基于混凝土碳化过程的上吴渡槽寿命预测.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报J o fZ h e j i a n gU n i v o fW a t R e s&E l e c t r i cP o wV o l N o O c t D O I:/j i s s n 基于混凝土碳化过程的上吴渡槽寿命预测邵志平,叶俊飞,季哲丞,丁春梅(义乌市水务局,浙江 义乌 ;义乌市赤岸镇人民政府,浙江 义乌 ;浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 )摘要:钢筋混凝土结构的广泛应用使建筑物在使用过程中面临多种潜在的损坏因素.浙江义乌上吴渡槽属于内陆地区且常年处于湿热环境中,该区域施工中混凝土结构的耐久性主要受到混凝土碳化的影响,因此,采用混凝土碳化模型对上吴渡槽混凝土碳化寿命进行预测具有重要意义.预测结果表明:上吴渡槽排架部位碳化寿命为 年,渡槽修建距今约 年,剩余碳化寿命为 年.该结果对于老旧渡槽的碳化寿命预测有一定参考价值.关键词:渡槽;混凝土;碳化;寿命预测中图分类号:TV 文献标志码:A文章编号:()L i f eP r e d i c t i o no fS h a n g w uA q u e d u c tB a s e do nC o n c r e t eC a r b o n i z a t i o nP r o c e s sS HAOZ h ipi ng,Y EJ u n f e i,J IZ h e c h e ng,D I NGC h u n m e i(Y i w uM u n i c ipa lW a t e rA f f a i r sB u r e a u,Y i w u ,C h i n a;C h i a nT o w nP e opl e sG o v e r n m e n t,Y i w u ,C h i n a;C o l l egeo fW a t e rC o n s e r v a n cya n dE n v i r o n m e n tE ngi n e e r i ng,Z h eji a ngU n i v e r s i tyo fW a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r,H a ngz h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ew i d e spr e a dap pl i c a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e spo s e sv a r i o u spo t e n t i a ld a m agef a c t o r st ob u i l d i ngsd u r i ngu s e T h e l o c a t i o no f S h a ngw uAqu e d u c t i nY i w u,Z h eji a ngP r o v i n c e,i s a n i n l a n da r e aa n d i s c o n s t a n t lyi nah u m i da n dh o te n v i r o n m e n t T h ed u r a b i l i tyo fc o n c r e t es t r u c t u r e s i nt h i sa r e ai sm a i n lya f f e c t e dbyc o n c r e t ec a r b o n a t i o n,s oi t i so fgr e a t s ign i f i c a n c e t opr e d i c t t h ec a r b o n a t i o n l i f eo f t h ec o n c r e t e i nS h a ngw uAqu e d u c tbyc o n c r e t ec a r b o n a t i o nm o d e l T h epr e d i c t i o nr e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h ec a r b o n i z a t i o n l i f eo f t h eb e n tpa r t so fS h a ngw uAqu e d u c t i s ye a r s,a n d t h eaqu e d u c tw a sb u i l t ye