西园隧洞混凝土碳化耐久年限的预测研究.pdf

2 0 1 1年 第 7期 ( 总 第 2 6 1期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RETI 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 1 0 7 0 1 1 西园隧洞混凝土碳化耐久年限的预测研究 彭玉林，龚爱民。宋天文。郝莉莎。李丽生 ( 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： 探讨了建立预测混凝土碳化深度的实用随机模型并进行其有关系数分析研究的基本方法， 目的是预测混凝土剩余碳化寿命， 以 对碳化破损混凝土结构在及时作出维修加固的决策方面提供科学依据。 通过西园隧洞的实例验证， 该预测方法是实用的、 可靠的， 可为其 他类似新建工程的混凝土耐久性设计、 混凝土结构服役期的抗碳化维护等方面提供参考借鉴。 关键词： 混凝土碳化深度；实用随机模型；剩余碳化寿命 中图分类号 ： T U5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 3 1 0 3 St ud y on pr e di c t i on o f Xi yu an t unne l c on c r e t e c ar bona t i on se r vice l if e PENG Yu 一 1 i n， GONG Ai - m i n， SONG T i a n wc n， HAO Li s h a ， U “ 一 s h e n g ( C o l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e ， H y d r a u l i c P o w e r a n dA r c h i t e c t u r e Yu n n a nAg r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， Ku n mi n g6 5 0 2 0 1 ， C h i n a ) Abs t r act：S tud y t h e b a s i c me t h o d o n b u i l d i n g t h e p rac t i c a l s t o c h a s t i c mo d e l o fp r e d i c t i ng t h e c o n c r e t e c a r b o n a t i o n d e p t h a nd t h e ana l y s i s and r e s e a r c h o f c o r r e l a t i o n c o e ffic i e n t a b o u t t h a t I t s p u r p o s e i s t o p r e d i c t the c o n c r e t e r e s i d u a l c a r b o n a t i o n l i f e and p r o v i d e s c i e n t i fi c b a s i s f o r ma i n t a i n i n g and s t r e n g t h e n i n g the c o n c r e t e s t r u c t u r e whi c h i s c a r b o n i z e d a n d d a ma g e d i n t i me Th e e x am p l e o f Xi y u an tun ne l s h o ws t h a t t h i s p r e d i c t i v e me t h o d i s pr a c t i c a l a n d r e l i a b l e I t c a n pr o v i d e the r e f e r e n c e for t he d e s i g n o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y an d ma i n t a i n i n g t h e a n t i c a r b o n a t i o n c a p a c i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e i n the o the r s i mi l ar n e w p r o j e c t s Ke y w or d s： c o n c r e t e c a r b o n a t i o n d e p t h； p r a c t i c a l s t o c h a s t i c mo d e l ； r e s i d u a l c arb o n a t i o n l i f e 1 工程基本情况 1 1 隧洞设计及运行情况 西园隧洞工程是为提高滇池防洪保护能力和综合治理滇 池而兴建的一项重要工程 ， 其设计功能为渲泄洪水， 调控滇池 水位 ， 保证滇池沿岸的防洪安全。 