混凝土结构使用寿命预测模型研究综述.pdf

混凝土结构使 用寿命预测模型研 究综述 何文敏 1 4 1 混凝土结构使 用寿命预测模型研 究综述 何 文敏 ， ( 1 陕西铁路工程职业技术学院，渭南 7 1 4 0 0 0 ； 2 长安大学材料科学与工程学院， 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 纵观当前混凝土结构使用寿命预测模型的研究， 分别从基于碳化的寿命预测模型、 基于氯离子扩散导 致钢筋锈蚀的寿命预测模型及基于混凝土损伤的寿命预测模型 3 方面介绍了该领域的研究进展 ， 提出在实际使用期 内， 结构往往要经历小修、 中修或大修使得结构可靠度相应提高或结构劣化速度减缓， 因此建筑结构的寿命预测还应 考虑 维修 历史和效果。 关键词 混凝土结构使用寿命预测模型 St a t e o f S e r v i c e Li f e Pr e di c t i o n M o d e l s o f S t r u c t u r a l Co nc r e t e HE W e nmi n ， ( 1 S h a a n x i I n s t i t u t e o f Ra i l wa y En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y ，W e i n a n 7 1 4 0 0 0 ； 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， Ch a n g a n Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 4 6 ) Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s t a t e o f s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n mo d e l s o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e ，t h e d e v e l o p me n t o f t h e s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n mo d e l s o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e i s i n t r o d u c e d t h r o u g h t h r e e a s p e c t s wh i c h a r e b a s e d o n t h e c a r b o n i z a t i o n t h e o r y mo d e l s ，c h l o r i d e d i f f u s i o n mo d e l s a n d d a ma g e t h e o r i e s mo d e l s S e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n s h o u l d c o n c e r n o f t h e h i s t o r y a n d e f f e c t o f r e s t o r a t i o n a s t h e s t r u c t u r a l c o n c r e t e wo u l d b e r e p a i r e d mo r e o r l e s s d u r i n g t h e s e r v i c e a b l e l i r e Ke y wo r d s s t r u c t u r a l c o n c r e t e ，s e r v i c e l i f e ，p r e d i c t i o n mo d e l s 混凝土的耐久性是其抵抗大气影响、 化学侵蚀和其他劣 化过程而长期维持其性能的能力。在结构设计 中， 耐久性被 看成是结构所需的一种功能而不是其固有的内在性 能， 所以 耐久性又被定义为结构及其部件在各种可能导致材料性 能 劣化的外加 因素作用下 、 并在预期的使用年限内维持其所需 功能的能力 。而结构及其部件的使用年限( 或工作 寿命 ) 则 是建造完工或生产制成 以后 ， 在预定 的使用和维修条件下 ， 所有功能均满足预定要求的期限 1 。 如何对混凝土进行寿命预测及评估是一个 尚未解决 的 国际重大科技问题， 实现混凝 土的寿命预测、 评估 以及耐久 性设计必将有力推动混凝土科技的发展。为此， 国内外学者 在混凝土寿命预测领域进行 了广泛深入的研究。 1 混凝土寿命预测模型 近年来许多学者尝试建立各种破坏因素导致混凝土劣 化和钢筋锈蚀的定量关系 ， 以此作为建立混凝土使用寿命预 测模型的方法和手段 ， 从而在混凝土耐久性定量化研究和使 用寿命预测 中取得 了很大进展 。目前单 因素作用下混凝 土 使用寿命的预测模型主要有碳化模型和氯离子扩散模型 ， 经 过几十年的研究 ， 已基本形成了统一 的理论体系， 并具有 了 一 定 的应用价值。混凝土的耐久性试验方法及其 寿命预测 模型必须与使用环境相似或相同才具有较高的预测精度和 可靠性 ， 正确评估和准确预测混凝土在特定环境下的使用寿 命已成为混凝土耐久性研究的热点 ， 特别在冻融、 盐冻、 硫酸 盐、 碱骨料反应、 应力等双重和多重破坏 因素共 同作用下的 混凝土耐久性与寿命预测等方面已有许多创新性研究成果。 1 1 基于碳化的寿命预测模型 2 O 世纪 6 0 年代， 国际上一些发 达国家就开始对混凝土 的碳化进行了大量的试验研究及理论分析 。国内则从 2 O世 纪 8 O 年代开始了混凝土 的碳化和钢筋锈蚀研究 ， 通过快速 碳化试验研究 、 长期暴露和工程调查 ， 研究 了混凝土碳化 的 影响因素与碳化深度预测模型。 当前关于混凝土碳化寿命预测模型 ， 主要是基于 F i c k 定 律的推 导， 即碳 化深度 与碳 化时 间的平 方根成 比例 D n ； 基于长期试验和快速试验 ， 牛荻涛等 3 “ 对其进行 了 修正 ， 即 D a t 。 此外 ， 中国建科院建立了综合考虑水泥用量、 水灰 比、 粉 煤灰掺量 、 水泥品种、 骨料品种、 养护方法的多系数碳化深度 预测公式 ， 即： D k c k & k k k a , ( 1 ) 式中： k 为水泥用量影响系数； 是 为水灰比影响系数 ； k 为粉 煤灰取代量影响系数 ； 忌 为水泥品种影响系数 ； 为骨料影响 系数 ； 忌 为养护方法影响系数； 模型给出各种系数经验取值 。 