a r s ago,w i t har e m a i n i ngc a r b o n i z a t i o n l i f eo f ye a r s I tpr o v i d e s c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rpr e d i c t i ngt h ec a r b o n i z a t i o nl i f eo fo l daqu e d u c t s K e y w o r d s:aqu e d u c t;c o n c r e t e;c a r b o n i z a t i o n;l i f epr e d i c t i o n收稿日期:基金项目:浙江省水利厅重点科技计划项目(R B )作者简介:邵志平(),男,浙江义乌人,高级工程师,研究方向为水利工程管理,E m a i l:y w s w j s z p c o m.通信作者:丁春梅(),女,浙江平湖人,副教授,研究方向为农业水利工程,E m a i l:q q c o m.渡槽是一种重要的大型水利建筑物,类似于桥梁,但其功能不同.渡槽主要用于输水和船舶通航,可以有效保障农田灌溉和工业用水.自新中国成立以来,我国大力发展工农业,浙江省为解决用水问题,在 世纪 年代先后修建了 余座大小不等的渡槽.然而,由于当时施工技术落后和缺乏新型材料等限制,这些渡槽随着时间推移出现了许多问题,如混凝土老化脱落、混凝土碳化、钢筋锈蚀和排架倾斜等.有些渡槽甚至严重受损,已失去相应功能.浙江义乌上吴渡槽于 年月动工,次年月竣工,使用时间已经超过 年.自建成以来,上吴渡槽为当地的农田灌溉和工业生产做出了巨大贡献.然而,渡槽结构如今出现了许多问题,因此,有必要对渡槽混凝土碳化寿命进行预测,以便制订相应的维修和保养计划.工程概况上吴渡槽所在的浙江义乌地区处于浙中盆地丘陵区,地势北部低南部高,属金衢盆地,高程约为 m.测区主要为熔结凝灰岩、凝灰岩,工程区地下水主要为基岩裂隙水和第四系堆积物孔隙水,以大气降水补给为主,并排泄到河流中.孔隙水地下水丰富,水量大,但易受污染,水质较差,基岩裂隙水主要受构造控制,分布不均匀,呈脉状展布,水质较好.上吴渡槽全长 m,横跨两条公路,少数排架从居民区穿过,排架表面混凝土老化严重,时常有混凝土掉落,对居民的生产生活造成威胁.渡槽整体分为三个部分,即槽身、排架与基础,槽身为单排架简支式U形薄壳,每节长度为 m,薄壳厚度为 c m,薄壳内部加装钢筋混凝土,相邻槽身之间采用黏合式橡胶止水带止水.排架最大高度为 m,宽为 m,除和 排架之外,其余每排架均分为上下两段,接头处距离排架顶部 m.排架柱尺寸为 mm mm,排架高度间隔 m处分别设置横向支撑梁,排架柱及支撑梁混凝土标号均为 .基础为双柱杯口基础,采用 混凝土,基础底部平面尺寸为 m m(长宽),基础下部为 埋石混凝土,基础(埋石混凝土)全部坐落在岩基上.基础内设两个深度为 m的形槽,排架柱底部装配插入凹槽后,凹槽四周由 细石混凝土填实固定.混凝土碳化对上吴渡槽结构寿命的影响 混凝土碳化机理长期以来,我国对耐久性问题的关注程度相对较低,包括对耐久性裂缝的形成规律及其对结构带来的影响和潜在后果等方面的研究不够充分,因此,对混凝土碳化的研究具有重要意义.受混凝土材料、环境因素和施工质量等的影响,混凝土表面不可避免地会出现裂缝、蜂窝、麻面等情况.此外,混凝土内部也存在较多的孔隙.在环境中,二氧化碳(C O)溶解于水中生成碳酸(HC O).混凝土内部存在大量碱性物质,当HC O与混凝土内部的钙水化合物(C a(OH)等碱性物质发生酸碱中和反应时,会降低混凝土的碱性,碳化反应机理如图所示.此外,HC O与混凝土内的C a O S i O HO和C a OS i O HO等物质也会发生化学反应,混凝土碳化化学反应式分别为C OHOHC OC a(OH)HC OC a C O HO C a O S i O HO HC O C a C O S i O HO C a OS i O HO HC O C a C OS i O HO图碳化反应机理随着结构使用年限的增加,混凝土内部的碱性环境不断受到破坏,导致钢筋表面钝化膜对钢筋的保护作用减弱.这使得钢筋表面会生成质地蓬松的多水合氧化铁,其体积可达到原钢筋的倍,并产生膨胀应力.在膨胀应力的作用下,混凝土内部会产生裂缝.这些裂缝的持续扩展会对钢筋混凝土结构的功能性产生严重影响,特别是对于渡槽这类建筑物来说,可能出现漏水、渗水等问题,严重影响其使用功能.因此,混凝土的碳化是一种间接破坏机制.随着时间的推移,混凝土的碳化程度和速率会增大,导致混凝土碳化更加深入,使钢筋失去保护,最终会影响钢筋混凝土构件的整体稳定性和耐久性,从而导致结构的破坏.