氯离子侵入混凝土的可靠性研究.pdf

第 3 8卷第5期 2 0 1 2年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 1 7 3 氯离子侵入混凝土的可靠性研究 刘中辉 ， 施养杭 ( 1 浙江工业职业技术学院建筑工程分院， 浙江 绍兴3 1 2 0 0 0； 2 华侨大学土木工程学院， 福建 泉州3 6 2 0 2 1 ) 摘要： 在沿海或使用除冰盐地区， 氯离子是引起混凝土结构中钢筋锈蚀， 进而导致结构破坏的主要原因， 科学准 确地描述氯离子侵入混凝土的过程 ， 对于已有混凝土结构的寿命预测和新建结构的耐久性设计均具有重要的意 义。目前 ， 描述氯离子侵入混凝土的模型主要是 F i c k第二定律模型， 该模型不能考虑各参数的随机性， 可靠性模型 则能够考虑模型中各参数的随机性 ， 可以更科学全面的描述氯离子侵入混凝土的过程。 关键词： 氯离子； 混凝土； 可靠性； 模型 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) o 51 7 3 0 3 Re l i a b i l i t y s t u d y o n c h l o r i de i o n i n v a d i n g i n c o n c r e t e LI U Z h o n g h u i ， S HI Ya n g h a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Z h e j i a n g I n d u s t r y P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， S h a o x i n g 3 1 2 0 0 0， C h i n a ； 2 C o H e g e o f C i v i l E n n e e ri n g ， Hu a Q i a o U n i v e r s i t y ， Q u a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t： At ma rin e o r d e - i c i n g s a l t en v i r o n me nt s， t h e c h l o rid e i o n i s t he ma i n r e a s o n t h a t l e a d s t o r e i n f o r c e me nt c o r r os i o n a n d ca us e s t h e d a ma g e o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e ， t h e r e f o r e， i t i s v e r y s i g n i fi c a n t f o r l i f e p r e d i c t i o n o f e x i s t i n g c o n c ret e s t r u c t u r e s and d u r a b i l i t y d e s i g n o f n e w s t r u c t u r e t o s c i e n t i fi c a l l y and a c c u r a t e l y d e s c ri b e t h e p r o c e s s o f c h l o ri d e i o n i n v a d i n g i n c o n c r e t e At p r e s e n t ， t h e mo d e l d e s crib i n g c h l o rid e i o n i n v a d i n g i n c o n c r e t e i s ma i nl y r i c k s e c o n d l a w mo de l t ha t c a n n o t c o n s i d e r r a n d o mi c i t y o f pa r a me t e rs， h o we v e r ， r e l i a b i l i t y mo de l c a n c o ns i de r r a n do mi c i t y o f p a r a me t e rs a n d mo r e s c i e n t i fic all y an d c o mp r e h e ns i V e l y d e s c rib e t h e p r o c e s s o f c h l o rid e i o n i n v a d i n g i n c o n c r e t e Ke y wo r d s ： c h l o ri d e i o n； c o n c r e t e ； r e l i a b i l i t y ； mo d e l 0 引 言 从混凝土应用于土木工程至今 的 1 5 0年 间， 大 量的钢筋混凝土结构 由于各种各样的原因而提前失 效 ， 达不到预定的服役年限。