西园隧洞混凝土碳化概率模型研究.pdf

2 0 1 0 年 第 5 期 (总 第2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 01 0( To t a 1 No2 4 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 0 9 西园隧洞混凝土碳化概率模型研究 彭玉 林，龚爱 民，林志祥 ，宋天文 ( 云南农业大学 水利水电与建筑学院，云南 昆明 6 5 0 2 0 1 ) 摘要： 多种 因素可导致混凝土 劣化， 钢筋 锈蚀是 造成钢筋混凝土结构耐久性变差 的主要因素 ， 而在一般大气环境下 ， 混凝土碳 化则是 混凝 土中钢筋锈蚀 的前提条件 。因此 ， 研究混凝土碳化 ， 建立碳化深 度观测模 型对混凝土结构耐久性的评估具有重要的实际意义。基于工 程 实例的实测资料 ， 依据碳化深度预测模 型 ， 采用可靠性理论方法对钢筋混凝土结构进行耐久性 分析。 关键词 ： 混凝土碳化 ；概率模型 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 2 7 0 2 St udy o f pr oba bi l i s t i c m o del of Xi yua n t unne l c on c r e t e c ar bon i z a t i on PE NG Yu l i n， GONG Ai - mi n， LI N Zh i - xi a n g， SONG T i a n we n ( Co l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e ， H y d rau l i c P o w e r a n d A r c h i t e c t u r e Y u n n a n A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y， Ku n mi n g 6 5 0 2 0 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ma n y f a c t o r s c a n 1 e a d t o de t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e s t e e 1 c o r r o s i o n i S t h e ma i n c a u s e o f d e t e rio r a t i o n o f t h e d u 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 s t r uc t u r e s ， a n d i n n o r ma l a t mo s p h e ric c o n dit i o n s ， c a r bo na t e d c o n c r e t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o rro s i o n i S a p r e c o n d i t i o n Th e r e f o r e the s tu d y o f c o n c r e c a r b o n a t i o n a n d e s t a b l i s h c a r b o n a t i o n d e p t h o b s e r v a t i o n mo d e l t o a S S e S S t h e d u r a b i l i ty of c o n c r e t e s t r u c tur e s i s of g r e a t p rac t i c a l s i g n i f - i c a n c e B a s e d o n t h e p r o j e c t e x a mp l e a c tua l ma t e r i a l ， the b a s i s c a r b o n i z a t i o n d e p t h f o r e c a s t mo d e l ， u s e s t h e r e l i a b l e t h e o r y me t h o d t o c a r r y o n t h e d u r a b l e a n a l y s i s t o t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c tur e Ke y wor d s： c o n c r e t e c a r b o n i z a t i o n； p r o b a bi l i s t i c mo d e l 1 工程 概 况 1 1 隧洞结构基本情况 西园隧洞位于滇池草海西岸， 于 1 9 9 6 年 8月完工投入运行， 全长 4 8 k m， 是滇池防洪保护和污水资源化工程。由进口引渠、 隧洞洞身、 出口渠道三部分组成。隧洞设计下泄 4 O m3 s ， 起调 水位 1 8 8 7 1 m。隧洞断面形式为圆型断面， 净洞直径D = 4 8 m， 设计水深 h = 3 8 m。 