工程于 1 9 9 4年 1 月开工建设， 水 q = 4 0 m s ， 为内径 D - 4 8 m的圆形断面， 采用 C 2 0 混凝土进 行衬砌， 其配合比如表 1 、 2所示。 表 1 普通混凝土配合比 1 9 9 6年 8月完工投入使用， 隧洞全长 4 8 k m， 设计汛期下泄洪 注： 水泥为4 2 5 级矿渣硅酸盐水泥， 粗细骨料母岩为白云质灰石。 表 2 掺 Mg O微膨胀混凝土配合比 2 0 0 1 年滇池北岸截污工程建成投入运行以后， 西园隧洞形成 了防洪与排污并重的运行局面， 除汛期排洪外 ， 还要每天 2 4 h 不间断地接纳 3 5 m3 s的城市污水排放。 由于原有设计中， 隧洞仅承担泄洪功能， 没有排污功能， 因 而对混凝土的耐酸性未做特别要求。 从表 1 、 2的混凝土配合比 分析也知， 隧洞衬砌混凝土不具备抗酸性介质腐蚀的能力。 而 2 0 0 1 年之后的实际运行过程中， 隧洞使用功能发生了改变， 增 加了城市废水排污功能 ， 由于污水及其释放的气体中均含有酸 性腐蚀介质， 给不具备抗腐蚀的隧洞造成了严重的不利影响， 巡 视检查发现： 混凝土表层受到不同程度的腐蚀、 碳化损坏， 洞体 表层有裂缝 、 钢筋外露、 锈蚀 ， 洞体漏水等问题， 从而威胁到其 结构的正常安全运行。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o l _ o 5 1 2 隧洞病害情况检测 鉴于上述情况， 该隧洞工程管理处先后委托当地质量监督 检查站、 水环境监测中心对隧洞混凝土衬砌强度 、 隧洞内外水 样、 环境水气样进行了检测。 经 2 0 0 4年 1 0月对西园隧洞水样 、 气体样、 混凝土试样进 行了检测， 得出如下结论： ( 1 ) 污水中的重碳酸根HC O 3 含量高达 3 5 7 mg L， 气体中 C O： 含量达 9 7 8 0 r n g L， 地下渗漏水无侵蚀。 ( 2 ) 混凝土侵蚀切片x射线衍射分析， 从 X R D测试结果来 看 ： 混凝土试样中已不存在 C a ( OH) ： 峰值 ， 表明混凝土受酸性 腐蚀介质的侵蚀已中性化。 从上述检测结果看， 混凝土受到的酸性腐蚀实为碳酸性侵 3 1 蚀 ， 其根源在于所排放的污水中含有大量的 C O 使其发生碳化 而引起 。 其后又于 2 0 0 5 年 1 2月对西园隧洞进行了综合检测 ， 主要 问题如下： ( 1 ) 混凝土强度 ： 进行 2 0个芯样 的抽检检测 ， 表明混凝 土强度离散性较大 ， 最大强度值达 5 0 3 1 V I P a ， 最小强度值仅为 1 6 6 MP a ， 平均值为 2 8 9 MP a 。 ( 2 ) 混凝土碳化深度： 在混凝土结构较完整的部位共检测 1 4 4 组碳化深度 ， 其最大值为 1 5 0 to n i ， 最小值为 2 0 r l l l n ， 平均 值为 5 4i ln l 。 ( 3 ) 钢筋保护层厚度 ： 在未露钢筋的不同位置共检测 8 7个 点的钢筋保护层厚度， 其最大值为 1 0 0 i l n l ， 最小值为 4 0 r f l l T l ， 平均值为 7 1 r n n l 。 ( 4 ) 钢筋外漏情况： 检测共发现钢筋外漏 1 6 0 6根 ， 其中顺 流左侧 9 4 6根、 右侧 6 2 8根、 顶部 2 6根、 底部 6根。 ( 5 ) 钢筋锈蚀深度 ： 共对外露钢筋锈蚀深度检测 1 5 5 组 ， 其 最大值为 0 5 0 m l -n ， 最小值为 0 0 5 m l l ， 平均值为0 2 7 n l n l 。 ( 6 ) 混凝土洞体裂缝 ： 洞体内共发现 8 9条裂缝 ， 其中大多 分布在洞壁左右两侧。 ( 7 ) 其他缺陷： 检测发现， 洞体施工接缝处周圈均有渗漏水现 象； 除接缝位置外， 还发现不同程度的浸渗、 滴漏、 射水 2 1 2处。 2 进行碳 化耐久年 限预测研 究的意义 针对以上病害， 2 0 0 5年底笔者所在单位接受委托对西园隧 洞进行结构安全复核和结构防腐加固设计 ， 以根除工程病害， 保 障隧洞运行安全。 