其原因是多种多样 的， 但结构的耐久性不足是最主要 的原 因 。在 1 9 9 1 年召开 的第二界 国际混凝 土耐久 性会议上 ， Me h t a 教授在 混凝土耐久性五十年进 展 主 旨报告 中指出 ： “ 当今世界混凝土破坏原因 ， 按重要性递 减顺序排列是 ： 钢筋锈蚀 、 冻害 、 物理化学作用 。 ” 而 来 自海洋环境和使用防冰盐中的氯离子 ， 又是造成 钢筋锈蚀的主要原 因。如 ： 英 国英格兰岛的中环线 快车道上有 l 1座高架桥 ( 全长 2 1 k m) ， 总建 造费 ( 1 9 7 2年 ) 是 2 8 0 0万英镑 。由于冬天撒盐除冰， 两 年后就发现钢筋腐蚀使混凝土胀裂。从 1 9 7 4年到 1 9 8 9年的 l 5年 间， 修补 费已高 达 4 5 0 0万英镑 ( 已 为造价的 1 6倍) 。当时估计以后 1 5年间的维修还 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 5 - 0 6 作者简介： 刘中辉( 1 9 8 1 一) ， 男， 内蒙古赤峰人， 讲师， 硕士研究生 主要从事混 凝土耐久性 的研究。 E ma i l ： fa i n g e l i u 1 2 6 c o m 要耗费 1 2亿英镑 ( 即接近造价的 6倍 ) J 。北京 西直门立交桥 于 1 9 7 9年建成通车 ， 1 9 9 9年拆 除重 建 ， 使用年限不到 l 9年。虽然重建的原因是多方面 的( 如老桥不能适应大流量 的交通等) ， 但腐蚀破坏 严重也是有 目共 睹的。向路桥上撒盐或盐水 ， 是造 成腐蚀 的主要原因 J 。 氯离子引起钢筋锈蚀 的机理是 ： 当混凝土 中钢 筋表面的氯离子浓度达到某一值 时， 就会引起钢筋 锈蚀 ， 进而导致混凝 土保 护层开 裂、 剥落 和结构坍 塌。钢筋表面的氯离子主要是通过外界 环境渗入 的 ， 因此 ， 建立准确合理的氯离子侵人模型 ， 对于氯 离子侵蚀环境下混凝土结构 的耐久性设计和耐久寿 命预测显得极其重要 。 1 r i c k第二定律模型 关于氯离子在混凝土 中扩散 的研究 ， 是 C o l l e p a r d i 于 1 9 7 0年 开始 的 ， 并 于 1 9 7 2年 发表 了基 于 F i c k第 二定律 的氯离 子扩散系数 的计算 结果 】 。 由于 r i c k第二定 律的简洁性及与实测结果 之 间较 好 的吻合性 ， 现在它 已成为预测氯离子在混凝 土中 扩散的经典方法 。假定混凝土中的空隙分布是均匀 l 7 4 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 的 ， 氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为， 浓度 梯度仅沿着 暴露表面到钢筋表 面的方 向变化 ， F i c k 第二定律可 以表示为： 一O C ： D磐 1 d Z a 式( 1 ) 的边界条件和初始条件分别为： 边界条件 ： C ( x= 0， t )=C s 初始条件 ： C ( ， t = 0 )=C 。 根据边界条件和初始条件 ， 式 ( 1 ) 的解为 ： c ( x , t ) = C 。 + ( c s C o ) 1 一 e ( 2 ) 对式( 2 ) 整理得 ： = 毛 ( ) r 随着时间的增加 ， 钢筋保护层厚度 a处 的氯离 子浓度值不断增大 ， 当该值在某一时刻达到能使钢 筋脱钝的临界浓度 C 时 ， 钢筋开始锈蚀 。将 =a 和 C ( a ， t )=C 代人式( 3 ) ， 即可求得开始发生锈蚀 的时间 t 。 。 2 可靠性模型 F i c k 第二定律模型为确定型模型 ， 模 型求解时 只要对模 型 中的每个参 数输入一 个数值 ( 如平均 值) ， 即可求出具体的寿命值。但氯离子渗透是一 个缓慢而又复杂的过程 ， 涉及到许 多材料与环境参 量， 这些参量中有的表现为很大的随机性 ， 因此需要 系统地掌握不同影响因素( 如材料因素 、 环境变化 、 荷载作用等) 对混凝土结构 的劣化过程的影响。