黄土元等_ 5 考虑水泥用量、 水灰 比建立了碳化预测模 *陕西铁路工程职业技术学院科研基金( 2 O O 8 一 Z K 0 1 2 ) ；陕西省教育厅 自然科学专项基金( O 9 J K 3 8 5 ) 何文敏： i - ， 1 9 7 8 年生， 博士研究生， 讲师， 主要从事材料工程教学与研究工作 E - ma i l ： 2 2 2 1 5 0 4 6 q q c0m l 4 2 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1 年 8月( 上) 第 2 5卷第 8期 型 ： z 一 1 0 4 k 鳄 忌 ，( w c O 6 ) ( 2 ) 一 7 3 5 4 k 走 ” , 7，( w c O时， 钢筋处于 钝化状态 ； 反之， 则钢筋开始锈蚀。 此外， E n r i g h t 等【 9 进一步考虑到保护层厚度、 氯离子扩 散系数 、 混凝土表面氯离子浓度和 临界氯 离子浓度 的变异 性 ， 并以以上 4个量为随机变量 ， 以 F i c k 第二定律为基础建 立了寿命预测模型 。 S t e w a r t 等 还考虑了腐蚀 电流密度、 局部腐蚀影响因 子 、 最大裂纹宽度 、 临界裂纹宽度等 ， 基于时变可靠度以及时 变可靠度的全寿命经济分析 ， 建立了寿命 预测模型。此外 ， M S C h e u n g等口 也基于可靠度建立了混凝土的耐久性 与寿命预测模型。 1 3 基于混凝土损伤的寿命预测模型 针对混凝土损伤 ， 一些研究者对其寿命预测做了一些探 讨。A t k i n s o n等_ 2 使用于湿循环制度和长期浸泡制度 ， 得出 了快 试验 的等效 系 数。G e r d e s等 2 朝 研 究 了水 泥净浆 在 6 0 、 8 O 弯曲荷载作用下并浸在 1 O 硫酸氨溶液中的弯曲 强度和断裂能 ， 并提出预测水泥浆体在应力腐蚀下 的弯曲强 度损伤发展律的经验公式。U S c h n e i d e r 等 基于硫酸氨腐 蚀实验建立 了强度损伤与腐蚀时间的关系。 关宇刚 2 依据损伤以及多元 We i b u l 1 分布， 建立了可适 用于多边界条件 以及多重破坏 因素复合作下 的混凝土寿命 预测模型， 并设计了相应 的数值算法 。通过冻融+硫酸氨腐 蚀以及荷载+冻融双重 因素实验 ， 得到了一定 的模 型参数 ， 为实际工程中混凝土 的寿命预测提供了一种新思路和新方 法 运用该模型预测混凝土寿命 ， 需要结合现场条件测定具 体的模型参数 。 蒋金洋等 通过对疲劳损伤机理的分析 ， 针对损伤发展 的第 2阶段 ， 采用不同疲劳循环次数比对应的残余 拉应变与 疲劳破坏时对应 的极限残余拉应变 的比值来定义损伤变量 ， 重点研究了疲劳载荷与氯盐协 同作用下结构混凝土的耐久 性及其寿命预测方法 。 2结语 钢筋混凝土结构耐久寿命 目前 主要集 中在混凝土腐 蚀 机理研究 、 在役结构的健康状况评价和剩余寿命预测、 结 构 性能的防护措施研究等方面。但在实际使用期 内， 结构往往 要经历小修 、 中修或大修， 使得结构 可靠度相应提高或结 构 劣化速度减缓 ， 因此也可以认为建筑结构的寿命终结还与维 修历史和效果有关 。而关于 已修复后钢筋混凝土结构耐久 性寿命预测却鲜见。相信 随着人们 对混凝土耐久性研究的 不断深化、 工程实践经验的持续增加和相关学科的不断引进 和发展， 混凝土的耐久性研究和使用寿命预测技术将 日益成 熟， 按照指定使用寿命对混凝土结构进行耐久性设计 的目标 必将能实现 。 参考文献 1 陈肇元 混凝土结构的耐久性设计方法 J 建筑技术 ， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 5 ) ： 3 2 8 2 C l i f t o n J R P r e d i c t i n g t h e s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e J AC I Ma t e r J ， 1 9 9 3 ， 9 0 ( 6 )： 6 1 1 3 金伟良 混凝土结构耐久性I M 北京 ： 科学出版社， 2 0 0 2 ： 2 4 4 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 3 ： 1 0 5 许丽萍， 黄士元 预测混凝土中碳化深度的数学模型 J 上 海建材学院学报， 1 9 9 1 ( 4 ) ： 1 0 6 Pa p a d a k i s V G，Va y e n a s G，F a r d i s M N Fu n d a me n t a l mo d e l i n g a n d e x p e r ime n t a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e c a r b o - n a t i o n J AC I Ma t e r J ， 1 9 9 1 ， 8 8 ： 3 6 3 7 刘志勇， 孙伟 多因素作用下混凝土碳化模型及 寿命预测 J 混凝土， 2 0 0 3 ， 1 7 0 ( 1 2 ) ： 3 8 S o n g H W ，Ki m H J ，Kwo n S J ， e t a 1 Pr e d i c t i o n o f s e r v i c e l i f e i n c r a c k e d r e i n for c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o c h l o r i d e a t t a c k a n d c a r b o n a t i o n c P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ce me n t Co mb i n a t i o n s f o r Du r a b l e C o n c r e t e ， 2 0 0 5 ： 7 6 7 9 刘志勇 基于环境的海工混凝土耐久性试验与寿命预测方 法研究 D 南京： 东南大学， 2 0 0 6 1 O金祖权西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测 D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 6 1 1蒋金洋， 孙伟 ， 金祖权， 等疲劳载荷与碳化耦合作用下结 1 4 4 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1年 8月( 上 ) 第 2 5 卷 第 8期 构混凝土寿命预NI- J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 6 ( 1 3 ) ： 