jīng)驗建立的半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。�?guī)范對結(jié)構(gòu)耐久性的評估，采用了確定性的方法，忽略了模型本身的不確定性。國內(nèi)外學(xué)者提出了基于概率的既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估與壽命預(yù)測方法[7−11]，對于碳化環(huán)境下的更新，主要針對碳化深度預(yù)測模型，而針對鋼筋初始銹蝕模型及保護(hù)層初始銹脹開裂模型，目前尚無相應(yīng)的更新方法。

　　實際工程中，鋼筋銹蝕和保護(hù)層銹脹開裂的檢測結(jié)果，與模型的計算結(jié)果差異較大[12]，這與結(jié)構(gòu)實際服役環(huán)境的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)固有的不確定性及試驗材料和試驗條件的差異性相關(guān)[1]。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性檢測，可以提高對結(jié)構(gòu)及環(huán)境作用歷史的認(rèn)識，充分利用檢測信息，能在一定程度上更新結(jié)構(gòu)未來的耐久性失效概率[13]。

　　碳化環(huán)境下的耐久性無損檢測可獲得的信息包括：混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、碳化深度、銹蝕鋼筋比例和可觀測到的混凝土順筋裂縫。目前基于這些信息提出的耐久性失效概率更新方法有兩種：一種是由Suo和Stewart等[14]提出基于貝葉斯理論的失效結(jié)果更新方法，通過當(dāng)前的銹蝕/開裂樣本比例，更新未來的銹蝕/開裂概率，更新過程僅以時間為自變量，僅能對未來的現(xiàn)象進(jìn)行更新;第二種是通過對耐久性參數(shù)分布的貝葉斯更新，實現(xiàn)對失效概率預(yù)測的更新，更新效率依賴于參數(shù)樣本的數(shù)量和信息的準(zhǔn)確性。

　　目前尚未提出基于當(dāng)前檢測的銹蝕/開裂樣本比例，通過模型更新獲得更貼近所檢測結(jié)構(gòu)實際狀況的耐久性失效模型的方法。鑒于此，本文基于無損檢測獲得的碳化環(huán)境下的耐久性相關(guān)信息，采用貝葉斯理論，提出更適用于檢測結(jié)構(gòu)的耐久性失效模型(鋼筋初始銹蝕模型、保護(hù)層初始銹脹開裂模型)的更新方法，并根據(jù)更新后的耐久性模型，對所檢測結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測，完善基于概率的耐久性評估理論。本文使用了《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)中的耐久性模型，旨在給出模型的更新方法。

　　1 混凝土結(jié)構(gòu)碳化環(huán)境下的耐久性模型

　　混凝土的碳化，又稱混凝土的中性化，是空氣中的CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，并與混凝土孔隙中的堿性水溶液及各水化產(chǎn)物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的過程[15]。碳化會降低孔隙中溶液的PH值，對混凝土中鋼筋的電化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)PH值降至9時~11時，鋼筋開始脫鈍，并逐漸銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積是鋼筋體積的2倍~6倍，隨著銹蝕量的增加，混凝土保護(hù)層開裂，隨后裂紋不斷擴(kuò)展[16]。

　　一般將上述過程劃分為3個階段：鋼筋初始銹蝕階段、混凝土保護(hù)層初始銹脹開裂階段和裂縫不斷擴(kuò)展階段[1]。碳化耐久性分析中，碳化速率和鋼筋銹蝕速率與環(huán)境相對濕度、相對溫度、CO2濃度、混凝土材料特性(水泥品種、水灰比)、混凝土保護(hù)層厚度等相關(guān)。考慮到影響因素的可檢測性，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)，給出了適用于多數(shù)現(xiàn)存混凝土結(jié)構(gòu)碳化環(huán)境下的耐久性工程模型。

　　1.1 碳化深度預(yù)測模型

　　混凝土中膠凝材料水化后，孔隙水溶液中含有大量的K+、Na+、Ca2+和OH−，溶液PH值約為13左右，呈高度堿性。大氣中的CO2通過孔隙結(jié)構(gòu)遷移到混凝土中，并與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)，稱為“碳化”，碳化反應(yīng)方程式主要為[17]：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O(1)水泥漿中的其他礦物成分，也可以與孔隙溶液中溶解的CO2發(fā)生反應(yīng)，包括硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸鹽等。碳化深度的工程預(yù)測模型，在Fick定律的基礎(chǔ)上，考慮為暴露時間的平方根函數(shù)[18]。