科 学准确预测混凝土寿命， 不仅要求对混凝土性能的 劣化过程有充分了解， 而且需要考虑基于材料与环 境不确定性的混凝土长期性能的可靠度评估 ， 以便 得到混凝土性能随时间和空间变化 的模型和预测方 法。可靠性模型则是在确定型模 型的基础上 ， 考虑 模型中各参数 的随机性， 建立混凝土性能随时间和 空间变化的模型和预测方法 。 在氯离子侵蚀环境下 ， 当对混凝土结构使用寿 命进行计算时， 结构“ 失效” 的状态可 以定义为在混 凝土保护层深度处 C l 一 浓度达到引起钢筋锈蚀的临 界 C l 一 浓度。因此抵抗“ 破坏” 的抗力 R就是混凝土 保护层厚度 而环境荷载 F为某一时刻 t 氯离 子在混凝土内达到临界浓度 C 的深度 因此 ， 混凝土中钢筋锈蚀的极限状态方程为： z =X 。 一X ( 4 ) 其中 响可 由式( 2 ) 整理得 ， 即 一一 1 r ， 1 、 x 。 。 =2 v D 胁 I ( 5 ) 、 乙 S G0 将式( 5 ) 代人式( 4 ) ， 可得极限状态方程 ， 即 Z = X 一 = c。v 2 -D t -e r f 一 ( ) ( 6 ) 2 1 用中心点法求可靠度指数 现在 ， 普遍认 为 。 ， D和 均 服从 正态分 布 ， 。 服从正 态分布 ( x x ) ， X 服 从 正态分布 ( x x 。 ) ， 且 x 。 和 O X cm分别为 ： = 2 叫眷 ) (7 ) = 一 ( 器 ) D ( 8 xcm o 。 n I 二 J o L 式中 。和 。分别是扩散系数 D的均值和标 准 差 ， 则可靠指标 口为 】 ： JB ： ( 9 ) + 故破坏概率 P 为： P = ( 一JB ) ( 1 0 ) 2 2 用验算点法( J C法 ) 求可靠度指数 对于一般氯盐污染环境 的结构工作寿命预测评 估而言， 由于所定义 的结构极 限状态 为钢筋开始锈 蚀 ， 从锈蚀开始到结构有坍塌危险的周期有几年到 几十年 ， 因此 ， 对可靠度指数 精确性的要求不是很 高 ， 用求解精度不高 的中心点法即可满足要求。但 对于氯盐污染严重 以及重要性较高的结构 ， 有必要 较准确地预测钢筋开始锈蚀的可靠度指数 ， 鉴于对 上述因素的考虑， 本文用精度较高的 J C法对氯盐污 染环境下混凝土中钢筋的初始锈蚀时间进行可靠度 分析。 由式 ( 6 ) 可得 ： 一 l = 一 ，( 1 1 ) O D 一 ( 酱 )( 12 ) 。 一 。 x c( H e r ； 1： ： ： ： ( 1 3 ) 一 差 。 c osUn = _ = 了 ( I O Xcovr) + ( 。 ) 】 ( 1 4 ) 一 2 rr ( 等鲁) = o ( 15 ) 由式 ( 1 3 )( 1 5 ) ， 可 以联立求 解 ， 三 。 及 D ， 求 出 后 ， 由式 ( 1 0 ) 即可求得若 干年后混凝土 中钢筋开始锈蚀的概率。 2 3 实例计算 孤 以 邢惑 某一 钢 筋 渴凝 十桥 的调杏 情 况 为 例 刘中辉， 等： 氯离子侵入混凝土的可靠性研究 1 7 5 具体数据 为， 临界 C l 一 浓度 ： C m=0 0 7 ( 混凝土 重量计 ) ； 混凝土初始 C l 一 浓度 ： C 0 =0 0 1 ； 结构工 作时间 ： t = 4 0 0 0天( 1 1 年 ) =3 4 5 61 0 s ； 氯 负荷 ： C = 0 6 2 5 ( 混凝土重量计 ) ； 1 1年时平 均 C l 一 扩 散系数 ： D=0 6 11 0 mm s ； 扩散 系数标 准差 ： D = 0 3 71 0 mm s ； 平均保护层厚 度： x x = 2 9 mm； 保护层厚度标准偏差 ： x = 5 2 mm； 试分 别用中心点法和 J C法计算该桥梁北面混凝土 中钢 筋开始锈蚀 的可靠度指数 及钢筋发生锈蚀 的概率 解 ： 1 ) 用中心点法求解 = 2 rr ( 酱 ) = 2 ( 0 6 1 1 0一 3 4 5 61 0 ) e rf - l 】 = 2 9 0 4e r f ( 0 9 0 2 4 ) 由 ma t l a b软件求 e r f ( )=0 9 0 2 4的反 函数 e ft ( 0 9 0 2 4 )=1 1 7 1 ， 则 x m= 3 4 ( m m) 。 = 一 ( 酱 叽 t _ 盯 I 荫 J = ( 3 4 5 61 0 。 ) ( 0 6 1 1 0 ) - 1 2 e ft ( 0 9 0 2 4 ) ( 0 3 71 0- 6 ) =1 0 3 ( m m) 则 p = 丽 L X eov er - X crlt= x c r + x 血 V3 +l u j =一0 4 3 3 由此可得 ， 破坏概率 P = 6 6 7 。 2 ) 用验算点法求解 由式 ( 1 1 )一( 1 2 ) 计算得 ： 一 O X o o , , , I 。 