3 0 4 1 2洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护 M 北京： 中国铁道出 版社 ， 1 9 9 8 1 3 An d r e a Bo d d y，Ev a n Be n t z ，Th o ma s M D A ，e t a 1 An o v e r v i e w a n d s e n s i t i v i t y s t u d y o f a mu l t i me c h a n i s t i c c h l o r i d e t r a n s p o r t mo d e l J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 8 2 7 1 4 Ame y S L，J o h n s o n D A，M i l t e n b e r g e r M APr e d i c t i o n s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e ma r i n e s t r u c t u r e ：An e n v i r o n me n t me t h o d o 1 o g y J A C I S t r u c t J ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 2 ) ： 2 0 5 1 5余红发， 孙伟， 鄢 良慧 ， 等 混凝土使用寿命预测方法的研究 I一理论模型l- J 硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 8 6 l 6余红发， 孙伟， 等 混凝土使用寿命预测方法的研究 一模 型验证与应用口 硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 9 1 1 7余红发， 孙伟， 等 混凝土使用寿命预测方法的研究 一混 凝土使用寿命的影响因素及混凝土寿命评价l- J 硅酸盐学 报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 9 6 1 8 Pr e z z i M ，Ge y s k e n s P，Mo n t e i r o J M Re l i a b i l i t y a p p r o a c h t o s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n c o n c r e t e e x p o s e d t o ma r i n e e n v i r o n - me n t J AC I Ma t e r J ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 5 4 4 1 9 En r i g h t M P，Fr a n g o p o l D MP r o b a b i l i s t i e a n a l y s i s o f r e s i s t a n c e d e g r a d a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e b e a ms u n d e r c o r r o s i o n J E n g S t r u c t ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 1 1 ) ： 9 6 0 2 0 S t e wa r t M G，Ro s o ws k y D VTi me - d e p e n d e n t r e l i a b i l i t y o f d e t e r i o r a t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k s E J S t r u c t S a f ， 1 9 9 8 ( 2 0 )： 9 1 2 l Ch e u n g M S，Ky l e B R S e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s b y r e l i a b i l i t y a n a l y s i s J C o n s t r u c t i o n B u i l d i n g Ma t e r ， 1 9 9 6， 1 0 ( 1 )： 4 5 2 2 P e t e r S c h i e s s l ，Ch r i s t o p h Ge h l e n Ne w a p p r o a c h o f s e r v i c e l i f e d e s i g n f o r c 0 n s t r u c t u r e C I n Du r a b i l i t y o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e Un c o mb i n e d M e c h a n i c a l a n d Cl i ma t i c Lo a d s ， Qi n g d a o ， 2 0 0 5： 9 2 3李田， 刘西拉 混凝土结构耐久性分析与设计I- M 北京 ： 科 学出版社 ， 1 9 9 9 2 4 At k i n s o n A，He a r n e J Me c h a n i s t i c mo d e l f o r t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e b a r r i e r s e x p o s e d t o s u l f a t e - b e a r i n g g r o u n d w a t e r l, C Ma t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y S y mp o s i u m P r o c e e - d i n g s ， 1 9 9 0 ： 1 4 9 2 5 Ge r d e s A，W i t t ma n n F HI n f l u e n c e o f s t r e s s c o r r o s i o n o n f r a c t u r e e n e r g y o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s l, M F r a c t u r e Me c h a n i c s