因此,为了确保结构的长期稳定性和耐久性,及时采取措施来控制混凝土碳化现象至关重要.混凝土碳化模型混凝土碳化是各种老旧建筑物普遍存在的问题,在使用年限内会导致结构耐久性降低,因此,国外很早就开始关注对混凝土碳化的研究.我国对相关问题的研究起步较晚,但随着国内外对混凝土碳化现象研究的不断深入,混凝土碳化模型与碳化寿命预测研究发展迅速.国内外学者提出了多种碳化深度预测模型.浙江水利水电学院学报第 卷研究表明:混凝土碳化深度呈线性增长趋势,其增长速率与碳化时间的平方根密切相关,即X(t)kt()式()中:X(t)为混凝土碳化深度,mm;k为混凝土碳化系数,涵盖多种因素;t为碳化时间,年.混凝土的碳化与多种因素有关,阿列克谢耶夫根据环境中C O浓度、混凝土中C O的扩散速率与混凝土吸收C O的能力提出了F I C K定律.其计算式为X(t)DcCmt()式()中:Dc为混凝土中C O扩散系数;C为所处环境C O浓度,;m为单位混凝土C O吸收量.岸谷孝一着重于研究混凝土材料与水灰比等因素对混凝土碳化的影响,并根据试验提出了基于混凝土水灰比的碳化模型,即W/C 时:X(t)rcrarsW/C (W/C)t()W/C 时:X(t)rcrars W/C t()式()式()中:W/C为水灰比,指混凝土中的水质量与水泥质量之间的比率;rc为水泥类别影响系数;rs为骨料品种影响系数;ra为混凝土添加剂影响系数.牛荻涛等在大量检测与试验的基础上,根据混凝土碳化的随机性,建立了基于混凝土抗压强度的碳化模型,此模型考虑较全面,并在工程中广泛应用.其计算式为X(t)km ckjkC OkpksT(RH)RH fc u kmc t()式()中:km c为计算不定性随机变量;kj为角部系数,角部系数与混凝土碳化测点位置选择有关;kC O为建筑物所处环境氧化碳浓度的修正系数;kp为浇筑面系数;ks为应力修正系数;T为建筑物所处环境常年平均温度,;RH为建筑物所处环境年平均湿度,;fc u k为混凝土抗压强度,MP a;mc为混凝土抗压强度平均值与标准值之比.渡槽混凝土碳化寿命准则混凝土碳化引发的破坏主要是混凝土保护层失效,从而破坏了钢筋表面的钝化层,导致钢筋脱钝和发生锈蚀,最终造成钢筋的损坏.钢筋在失去混凝土保护层保护后,在较小锈蚀量、较快时间内就会发生锈蚀,但是在实际工程中,难以对钢筋何时脱钝进行精确判断,因此,在对钢筋混凝土结构碳化寿命进行研究时,需要选择符合工程实际的碳化寿命标准.钢筋锈蚀 是 一 个 受 多 种 因 素 综 合 影 响 的 随机过程.在干旱少雨地区,一些钢筋混凝土结构即使在混凝土保护层完全碳化之后,仍未发生锈蚀,这可能是由于受到外部 环境等因素 的影响,因此,各国对混凝土碳化寿命准则的规定各不相同.现阶段我国 混凝土碳化 寿命标准是 按照混凝土保护层完全碳化,从而失去对钢筋的保护作用,钢筋表面 发生锈蚀作 为标准,结 合上吴渡槽所在地区环境与工程实际情况,本研究以混凝土保护层完全碳化,钢筋表面开始出现肉眼可见锈蚀为标准.混凝土的碳化寿命准则c可以表示为ccxX(t)()式()中:c为混凝土碳化寿命准则;c为混凝土保护层厚度,是一个随机变量,mm;x为碳化残量,与环境因素、混凝土强度、混凝土保护层厚度等有关,是一个随机变量;X(t)为混凝土碳化深度,mm.碳化残量是一个随机变量,可以表示为xK (RH RH )(c)(l nfc u k)()式()中:K为碳化残量计算模式不定性系数K的平均值;RH为工程所在环境湿度,;fc u k为混凝土抗压强度标准值,MP a;为混凝土抗压强度平均值,MP a.混凝土碳化可靠指标相较于结构可靠理论,混凝土的碳化也具有可靠度,因此,可采用可靠性理论方法对混凝土碳化可靠度进行研究.根据混凝土碳化、碳化残量等指标可得钢筋发生锈蚀极限状态方程为Z(t)cxX(t)()式()中,Z(t)为功能随机过程函数.钢筋锈蚀概率可表示为Pf(t)cxkt()第期邵志平,等:基于混凝土碳化过程的上吴渡槽寿命预测式()中:Pf(t)为钢筋锈蚀概率函数;k为混凝土碳化系数,涵盖多种因素;t为碳化时间,年.碳化可靠度可表示为Pf c(t)Pcxkt()式()中,Pf c(t)为碳化可靠度函数.对于可靠指标可表示为c(Pf c)()式()中:c为可靠指标;Pf c为失效概率,.综合上述各式可得可靠指标最终表达式为ccxktcxkt()式()中:c为混凝土保护层厚度的平均值,mm;x为碳化残量的平均值,mm;k为碳化系数的平均值,mm;c为混凝土保护层厚度的标准差,mm;x为碳化残量的标准差,mm;k为碳化系数的标准差,mm.碳化寿命分析按照 建 筑 结 构 可 靠 度 设 计 统 一 标 准(G B )的规定,结构构件的正常使用极限状态的可靠性指标应根据其可逆程度进行确定,且不宜低于.