受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析.pdf

第 3 5卷 第 6期 2 0 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 5 N O 6 De c 20 1 3 d o i ： 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 1 3 受力状态下 混凝土材 料劣化模 型 与可靠性分析 李英民 ， 周 小龙 ， 谭 潜 ( 重庆 大学 a 土木工程 学院； b 山地城镇建设与新技 术教育部重点实验 室， 重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘 要 ： 通 过分 析试验 数据 ， 修 正和 改进 了现有 混凝 土碳 化 深度预 测模 型 中的应 力影 响 系数 和水 灰 比影响 系数 ， 并给出了基于可靠性分析的混凝土结构材料劣化寿命准则。分析表明： 拉 、 压应力状 态下， 混凝土碳化速率分别得到促进和抑制 ， 特别是随着拉应力水平的增加 ， 碳化速率越来越快； 通 过可靠性分析可得 ， 混凝土材料劣化概率与可靠度存在一一对应的关 系， 同时混凝土保护层厚度和 应力水平对混凝土结构的寿命影响显著， 在具有相同可靠度保障时， 随着拉应力水平的提 高或保护 层 厚度 的减 小 ， 混凝 土材 料 的劣化 时 间将 缩短 。 关键 词 ： 碳化 ； 应 力水平 ； 劣化模 型 ； 可 靠度 ； 混凝土 结构 中图分 类号 ： TU3 1 2 文 献标 志码 ： A 文 章编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 8 2 0 7 De t e r i o r a t i o n M o d e l a n d o n Co n c r e t e M a t e r i a l Re l i a bi l i t y An a l y s i s a t S t r e s s S t a t e s Li Y i n g mi n。 Zh o u Xi ao l o n g。 T a n Qi an。 ( a Sc hoo l of Ci v i l En gi ne e r i ng：b Ke y La b or a t or y of Ne w Te c hn ol o gy f or Co ns t r uc t i o n o f Ci t i e s i n Mo u n t a i n Ar e a ，M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n，Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ，P RCh i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c or d i n g t o t h e a n a l y s i s o f e x i s t i ng t e s t d a t a，t he s t r e s s i nf l u e nc e c o e f f i c i e n t a n d wa t e r c e m e nt r a t i o i nf l u e nc e c oe f f i c i e nt i n t h e e x i s t i ng c o n c r e t e c a r bo n a t i o n de pt h f o r e c a s t i ng mo de l s a r e m o d i f i e d a n d i m p r o ve dBa s e d o n t h e r e l i a bi l i t y a na l y s i s ，t h e r ul e o f d e t e r i o r a t i o n l i f e i s p r e s e nt e d The a n a l ys i s s h o ws t ha t t he r a t e o f c a r b o na t i o n o f c on c r e t e i S a c c e l e r a t e d o r r e s t r i c t e d a t t h e s t a t u s o f t e ns i l e o r c o m pr e s s i v e s t r e s s，r e s pe c t i v e l y Es p e c i a l l y wi t h t he i nc r e a s e o f t he l e v e l of t e n s i l e s t r e s s ， t he c a r bo n a t i o n r a t e o f c o nc r e t e wi l l be c o m e f a s t e r a nd f a s t e r Ac c o r di n g t o t h e r e s ul t s of r e l i a b i l i t y a na l ys i s，t h e r e l a t i o n be t we e n p r ob a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t he c on c r e t e d e t e r i o r a t i o n i s o n e t o o ne c o r r e s po ns i v e，me a nwh i l e，t h e c on c r e t e c o ve r t h i c k ne s s e s a n d s t r e s s l e ve l s h a v e g r e a t i nf l u e n c e s o n t he du r a bi l i t y l i r e o f c