本文摘要：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(yàn)、自然暴露試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)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(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)檢測(cè)的耐久狀況存在較大偏差。該文利用工程耐久性檢測(cè)獲得的碳化深度、檢測(cè)
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(yàn)、自然暴露試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)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(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)檢測(cè)的耐久狀況存在較大偏差。該文利用工程耐久性檢測(cè)獲得的碳化深度、檢測(cè)鋼筋銹蝕比例、檢測(cè)混凝土開(kāi)裂比例，綜合先驗(yàn)知識(shí)，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(shí)際的檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)過(guò)更新的耐久性預(yù)測(cè)模型與待評(píng)估結(jié)構(gòu)實(shí)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(cè)和耐久性評(píng)級(jí)，為既有結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估提供參考。
關(guān)鍵詞：耐久性評(píng)估;碳化環(huán)境;檢測(cè)信息;模型更新;壽命預(yù)測(cè)
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(wèn)題，是目前我國(guó)既有混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)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(duì)碳化深度和鋼筋銹蝕的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，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(guò)利用既有混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)信息，綜合理論知識(shí)、實(shí)際環(huán)境和結(jié)構(gòu)的歷史損傷狀態(tài)，采用概率方法對(duì)耐久性模型進(jìn)行更新，并利用更新后的模型預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命，建立基于概率的耐久性評(píng)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(jiàn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施
國(guó)內(nèi)外的耐久性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)[1]，日本的“Standard Specifications for Concrete Structures”[5]，美國(guó)的“Life-365 Service Life PredictionModel”[6]等，采用的耐久性評(píng)估與預(yù)測(cè)模型，均是基于擴(kuò)散理論、快速試驗(yàn)、自然暴露試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)建立的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｒ?guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估，采用了確定性的方法，忽略了模型本身的不確定性。國(guó)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(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法[7−11]，對(duì)于碳化環(huán)境下的更新，主要針對(duì)碳化深度預(yù)測(cè)模型，而針對(duì)鋼筋初始銹蝕模型及保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型，目前尚無(wú)相應(yīng)的更新方法。
實(shí)際工程中，鋼筋銹蝕和保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的檢測(cè)結(jié)果，與模型的計(jì)算結(jié)果差異較大[12]，這與結(jié)構(gòu)實(shí)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(yàn)材料和試驗(yàn)條件的差異性相關(guān)[1]。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性檢測(cè)，可以提高對(duì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境作用歷史的認(rèn)識(shí)，充分利用檢測(cè)信息，能在一定程度上更新結(jié)構(gòu)未來(lái)的耐久性失效概率[13]。
碳化環(huán)境下的耐久性無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(guò)當(dāng)前的銹蝕/開(kāi)裂樣本比例，更新未來(lái)的銹蝕/開(kāi)裂概率，更新過(guò)程僅以時(shí)間為自變量，僅能對(duì)未來(lái)的現(xiàn)象進(jìn)行更新;第二種是通過(guò)對(duì)耐久性參數(shù)分布的貝葉斯更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效概率預(yù)測(cè)的更新，更新效率依賴(lài)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(cè)的銹蝕/開(kāi)裂樣本比例，通過(guò)模型更新獲得更貼近所檢測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況的耐久性失效模型的方法。鑒于此，本文基于無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(kāi)裂模型)的更新方法，并根據(jù)更新后的耐久性模型，對(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測(cè)，完善基于概率的耐久性評(píng)估理論。本文使用了《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)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(chēng)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(guò)程[15]。碳化會(huì)降低孔隙中溶液的PH值，對(duì)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(shí)~11時(shí)，鋼筋開(kāi)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(kāi)裂，隨后裂紋不斷擴(kuò)展[16]。