1 2 隧洞工程地质条件 进 口引渠段 ， 地形平缓， 系第四系湖相沉积物及残破积层 ， 在暗渠段下伏玄武岩和灰岩； 隧洞地形高差达 4 0 0 m， 从进口至 出 口所经地层有 二迭系石灰 岩 、 玄武岩 、 侏罗 系砂岩 、 粉砂岩 、 泥岩及 含盐 地层 ， 白垩系砂质泥 岩 、 泥岩夹粉细砂岩 ； 出 口渠道 为沙河河槽 ， 地形平缓， 上覆第四系河床冲积物及残坡积层， 厚 度 4 5 m， 下伏 白垩系粉砂质泥岩及泥质粉砂岩。 隧洞引渠段主 要含水层为灰岩 ， 洞身玄武岩受西山断裂影响， 岩体破碎， 富水 中等， 洞身后段为侏罗系砂泥岩， 富水性比较弱。 1 3隧洞 运行 情 况 西园隧洞原设计功能为渲泄洪水 ， 调控滇池水位 ， 故所选 用的混凝土材料抗酸侵蚀性差。 2 0 0 1 年滇池北岸截排污工程实 施后， 将大清河、 船房河等污水截流至西园隧洞排放， 达到滇池 蓄清排污的目的， 此后 ， 西园隧洞除承担着滇池防洪保护的任 务外， 旱季还主要排放生活污水。 经检验污水中Hc O治 量高达 3 5 7 mg L ， 气体中C O ： 含量异 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 1 4 常偏高， 达 9 7 8 0 p p m， 加之隧洞较长通风条件差， 洞内形成酸雾， 给不具备抗酸性介质侵蚀的隧洞混凝土造成了严重的影响， 衬 砌混凝土受到 C O ： 及酸l 生 气体的腐蚀而呈中性化。 经洞内实地 检查 1 j ， 西园隧洞混凝土表面产生脱落， 出现麻面。2 0 0 5年对衬 砌混凝土共检测 1 4 4组混凝土腐蚀深度和碳化深度， 检测结果： 平均腐蚀深度 2 7 4 mm( 最大 3 9 mm、 最小 2 0 mm) ， 平均碳化 深度 5 4 mm( 最大 1 5 m m、 最小 2 i n l n) ， 发现 1 6 0 6处漏筋 ， 对外露钢筋检 测锈蚀深度 ， 结果 ： 平均锈蚀 深度 0 2 7 mm( 最大 0 5 ra i n 、 最小 0 0 5 mi l 1 ) 。 洞内发现 8 9条裂缝， 出现不同程度的 渗漏水现象2 1 2 处， 加之受水的劈裂作用部分漏水点出现射水。 2 碳化寿命概率模型 2 1 碳 化机 理 由于混凝土内部存在大量的孔隙和毛细管 ， 具有一定的渗 透性 ， 大气中的 C O 可 以扩散进去并溶解在混凝土的液相中形成 碳酸， 碳酸与混凝土中存在的使混凝土保持碱性的 C a ( OH) 发 生化学反应 ： C a ( O H) 2 + C O 2 - - C a C O 3 + H 2 0 ( 1 ) 生成的C a C O 是中性化的盐类物质， 使混凝土的碱度降低 ， 进而破坏钢筋表面的钝化膜， 使混凝土失去对钢筋的保护作用 ， 在有水分和氧气存在的情况下 ， 混凝土中钢筋开始锈蚀对钢筋 失去保护作用2 。 通过理论分析和试验验证p - ， 大气环境下碳化 深度、 碳化速度系数和结构服役时间三者的关系为： D= Kt 1 12 ( 2) 2 7 式中： 碳化深度； 碳化速度系数； I 一 结构服役时间。 2 2 碳化寿命概率模型 由于隧洞的外界环境不能改善， 因此隧洞的寿命预测对隧 洞的管理以及今后施工维护就尤为重要了。影响碳化的因素很 多， 例如水泥品种、 水泥用量、 水灰比、 外加剂品种及掺量、 混凝 土的养护条件 、 混凝土本身的离散性和环境条件的变异性， 混凝 土的碳化过程存在着很大的随机性同 ， 这主要体现于碳化速度 系数 ， 为一随机变量。 以碳化至钢筋表面的时间t 为钢筋的脱钝时间， 则： n t ? - 一 L I e ( 3 ) K 式中： D 广混凝土保护层厚度， 为一随机变量。 由于 D 和 K均为随机变量 ， 因此 ， 混凝土碳化 至钢筋表面 的时间， 即钢筋的脱钝时间， 也是一个随机变量， 令 一。1 2 ， 则： ) = ( k x ， k ) d k ( 4 ) 因为D 。 和K是相互独立的随机变量， 所以： f ) = k f o o ( k x )f K ( k ) d k ( 5 ) K 式( 5 ) 即为钢筋脱钝时间均方 的概率密度函数 ， 其中 D 和 的概率密度函数 可以通过统计分析确定 ， 利用 法和 K S 法进行统计检验， 混凝土保护层厚度D 和碳化深度 均不 拒绝服从正态分布， 其概率密度函数分别为： ( 1 1 (D - l1 )2exp (6 ) ( I f(6 ) 0 6 9 5 、 2 1 T l 二 u u y J I ， = 0 1 唧 i l 49 x x 21 T l 二 u l 叶 I 由 知t e= X ， 可得钢筋脱钝时问的均值， 即碳化寿命均值为： E ( 。 ) =f 厂 ( ) ( 8 ) 碳化寿命大于 的概率为： P ( tc T ) = P ( 、 、 ) = J ， 【 ) ( 9 ) 西园隧洞混凝土保护层厚度和碳化深度实测结果如表 i 。 根据上述结果， 并依据式( 6 ) 、 ( 7 ) 可计算得混凝土碳化速 度系数如表 2所示 。 