钢筋混凝土构件碳化寿命可靠度分析.pdf

S S E R I ON 7 ， f f 咖 R o fl a b i l i t y A n a l y s is o f R e i n f o r c e d C o n c r o t e Me mb e r s b y C a r b o n a t i o n L i f o S p a n 钢筋混凝土构件碳化寿命可靠度分析 口 杨桃林光伟 Y a n gT a o L i n Gu a n g we 。 &, o b广 n 西 Sf 城 r u 髓 ct i o t n 翳 。 I 摘要】 分析混凝土的碳化及钢筋的锈蚀过程，并基于混凝土结构碳化寿命可靠度分析， 对钢筋混凝 土构件 可靠度及碳化 寿命 研究建立求解模 型。实例分析表 明 ，该方法对钢筋 混凝土构件 的可靠性评估 、后期服役期限及加 固处理有一定的借鉴作 用。 【 关键词】 钢筋混凝土；碳化寿命；钢筋锈蚀 可靠指标 f 文章编号】 1 6 7 2 7 0 4 5( 2 0 1 1) 0 3 0 0 7 2 - 0 3 f 中图分类号】 T U 3 7 5 文献标识码j A A b s t r a e t ：B y p r o j e c t c a s e ， t h i s p a p e r d i s c u s s e s o n r e l i a b i l it y a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b er s b y c a r b o n a t io n l if e s p a n n3 1 I 哪也 ：r ei n f o r c e d c o n c r e t e ； c a r b o n a t ion l if e s p a n ；r e i n f or c e me n t c o r r o s ion r e l i a bi l it y i n d e x 钢筋混凝土结构在我国的 工业与 1 钢筋 疗 昆 凝构件 闹 ： 程 民用建筑中占有很大的比例。新中国 成立初期修建的建筑已经达到或者逐 渐达到了服役年限。这部分建筑我们 必须进行检测 、鉴定，对于能继续使 用的应该预测未来使用年限，对于存 在质量隐患的必须采取加固处理措 施。然而传统的检测方法只能定性分 析结构的可靠性及后期使用年限，因 此有必要采用一种能够定量分析结构 可靠度及使用年限的方法 ，准确预测 在役钢筋混凝土结构的剩余寿命，充 分挖掘已有钢筋混凝土结构的使用潜 力。 1 1混凝土碳化及钢筋电化 混 凝 土 的碳 化 是混 凝 土所 受 到 的一种化学腐蚀。空气 中二氧化碳 气体渗透到混凝土内，与其碱性物质 起化学反应后生成碳酸盐和水 其主 要化学反应式为 ：C a( O H) + C O 2 一 C a C O + H， 0。使混凝土碱度降低 的过程称为混凝土碳化 ，又称作中性 化。混凝土的碳化致使其成分 、组织 和性能发生变化。对于素混凝土，碳 化能提高混凝土耐久性的效果；但对 于钢 筋混凝 土来说 ，碳化会使混凝 土 的碱度降低，增加混凝土孔溶液中氢 离子数量 ，进而破坏钢筋表面的钝化膜 ，使混凝土 失去对钢筋的有效保护作用 ，继而导致混凝土 中钢 筋锈蚀 。钢筋锈蚀 的 电化反应 主要是 有水 和氧气 的 作用而生成不溶性F e( O H) 3 0钢筋锈蚀物的体积是 相应原钢筋体积的24 倍，即出现体积增大 ，从而 向四周扩展。随着锈蚀的加剧 ，混凝土保护层发生 的开裂。在一般大气环境 中，碳化引起的钢筋锈蚀 是十分普遍的现象 ，也是影响钢筋混凝土耐久性的 关键因素之一 。因此，碳化与钢筋混凝土结构的耐 久性密切 相关 ，其 关系到 混凝 土保护 层 的锈 胀 、开 裂 、脱落，关系到与钢筋的黏结力、钢筋面积的损 失 、构件材料物理力学性能及其刚度承载力的不断 下降乃至丧失 ，从而影响结构的安全性、适用性和 耐久性。所以，混凝土碳化程度是衡量钢筋混凝土 构件可靠度 的重要指标 。 1 2 混凝土碳化及钢筋锈蚀特征 从时间来看 ，在 自然环境条件下混凝土中钢筋 腐蚀发生的破坏过程可由图1 的四个阶段来表示，各 阶段的特征见表1 。 由此可见，第一阶段为钢筋混凝土结构真正意 义上的安全使用期 ，对于其构件的寿命预测应当是 t 的预测；当构件进入第三阶段时应采取加固维修措 施，防止构件进一步恶化。 