钢筋开始锈蚀允许失效概率见表.表钢筋开始锈蚀允许失效概率分类构件规定Pf c/c预应力混凝土构件 普通混凝土构件重要建筑 一般建筑 渡槽碳化寿命TT S预测可表示为TT STTt()式()中:TT为碳化总寿命,年;t为服役时间,年.上吴渡槽混凝土碳化目标可靠指标取值受多种因素影响,与建筑物工程等级、建筑物功能性、建筑物历史价值以及对周边人民心理状态等因素都有关.上吴渡槽周边居民违建较多,渡槽穿过居民区,少数渡槽排架柱已与民房或其他民用建筑连为一体,渡槽结构遭到破坏,如混凝土老化脱落,可能会对周边人群出行造成影响.考虑渡槽本身质量、周边人群心理状态、渡槽历史意义,建议排架部位可靠指标取值为.上吴渡槽算例分析上吴渡槽所处地区位于义乌市,经查阅资料,当地常年平均气温为,环境湿度为,排架混凝土标号为C ,混凝土强度平均值为 k P a,将以上数据代入各项公式中.碳化残量x ()()(l n )mm将以上数据代入式()可得渡槽排架部位可靠指标与服役时间的关系,具体关系如表所示.表可靠指标与服役时间关系运行时间/年 可靠指标 根据表画出可靠指标经时曲线(图),排架可靠指标取值为.由图可知,当排架可靠指标取时,其碳化寿命约为 年,渡槽建造时间距今已超过 年,因此,从碳化寿命角度来看,渡槽支撑部位 排架仍有一定剩余碳化寿命,为 年.图可靠指标经时曲线结语本研究通过分析混凝土碳化机理,并介绍现有混凝土碳化模型,根据可靠度理论,对混凝土碳化可靠度进行分析,选取上吴渡槽作为研究对象.综合考虑影响上吴渡槽碳化的各项因素,确定了上吴渡槽排架部位混凝土碳化可靠指标为,计算得到其碳化寿命为 年,渡槽修建距今约 年,剩余碳化寿命为 年,本研究对类似渡槽的碳化寿命评估具有一定的参考和借鉴作用.浙江水利水电学院学报第 卷参考文献:马永法水工混凝土结构裂缝成因分析及其危害性评价D扬州:扬州大学,董作超煤矸石集料混凝土的力学性能与抗碳化试验研究D徐州:中国矿业大学,肖佳,勾成福混凝土碳化研究综述J混凝土,():黄可信,吴兴祖,蒋仁敏,等钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护M北京:中国建筑工业出版社,岸谷孝一铁筋混凝土的耐久性M鹿岛:鹿岛建设技术研究所出版部,牛荻涛,董振平,浦聿修预测混凝土碳化深度的随机模型J工业建筑,():杨跃新混凝土连续梁桥的时变可靠度评定与寿命预测D哈尔滨:哈尔滨工业大学,住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局建筑结构可靠度设计统一标准:G B S北京:中国建筑工业出版社,何伟现有钢筋混凝土桥梁耐久性评估与寿命分析D西安:长安大学,(责任编辑:薛妍)资 讯吉尔吉斯斯坦鲁班工坊合作备忘录签约仪式在浙江水利水电学院举行月 日,在杭州亚运盛会即将到来之际,吉尔吉斯斯坦鲁班工坊合作备忘录签约仪式在浙江水利水电学院举行.中国教育国际交流协会副秘书长宗瓦,吉尔吉斯斯坦国立技术大学校长M i r l a nC h y n y b a e v,浙江水利水电学院校长陈光亭和浙江交通职业技术学院校长陈凯共同签署 中吉“鲁班工坊”合作备忘录.浙江省教育厅总督学舒培冬,浙江水利水电学院党委书记钱天国等领导见证签约.签约仪式由浙江水利水电学院副校长李政辉主持.签约仪式期间,宗瓦指出,教育交流合作是中吉两国关系的重要组成部分.宗瓦希望,各方共同努力将吉鲁班工坊建设成为中吉教育交流合作的新亮点和新典范.舒培冬指出,近年来,浙江省高等教育国际化工作走在全国的前列,特别是在服务“一带一路”倡议方面,取得了较好的成绩.目前全省 所高校在 个国家设立了 所丝路学院.此次签订合作备忘录,标志着吉尔吉斯斯坦鲁班工坊将进入实质性建设阶段.M i r l a nC h y n y b a e v表示,吉尔吉斯斯坦积极参与“一带一路”倡议下的共同经济体,在两国元首近期会晤后,两国关系更上一层楼,共建鲁班工坊是两国之间紧密合作的新方向之一.他相信,在中吉两国政府的支持下,该项目将会成功实施,中国的高等职业教育体系的先进技术和成果,将为吉培养高素质的人才.陈光亭在致辞中表示,浙江水利水电学院高度重视国际合作与交流,积极服务“一带一路”倡议,与英国、美国、澳大利亚、韩国、白俄罗斯等十余个国家的高校建立了良好合作关系.学校将在中国教育国际交流协会和浙江省教育厅的大力指导和支持下,和吉尔吉斯斯坦国立技术大学、浙江交通职业技术学院一起,以筹建鲁班工坊为起点,推动更广泛的校际交流合作,为吉尔吉斯斯坦经济社会发展、中吉高质量共建“一带一路”,提供强有力的专业技术人才支撑,为两国教育领域合作注入新动能、增添新活力.摘自浙江水利水电学院官网第期邵志平,等:基于混凝土碳化过程的上吴渡槽寿命预测