根据式( 8 ) 可得西园隧洞混凝土结构的设计碳化寿命均值 为 1 2年， 该结构已经服役 1 3年， 从洞内现场检查的情况知， 隧 洞混凝土已发生严重的碳化破损， 对结构的稳定安全运行构成 上接第 2 6页 5 】L I U Y o u p i n g ， WE Y E R S R E Mo d e l i n g t h e t i m e - t o - c o r r o s i o n c r a c k - i n g i n c h l o r i d e c o n t a mi n a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J A C I Ma - t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 6 ) ： 6 7 5 6 8 1 【 6 】金伟良， 赵羽习， 鄢飞 钢筋混凝土构件的均匀锈胀力的机理研究 J 1 水利学报， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 7 ) ： 5 7 6 2 【 7 】壬海龙， 金伟良， 孙晓燕 基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开 裂模型叨水利学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 7 ) ： 8 6 3 8 6 9 【 8 】R E I N HA R D T H W， C 0 R N E L I S S E N H A W， H O R D HK D A T e n s i l e t e s t s a n d f a i l u r e a n a l y s i s o f c o n c r e t e 明 J o u r n a l of S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g 2 8 表 1 混凝土保护层厚度和碳化深度实测结果 混凝土保护层厚度 混凝土碳化深度 平均值 m m 均方差 m m 平均值 m m 均方差 m m 平均值 均方差 1 67 6 0 1 49 严重威胁， 因此建议应及时对其进行防腐加固处理。 3结 语 大气环境下， 混凝土碳化是导致钢筋锈蚀的一个主要因素， 混凝土碳化至钢筋表面可以作为钢筋混凝土结构耐久性极限 的一种标志。由于混凝土碳化速度系数以及混凝土保护层厚 度的离散性 ， 导致碳化至钢筋表面的时间是一个随机变量。 本 研究通过对耐久性极限的概率推导， 分析了混凝土结构碳化 可靠性随服役时间的关系 ， 并分析了混凝土保护层厚度等因 素对于混凝土结构碳化可靠性的影响，可对新建混凝土结构 的碳化耐久性设计以及在役混凝土结构的适时维修提供重要 依据 。 参考文献 ： 1 林志祥， 龚爱民， 彭玉林， 等 西园隧洞工程结构安全复核报告 R 昆 明： 云南农业大学水利水电与建筑学院， 2 0 0 6 2 李浩， 施养杭 昆 凝土碳化深度预测模型的比对与分析 J 华侨大学 学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 2 1 9 5 3 】 屈文俊， 陈道普 混凝土碳化的随机模型 J 同济大学学报： 自然科学 版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 5 7 7 5 8 1 4 】 袁群， 赵国藩j 昆 凝土碳化深度随机日 寸 间序列预报模型【 J 】 _大连理工 大学学报， 2 0 0 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 3 4 4 3 4 7 5 】 朱安民j 昆 凝土碳化与钢筋混疑土耐久性【 J J _ 混凝土， 1 9 9 2 ( 6 ) ： 1 8 2 2 【 6 】 牛荻涛j 昆 凝土结构耐久性与寿命预测【 M 】 E 京 科学出版社， 2 0 0 3 7 高丹盈 ， 张保和 混凝土碳化速度系数的概率模型研究【 J 工业建筑， 1 9 9 2 ( 5 ) ： 3 5 3 8 作者简 介 单位地址 ： 联 系电话 ： 彭玉林( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 讲师， 主要从事水工结构材料及施工 工艺的研究。 云南农业大学水利水电与建筑学院( 6 5 0 2 0 1 ) 08 7 l 一5 2 2 7 7 6 2 S t rnc t E n g n g ， 1 9 8 6 ， 1 1 2 ( 1 1 ) ： 2 4 6 2 2 4 7 7 9 WI L L I A MS O N S J ， C L A R K L A P r e s s u r e r e q u i r e d t o c a u s e c o v e r c r a c k i n g o f c o n c r e t e d u e t o r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , 2 0 0 0 ( 5 2 ) 作者简介 单位地址 联 系电话 卢鹞程( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 讲师 ， 硕士研究生。 浙江省丽水市莲都区学院路 1 号 丽水学院建筑工程学院 ( 3 2 3 0 0 0 ) 0 5 7 8 2 1 3 5 2 8 3