在设计分析中， 为了对碳化破损混凝土结构及时做出维修 加固等决策方面提供科学依据， 避免重大事故的发生， 本研究 以西园隧洞实测资料为基础 ， 通过研究建立混凝土的后续碳化 模型 ， 来预测出衬砌混凝土结构的剩余碳化寿命 ， 具有非常重 要的现实意义。 同时， 这一研究也可为西园隧洞后续防腐加固及 其他类似新建工程的混凝土耐久性设计、 混凝土结构服役期的 抗碳化维护等方面提供科学借鉴指导。 3 混凝土碳 化耐久年 限的预 测研 究 3 1 预测混凝土碳化深度的 实用随机模型及影响 系 数 的提 出 本次研究将理论分析方法与试验及工程调查方法结合起 来 ， 并考虑混凝土碳化的随机性 ， 建立预测混凝土碳化深度的 实用随机模型， 为基于可靠理论的耐久性评估奠定基础。 基于 F i c k第一扩散定律， 混凝土碳化的理论模型 为： “ f = 、 ( 1 ) 式中： 碳化深度 ， mm； 碳化速度系数； 混凝土服役时间( 即碳化时间) 。 由于混凝土本身的变异性和环境的变异性将直接导致混凝 土碳化深度产生变异， 所以本次研究中， 针对上述混凝土碳化理论 模型， 从工程条件及实用角度出发， 将其细化为以环境条件和混凝 土质量影响为主， 并考虑碳化位置的多系数随机模型， 即： X K 2 K 2 式中： 混凝土质量影响系数； K c o c 0 浓度影响系数 ； 32 K 。 环境因子随机变量， 主要考虑环境温度与相对湿度 对碳化的影响； K 碳化模型修正系数， 主要反映碳化模型计算结果与实 际测试结果之间的差异， 同时也包含其他一些在计算 模型中未能考虑的随机因素对混凝土碳化的影响。 从式( 2 ) 可看出， 建立预测混凝土碳化深度随机模型的关 键是合理确定式中的各系数。 3 2各 系数 的确 定 3 2 1 混凝土质量影响系数 一 般来说混凝土的质量越好、 强度越高， 那么在相同的环 境条件下混凝土的碳化速度就越慢。 为了较好地研究混凝土抗 压强度对混凝土碳化的影响， 故在西园隧洞沿线上根据病害情 况进一步选取了 4 5个代表位置点， 实测了混凝土碳化深度并进 行回弹法检测强度用于本次分析计算。 为了研究混凝土抗压强度对碳化速度的影响， 将上述实测 数据换算到同一标准环境( 二氧化碳浓度 C = O 0 3 、 环境相对 湿度 R H= 7 0 ， 环境温度 T =- 1 4) 进行分析， 从而得出在标准 环境下 ， 混凝土的碳化速度系数与混凝土抗压强度标准值之间 的关系如图 1 散点图所示。 辊 凝土强 度标 准值 MPa 图 1 碳化速度与混凝土抗压强度标准值的关系 根据以上散点图的趋势， 参照文献 2 3 】 的研究成果， 选配 如式( 3 ) 一 ( 6 ) 所表达的以下四条曲线进行回归分析： K f = A ( 3 ) = 一 + ( 4 ) Kf = 一 + 曰 ( 5 ) 古 柏 ( 6 ) 式中 混凝土立方体抗压强度标准值 ， MP a ； K 混凝土强度控制的碳化速度系数， mm 年 。 拟合后的相关系数依次是一 0 7 0 1 、 0 7 5 7 、 0 7 7 9 、 0 7 6 8 ， 残差 的平方和依次为 1 5 9 、 6 5 4 4 、 6 0 1 4 、 5 8 0 3 。 对比以上四条拟合曲 线 ， 从中选定相关性较好的式( 5 ) 作为标准环境下混凝土抗压 强度与碳化速度系数的关系表达式， 其在图 1 中拟合出的相关 曲线可用式( 7 ) 进行表达。 K f = 一 0 7 6 1 ( 7 ) 1 3 2 2 环境 C O 浓度影响系数 K c o 环境 C O 浓度影响系数， 参照文献 3 ， 可根据混凝土所处环境 的C O 浓度及标准环 的C O ： 浓度 0 0 3 ， 由式( 8 ) 进行计算： K f ( 8 ) 式中： c O 0 厂一 混凝土所处环境的C O： 浓度， 。 3 2 3 环境因子随机变量 。 环境的温度和湿度对混凝土碳化影响较大， 在普通的气候 环境条件下 ， 环境温度较高， 混凝土的碳化速度加快； 环境湿度 在 5 0 一 7 5 时， 碳化速度较快， 且在湿度为 5 0 左右时达到最 大值， 而湿度小于 2 5 ( 干燥环境 ) 或大于 9 0 ( 饱和状态或处 于水中) 时， 碳化作用将停止。 为此， 环境因子随机变量主要从 环境温度与相对湿度两方面出发考虑。 其中环境温度影响系数 可以表示为 ： = V T o 式中： T l 碳化环境温度， ； ( 9 ) 标准环境温度， 。 