2 基 于F ic k 定律 的一般碳化模型 由以上分析可知 ，混凝土碳化是环境中的二氧 化碳向混凝土内部扩散，并与混凝土中的可碳化物 质发生化学反应的过程，因此 ，很多学者使用扩散 理论研究混凝土的碳化规律。在一定的假设条件下 钢 筋 锈 蚀 程 度 图1混凝土 中钢筋锈蚀过程 示意图 ( 混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布 ；未碳化 区浓度为零；单位体积混凝土吸收二氧化碳的量 为恒定值 ) 扩散服从F i c k 第一定律。理论上计算混 凝土碳化深度的公式为：X= k ( 为碳化深度 ； 为碳化系数，是反映碳化速度快慢的综合参数 ； 为 碳化时间) 。基于F i c k 经典碳化模型，可以比较方 便直观地求解出混凝土的碳化寿命 ，但是不能全面 反映其与环境有关的外部 因素及与混凝土本身有关 的内部因素对碳化的影响。因此 ，必须寻找一种能 够全面反映其变化特征的预测模型。 3 混凝土碳化寿命 随机预 测模 型 西安建筑科 技大学检测站在 旧建筑物检测鉴 定中，对混凝土碳化深度进行了大量的实测并应用 K S 方法对其分布进行拟合，结果表明，碳化深度 的概率模型可用正态分布表征 ，其碳化深度的一维 概率密度函数可以表示为 ： c = 赤唧_ 式中， ，盯 混凝土碳化系数的平均值、标准 差 ： 碳化 时间。 假设混凝土保护层厚度为d( 随机变量 )，混凝 土碳化深度较好服从正态分布l ( ，盯 ) ，其概 率密度 函数为 ： 唧 f_- 1 预测 的混凝土碳化深度为 ( t ) ( 为随机过 程 )，简化认为混凝土碳化残量为0( 即认为碳化达 表 1混凝 土 中钢筋锈蚀阶段 及特征 阶段 特征 混凝土对 钢筋起到非 常好的保护作 用 ，钢 筋没发生锈蚀 ，到f 时刻侵蚀介质达到钢筋 表面 ，钢筋钝化膜开始被破 坏 ；此阶段 0 t l 主要是腐蚀介质在混凝土 中的扩散及其在混凝土与 钢筋 界面的 积累。 腐蚀介质在局部区域超过临界值而发生局部腐蚀 ， 腐蚀产物的 t 1 f 2 积 累导致混凝土局部开裂 。 钢 筋发生大面积腐蚀 ，混凝土 沿着钢 筋大面积开裂 ，钢筋腐蚀 速 度加快 ，导致钢 筋截面积迅速减小 ，结构安全性能降低 。 t 4 构件 随着 钢筋的锈 蚀进一步开裂 ，直至破坏 。 建筑材料 S S E R IO N， ， ， 灾 到钢筋表面时，钢筋发生锈蚀 )，则钢筋发生锈蚀的 极限状态方程可表示为： ( f ) = d - ( )；z( t )= 0 时，结构处于碳化耐久性极限状态；Z( ) 0 时， 结构处于碳化耐久性失效状态； ( ) O 时，为结 构的安全状态。 则钢筋发生锈蚀的概率为 ：P = P d X ( ) 5 0 年，基于此，该厂房 吊车梁 还处于安全工作状态，其剩余碳化概率寿命综合评 定为 一 5 0 = 8 7 5 年。 5 结语 采用混凝土碳化寿命随机预测模型对工业厂房 柱构件进行可靠性及耐久性分析表明，该方法直观 可靠，能够定量分析构件的可靠指标及碳化耐久性 失效时间，为钢筋混凝土结构检测、维修及加固提 供了科学的决策依据。 【 参考文献】 1 张璞珍 钢筋砼结构温度裂缝的产生 ，检测及评定 J 广 西城镇建设 2 0 0 6( 1 0)：5 2 5 3 2 李检保 混凝土碳化及其碳化后 力学性能试验与分析 D 上海同济大学 ，1 9 9 7 3 牛获涛混凝土结构耐久性与寿命预测 H 北京科学 出 版社 ，2 0 0 3 4 赵宏延一般大气 条件 下钢筋混凝土构件剩余寿命预测 D 北京清华大学 ，1 9 9 3 5 贡金鑫工程结构可靠度计算方法 H 大连 ：大连理 工大 学出版社 ，2 0 0 3 6 赵国藩 ，金伟 良，贡金鑫结构可靠度理论 M 北京 ：中 国建筑 工业 出版社 ，2 0 0 0 7 张耀铁路钢筋混凝土拱桥碳化寿命分析 J j 兰州铁道学 院学报 ( 自然科学版 )，2 0 0 3 ，2 2( 1)：4 9 5 l _ 8 施养杭 ，李浩混凝土结构碳化寿命可靠度分析 J 华侨 大学学报 ( 自然科学版 )，2 0 0 8 ，2 9( 4)-6 0 0 6 0 4 【 作者简介】 杨 桃 。工学学士 ，助理工程师 ，广西恒诚工程质量检测有 限公司副主任。 林光伟 。大学本科 ，工程 师，广西恒诚工程质量检测有限公 司总经理。 【 收稿 日期】 2 0 1 1 0 2 2 7