　　1.2 鋼筋初始銹蝕模型

　　碳化導(dǎo)致混凝土孔隙溶液的PH值降低，破壞了預(yù)埋鋼筋的電化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致鋼筋脫鈍，并引發(fā)銹蝕。理論上，當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋表面時，鋼筋初始銹蝕。而實際工程發(fā)現(xiàn)，有時碳化尚未達(dá)到鋼筋表面但鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕，有時碳化超過了鋼筋表面但鋼筋尚未銹蝕[20]。部分學(xué)者稱碳化前沿與鋼筋表面的區(qū)域為不完全碳化區(qū)[21]，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)定義為碳化殘量，并根據(jù)工程經(jīng)驗。

　　2 基于無損檢測信息的模型更新方法

　　采用《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344−2004)[22]、《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50784)[23]和《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23−2011)[24]的方法，對既有混凝土結(jié)構(gòu)展開調(diào)查檢測，獲得的無損檢測信息包含混凝土強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度、通過半電池電位法確定的鋼筋銹蝕狀況，以及可觀測到的混凝土表面開裂情況。

　　本節(jié)利用檢測獲得的定性或定量耐久性相關(guān)信息，采用貝葉斯理論，提出對前述碳化深度預(yù)測模型、鋼筋初始銹蝕模型、混凝土保護(hù)層初始銹脹開裂模型的更新方法，減小模型計算結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)耐久情況的差異，提高模型準(zhǔn)確性，用于結(jié)構(gòu)剩余耐久年限的預(yù)測，并依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51355−2019)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評級。

　　3 實例分析

　　我國目前處于結(jié)構(gòu)新建與維修改造并重階段，現(xiàn)存了大量的既有混凝土結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行可靠的耐久性能評估，以做出合理的維修加固或改造決策[15]。工程實踐表明，混凝土中的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化的最主要因素。對一般室內(nèi)環(huán)境建筑，通�？梢跃S持50年不維修，對室外環(huán)境，使用30年−40年即需要維修，對南方潮濕地區(qū)，使用20年−30年即維修，對重工業(yè)建筑，使用25年−30年即需大修，對惡劣環(huán)境下的建筑，一般10年−20年就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害[27]。采用文中方法，基于工程檢測信息，可綜合先驗信息和結(jié)構(gòu)服役的歷史耐久性能，對由理論和實驗獲得的耐久性機(jī)理模型進(jìn)行更新和修正，以預(yù)測未來的損傷和耐久壽命，同時依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)，對結(jié)構(gòu)做出合理的耐久性評估。此處引入文獻(xiàn)[19]中的工程實例，說明本文方法的適用性。

　　3.1 基本信息實例為武漢鋼鐵公司江心水站，建于1957年，檢測時已使用44年，具體介紹參見文獻(xiàn)[19]。為排除其他因素的影響，本文僅考慮水站主體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)筒內(nèi)部鋼筋混凝土梁板評定單元。

　　根據(jù)測試結(jié)果，環(huán)境相對溫度為34.1oC，相對濕度為68%。采用回彈法測試混凝土強(qiáng)度，并用回彈超聲綜合法進(jìn)行復(fù)核，得到混凝土強(qiáng)度等級為35.3 MPa。單元內(nèi)布置10個測區(qū)測定混凝土碳化深度，每個測區(qū)呈品字形布置三個測孔，孔深控制在40 mm左右，用氣筒清除孔內(nèi)粉末，用布擦干凈后噴灑1%酒精酚酞溶液，等變色后用游標(biāo)卡尺測量碳化深度(每孔在相對邊測2個數(shù)據(jù)，精確至0.1 mm)。

　　共檢測混凝土碳化深度樣本60個，統(tǒng)計分析樣本平均值為20.7 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為3.9 mm，變異系數(shù)為0.19。對混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測并統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其變異性較大，共檢測樣本20個，樣本統(tǒng)計均值為41.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為17.9 mm，變異系數(shù)為0.43。對混凝土中的鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行測試和評定，采用鋼筋銹蝕測試儀和打孔抽查的方法，測點與混凝土保護(hù)層厚度測點相同，共20個樣本，均未發(fā)現(xiàn)鋼筋有任何銹蝕現(xiàn)象。

　　4 結(jié)論

　　由于工程結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)自身的不確定性及試驗材料和試驗條件的差異性，目前基于機(jī)理的碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的預(yù)測結(jié)果，與檢測結(jié)構(gòu)的實際耐久性狀態(tài)具有較大差異。本文基于無損檢測信息，提出了碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模型的更新方法，并根據(jù)更新后的耐久性模型，對所檢測結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測。采用更新后的預(yù)測結(jié)果，結(jié)合《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51355−2019)中的耐久性評級方法，對所檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件耐久性評級。本文提出的耐久性模型更新方法具有普適性，而更新后的耐久性模型和評估結(jié)果，結(jié)合了待評估結(jié)構(gòu)的無損檢測信息，具有針對性。

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　　作者：谷 慧，李全旺，侯冠杰

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