如前所述当相对湿度 R H = 5 0 时混凝土的碳化速度为最 大， 故以此为基准将环境相对湿度影响系数 K R H 表示为式( 1 0 ) 所示 ： ( 1 0 ) 式中： R H 碳化环境湿度， ； R H。 标准环境温度， 。 由于环境的温度及相对湿度存在较强的相关性 ， 故可将环 境温度影响系数 与相对湿度影响系数 综合为环境因子K o ： K 2 5 6 V ( 1 - R H) R H ( 1 1 ) 式中： 环境年平均温度， ； 日环境年平均相对湿度， 。 3 3 混凝土碳化深度的随机模型及寿命预测 综上所述， 混凝土碳化深度的随机模型可以表示为： 5 6 K m J Q O ： ( 1 - R H )R H ( _ 0 7 6 1 1 ( 12 ) 、 J 本研究所结合分析的西园隧洞为无压洞， 其运行过程中的水 位是经常变化的， 加之隧洞中通气条件较差， 因此其混凝土的碳化 环境也是相对比较特殊的， 大致可按三个不同结构部位进行对 比分析： 隧洞顶部是未过水断面， 近似处于干燥状态， 混凝土碳化 程度一般； 隧洞中部水位经常变化， 处于气干状态， 碳化最为严重， 局部段已 导致钢筋裸露锈蚀而且混凝土出现脱落； 隧洞底部处于 过水面之下， 处于饱和状态， 受到水的保护故碳化作用相对较弱， 主要受水中的腐蚀。 所x ,-j -； 的三个分析单元如图2 所示。 图 2 隧洞混凝土碳化 分析单 元划分示意图 采用实测混凝土碳化深度数据并依据所建立的上述碳化模 型， 可反算出未碳化部分的混凝土保护层厚度达到完全碳化所 需经历的时间， 即为混凝土结构的剩余碳化寿命。 本次预测分析 中， 将对西园隧洞的混凝土强度及碳化深度进行实测并进行结 构安全复核时的时间( 2 0 0 5 年) 作为碳化基准年， 将隧洞投入运 行的年份( 1 9 9 6年) 作为起始年。 按上述方法步骤对隧洞结构体 3 个分析单元的混凝土剩余碳化寿命预测分析如表 3 。 从上述预测结果总体情况看， 西园隧洞混凝土的剩余碳化 寿命为 3 5年。 截止至预测时的 2 0 0 5年， 西园隧洞已投入运行 共 9年( 即为混凝土已碳化年数) ， 则西园隧洞混凝土的设计碳 化寿命年限为 1 2 5年。 这与笔者在 西园隧洞混凝土碳化概率 模型研究 【5 中所提出的西园隧洞混凝土结构的设计碳化寿命 均值为 1 2年的结论是吻合的。 表 3 西园隧洞各分析单元的混凝土剩余碳化寿命预测 4结 论 ( 1 ) 本研究基于 F i c k第一扩散定律， 根据所提出的混凝土 碳化实用随机模型对各有关系数进行分析研究 ， 从而结合混凝 土结构的运用环境， 实现了混凝土剩余碳化寿命的预测分析。这 可对碳化破损混凝土结构在及时做 出维修加 固的决策方面提 供科学依据， 从而可避免工程重大事故的发生。 ( 2 ) 采用本研究方法预测的西园隧洞混凝土剩余碳化寿命 ， 进而测算出的混凝土设计碳化寿命年限， 与笔者先前采用混凝土 碳化寿命概率模型分析提出的结果是一致的， 表明本研究所研究 的预测分析方法是可行的、 可靠的。 这对碳化破损混凝土结构的 后续防腐加固及其他类似新建工程的混凝土耐久性设计、 混凝 土结构服役期的抗碳化维护等方面均可提供较强的借鉴指导。 参考文献： 1 】1 阿列克谢耶夫 钢筋混凝土结构中钢筋镑蚀与保护 M 】 黄可信， 吴兴 祖， 等译 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 3 【 2 】牛荻涛， 陈亦奇 ， 于澍混凝土结构的碳化模式与碳化寿命分析J 西 安建筑科技大学学报 ， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 9 【 3 】V A N MI E R J G MF r a c t u r e p mc e s s e s o f c o n c r e t e ： a s s e s s me n t f o r f r a e t u r e m o d e l s M C R C P r e s s ， 1 9 9 7 4 蒋清野， 王洪深， 路新瀛 昆 凝土碳化数据库与混凝土碳化分析 R 】 攀登计划一 钢筋锈蚀与混凝土冻融破坏的预测模型 1 9 9 7 年度研究 报告， 1 9 9 7 5 5 彭玉林， 龚爱民， 林志祥， 等 西园隧洞混凝土碳化概率模型研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 2 7 2 8 作者简介： 联系地址 联 系电话 彭玉林( t 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 1 - 5 2 2 0 3 6 5 3 3