o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s Fr e i b u r g：AE DI FCAT1 0 P u b l i s h e r s ， 1 9 9 5 2 6 S c h n e i d e r U，Ch e n S W Th e c h e mo me c h a n i c a l e f f e c t a n d t h e me c h a n o c h e mi c a l e f f e c t o n h i g h - p e r f o r ma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s t r e s s c o r r o s i o n l- J C e m Con c r R e s ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 0 9 2 7关宇刚 单一和多重破坏因素作用下高强混凝土的寿命评 估I- D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 2 2 8蒋金洋， 孙伟 ， 王晶， 等 弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土 抗氯离子扩散性能 J 东南大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 3 6 2 ( 责任编辑周媛媛) ( 上接 第 1 4 0页) 3 8 B o j a r e v i c s V，P e r i c l e o u s K， B r o o k s R D y n a mi c mo d e l f o r me t a l c l e a n n e s s e v a l u a t i o n b y me l t i n g i n a c o l d c r u c i b l e J Me t a l Ma t e r Tr a n s B， 2 0 0 9， 4 0( 3 )： 3 2 8 3 9 Ca mp a n e l l a T，Ch a r b o n C，Ra p p a z MGr a i n r e f i n e me n t i n d u c e d b y e l e c t r o ma g n e t i c s t i r r i n g：A d e n d r i t e f r a g me n t a t i o n c r i t e r i o n J Me t a l l Ma t e r Tr a n s A， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 0 ) ： 3 2 0 1 4 0 Ca mp a n e l l a Th，Ch a r b o n Ch。Ra p p a z M I n f l u e n c e o f p e r me a b i l i t y o n t h e g r a i n r e f i n e me n t i n d u c e d b y f o r c e c o n v e c t i o n i n c o p p e r - b a s e a l l o y s J S c r i p t a Ma t e r ， 2 0 0 3 ， 4 9 ( 1 0 ) ： 1 0 29 4 1王雪振 基于温度场 的微观组织生长过程 的计算机模拟 D 兰州： 兰州理工大学， 2 0 0 7 4 2 Go v i n d a r a j u N，L i B QA ma c r o mi c r o mo d e l f o r ma g n e t i c s t i r r i n g a n d mi c r o s t r u c t u r e f o r ma t i o n d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n 口 E n e r g y C o n v e r s Ma n a g e ， 2 0 0 2 ， 4 3 ( 3 ) ： 3 3 5 4 3 Z h a n g Z F，Ki m J M ，Ho n g C P Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f g r a i n s t r u c t u r e e v o l u t i o n i n s o l i d i f i c a t i o n o f a n Al一 5 0 wt Cu a l l o y u n d e r e l e c t r o ma g n e t i c s t i r r i n g a n d i t s e x p e r i me n t a l v e r i f i c a t i o n J I S I J I n t ， 2 0 0 5 ， 4 5 ( 2 ) ： 1 8 3 4 4 M i n o r u Ya ma z a k i ，Yu k i n o b u Na t s u me ，Hi r o s h i Ha r a d a ， e t a 1 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f s o l i d i f i c a t i o n s t r u c u t e r f o rm a t i o n d u r i n g c o n t i n u o u s c a s t i n g i n F e - 0 7 ma s s C a l l o y u s i n g e e l l u l a r a u t o ma t o n me t h o d l, J I S U I n t , 2 0 0 6 ， 4 6 ( 6 ) ： 9 0 3 4 5 Ge r a l d Te n n y s o n P，Ku ma r P，La k s h mi H ，e t a 1 Ex p e r i me n t a l s t u d i e s a n d p h a s e f i e l d mo d e l i n g o f mi c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n wi t h e l e c t r o ma g n e t i c s t i r r i n g Tr a n s No n f e r r o u s Me t S o c C h i n a ， 2 0 1 0 ， 2 0 ( z 3 ) ： s 7 7 4 ( 责任编辑周媛媛)