x 。 =-C r X co v er = - 5 2 一韭 O D rr l ( 篙 ：一 3 4 5 6 x 1 0S e f t一 - ( 0 9 0 2 4 ) 0 3 7 1 0一 一墨 ： Q ： ： _-_一 D 由式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 可得 ： c o s - 5 2 D I ( 16 a ) c。s 。= 一 I 97 f a 6 4 8 2 x 。 1 0- 6 D J J 二 。 = x + x C O S 0 X = 2 9+5 2 3 c o s 0 x D = D+3 o - D c o s 0 D=0 6 11 0 _ 6+ 0 3 71 0 一 3 c o s 0 D 由式( 1 5 ) 可得 ： 二 。 一 4 3 5 1 1 0 , n=0 将式 ( 1 6 b ) 代人式( 1 6 c ) 并整理得 ： 2 7 o 4 C O S x R+( 3 0 1 6 c o s 0 x R一 ( 1 6 b ) ( 1 6 c ) 7 0 0 4 5 c o s 0 D ) 一3 1 3 8=0 ( 1 6 d ) 由式 ( 1 6 d ) 求 卢时 ， 需要知道 c o s 0 x 蛐 v 及 c o s 0 o 之值， 而这些值又与 三 及D 有关， 而在求 。 及 D的式 ( 1 6 b ) 中又含有 卢项 ， 因此 ， 要用迭代法 求解 口。 经过两次迭代， 得到 =一0 4 1 0 6， 两次迭代结 果相差 0 o o o 4， 已经满足设计要求。 相应 的破坏概率 P =6 5 9 3 。 3 结 论 针对 目前 F i c k第二定律模 型未 能考 虑模 型中 各参数随机性的特点 ， 本文建立 了氯离子侵人混凝 土的一维扩散可靠性模型， 该模型具有 以下优点 ： 1 ) 可以考虑保护层厚度 。 和扩散 系数 D的 随机性 。 2 ) 能够计算 出某一 时刻混凝 土中钢 筋开始锈 蚀的概率 ， 以及某一失效概率下钢筋的初锈时间。 3 ) 模型 的求解方法有两种 ： 中心点法 和验算点 法， 中心点法计算简单、 精度低， 主要用于计算精度 要求不高的结构； 验算点法计算复杂 、 计算精度高 ， 主要用于对钢筋初锈时间的求解精度要求较高的结 构。 参 考 文 献 ： 1 金伟 良， 赵羽习 混凝 土结构耐久 性 M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 洪定海 混凝土中钢筋的锈蚀与保护 M 北京： 中国铁道出 版社 ， 1 9 9 8 M E H T A P K C o n c r e t e d u r a b i l i t y ： fi f t y y e ds p r o g r e s s c P r o - e e e d i n g o f 2 0 n d I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n c r e t e Du r a b i l i t y AC I S P 1 2 6 1。 1 9 9 1： 1 - 3 3 陈肇元 土建结构工程的安全性与耐久性 M 北京： 中国建 筑 工业 出版社 ， 2 0 0 1 C o l l e p a r d i M， e t a 1 P e n e t r a t i o n o f Ch l o r i d e I o n s i n t o c e me n t p a s t e s a n d c o n c r e t e J A m e r ic a n C e ra m i c S o c i e t y ， 1 9 7 2 ： 5 2 - 5 5 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 F l u g e F Ma r i n e c h l o r i d e s A p r o b a b i l i s ti c a p p r o a c h t o d riv e pmv i s l o n s f o r EN 2 0 6 1 3 Wo r k s h o p o n S e r v i c e L i f e De s i g n o f Co n C r e t e S t u r c mr e s - f r o m Th e o r y t o S t a n d a r d i s a t i o n， Tr o ms 一 书。 No r wa y J u n e 2 0 0 1 1J 1J 1 j 1J