一般將上述過(guò)程劃分為3個(gè)階段：鋼筋初始銹蝕階段、混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)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(duì)濕度、相對(duì)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(cè)性，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)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(cè)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(guò)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(chēng)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(cè)模型，在Fick定律的基礎(chǔ)上，考慮為暴露時(shí)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(shí)，鋼筋初始銹蝕。而實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，有時(shí)碳化尚未達(dá)到鋼筋表面但鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕，有時(shí)碳化超過(guò)了鋼筋表面但鋼筋尚未銹蝕[20]。部分學(xué)者稱(chēng)碳化前沿與鋼筋表面的區(qū)域?yàn)椴煌耆蓟瘏^(qū)[21]，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)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(yàn)。
2 基于無(wú)損檢測(cè)信息的模型更新方法
采用《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344−2004)[22]、《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50784)[23]和《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23−2011)[24]的方法，對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)展開(kāi)調(diào)查檢測(cè)，獲得的無(wú)損檢測(cè)信息包含混凝土強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度、通過(guò)半電池電位法確定的鋼筋銹蝕狀況，以及可觀測(cè)到的混凝土表面開(kāi)裂情況。
本節(jié)利用檢測(cè)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(duì)前述碳化深度預(yù)測(cè)模型、鋼筋初始銹蝕模型、混凝土保護(hù)層初始銹脹開(kāi)裂模型的更新方法，減小模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(cè)，并依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51355−2019)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)級(jí)。
3 實(shí)例分析
我國(guó)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(píng)估，以做出合理的維修加固或改造決策[15]。工程實(shí)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(duì)一般室內(nèi)環(huán)境建筑，通常可以維持50年不維修，對(duì)室外環(huán)境，使用30年−40年即需要維修，對(duì)南方潮濕地區(qū)，使用20年−30年即維修，對(duì)重工業(yè)建筑，使用25年−30年即需大修，對(duì)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(cè)信息，可綜合先驗(yàn)信息和結(jié)構(gòu)服役的歷史耐久性能，對(duì)由理論和實(shí)驗(yàn)獲得的耐久性機(jī)理模型進(jìn)行更新和修正，以預(yù)測(cè)未來(lái)的損傷和耐久壽命，同時(shí)依托《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355−2019)，對(duì)結(jié)構(gòu)做出合理的耐久性評(píng)估。此處引入文獻(xiàn)[19]中的工程實(shí)例，說(shuō)明本文方法的適用性。
3.1 基本信息實(shí)例為武漢鋼鐵公司江心水站，建于1957年，檢測(cè)時(shí)已使用44年，具體介紹參見(jiàn)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(píng)定單元。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，環(huán)境相對(duì)溫度為34.1oC，相對(duì)濕度為68%。采用回彈法測(cè)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(jí)為35.3 MPa。單元內(nèi)布置10個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)定混凝土碳化深度，每個(gè)測(cè)區(qū)呈品字形布置三個(gè)測(cè)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(cè)量碳化深度(每孔在相對(duì)邊測(cè)2個(gè)數(shù)據(jù)，精確至0.1 mm)。
共檢測(cè)混凝土碳化深度樣本60個(gè)，統(tǒng)計(jì)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(duì)混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其變異性較大，共檢測(cè)樣本20個(gè)，樣本統(tǒng)計(jì)均值為41.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為17.9 mm，變異系數(shù)為0.43。對(duì)混凝土中的鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定，采用鋼筋銹蝕測(cè)試儀和打孔抽查的方法，測(cè)點(diǎn)與混凝土保護(hù)層厚度測(cè)點(diǎn)相同，共20個(gè)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(yàn)材料和試驗(yàn)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(cè)結(jié)果，與檢測(cè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性狀態(tài)具有較大差異。本文基于無(wú)損檢測(cè)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(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余耐久壽命進(jìn)行概率預(yù)測(cè)。采用更新后的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51355−2019)中的耐久性評(píng)級(jí)方法，對(duì)所檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件耐久性評(píng)級(jí)。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(píng)估結(jié)果，結(jié)合了待評(píng)估結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)信息，具有針對(duì)性。
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作者：谷 慧，李全旺，侯冠杰
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