on c r e t e s t r uc t ur e s And wi t h t he s a m e r e l i a bi l i t y，t he t i me o f d e t e r i o r a t i o n o f c o nc r e t e d e c r e a s e s wi t h a hi g he r s t r e s s 1 e v e l s a nd a l e s s c ov e r t hi c kn e s s Ke y wo r d s： c a r bo n a t i o n；s t r e s s l e ve l ；d e t e r i or a t i o n m o d e l ；r e l i a bi l i t y；c on c r e t e s t r u c t u r e s 碳 化深 度是 一般 大气 环境 下衡量 混 凝 土结 构材 料劣 化 的主要 量 化 指标 。调 查 显示 ， 大 量 在役 混 凝 土结构存在着过早劣化 的迹象 ， 这种现象的产生往 往 与结构 工程 师设计 时较 少关 注混凝 土 材 料 的耐久 性 有 关 。 目前 ， 关 于 混 凝 土 碳 化 深 度 的 研 究 很 多 ， 但 不管 是基 于碳化 机理 的理 论模 型 还是 基 于 碳化试验的经验模型都较少系统考虑应力 因素的影 响， 既使 考 虑 ， 也 统 一 规 定 拉 应 力影 响 系数 取 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 5 基金项 目： 国家科技支撑计划 ( 2 o o 9 B AJ 2 8 B O 1 0 2 ) ； 中央高 校基本 科研业 务费 ( C D J X S 1 1 2 0 1 1 6 7 ) ； 重庆 市科技 攻关计 划 ( 20 11 GGB12 7 ) 作者简 介 ： 李英民( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 教 授 ， 博 士生 导 师 ， 主要 从 事地 震 工程 与 工程 抗震 、 抗震 鉴定 与 加 固等 研究 ， ( E - ma i l ) l i y i n g mi n c q u e d u e n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李英 民 ， 等 ： 受 力状 态下混 凝 土材料 劣化模 型 与 可靠性分 析 8 3 l _ 1 ， 压应力影 响系数取 1 0 ， 使得拉应力状 态下的 预测 结 果偏 于不 安全 而压 应力状 态 下 的预 测结 果 偏 于保 守 。同时现 有碳化 深度 预测 模 型没 有 考 虑应 力 因素和 水灰 比因 素 间 的相 互 影 响 ， 而 水 灰 比和 应 力 状态 的不 同直 接关 系到 混 凝 土 内部孔 隙 率 的 大小 ， 二者 对 混凝 土 的碳 化速 度影 响极 大 7 _ 8 _ ， 且 二 者相 互 关联 。鉴 于此 ， 系统 考 虑 水 灰 比和 应 力 因 素 的 影 响 对完 善混 凝 土碳化 深度 预测 模 型很有 必要 。 文章 以混 凝 土碳化 深度 达到 钢筋 表 面 一定 距 离 时 的状态 作为 混 凝 土 构 件 耐 久性 失 效 的极 限状 态 ， 通过 对混 凝土 碳化 深度 的分 析来 研究 混 凝 土材 料 的 劣化 模 型 ， 同时 考 虑到 碳 化 深 度 预 测 模 型 是 基 于 试 验平 均数 据 的数学 回归 未考 虑混 凝 土碳 化 过程 的随 机性 ， 采用可靠度理论 ， 给出了混凝土结构材料劣化 预测 的概 率方 法 。 1 混凝土碳化深度预测模型 改进 1 1 现 有混 凝土 碳化 深度试 验 方案 与检 测数 据 综合 考虑 已有 研究 成果 ， 同时考 虑到 实 际 工程 中较少有混凝土构件承受轴 向拉力作用， 大部 分受拉构件都处于弯曲受拉状态 。文献 1 2 中的试 验 方案 能较 真实 的反 映实 际工程 中混 凝 土构 件所 处 的应力 状态 ， 也 能更 准确 地 反 映 拉 压应 力 条 件 下 混 凝 土碳 化深度 随 时 间的演变 规律 。试 件加 载 方式 如 图 1 所示。拉 、 压应力区的应力值 可通过圣维南原 理 确定 。 区 区 、 土 ， 图 1 混 凝 土 碳 化 试 验 加 载 示 意 图 试验条件和试件配制详见文献 1 2 。试验检测 数据如表 1 所示。 表 1 试验 室不 同应 力和水灰 比条件下混凝土试件的碳化深度 mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 续 表 1 1 2混凝 土材料 碳化 深度预 测模 型 目前 已有 的混 凝土 碳化深 度预 测模 型主要 可 以 归 结为 3种类 型 ： 基 于 扩散理 论 的预测 模 型 、 基 于 碳 化试验的经验模型和基于综合考虑扩散理论和碳化 试 验结 果 的预测模 型 。虽然各 种 预测模 型 的差 异 较 大 ， 但 都有一 个共 同点 ， 即都认 为混 凝 土碳 化 深度 与 其 龄期 的平 方根 成正 比 。考 虑到 这些 预测 模 型均 没 有 系 统考 虑 混 凝 土 受 力 状 态 不 同对 碳 化 深 度 的 影 响 ， 而实 际上混 凝 土 碳 化 点 的应 力 状 态 对该 处 碳 化 深度 的影 响是 显著 的 。文 献 1 2 确定 的预测 模 型虽 然较系统的考虑 了应力 因素 的影响， 但混凝 土碳化 深度 的影 响 因素很 多 ， 随机性也 很 大 ， 特 别 是混 凝 土 结构服役时间跨度大， 各种影 响因素具有很强的个 性和不确定性 ， 该文献仅以应力水平和水灰 比作 为 混凝 土碳 化深 度 的影响 因素显 然是 不 够 的 。为 寻 找 更适合考虑应力 因素的碳化深度预测模型， 基于文 献 E 1 2 3 中试 验 数据 ， 选 用 多 条 曲线对 碳 化 深 度 和碳 化 时 间的关 系进行 数学 回归 ， 经多 次试 算 ， 得 到 2种 较 合理 的关 系 曲线 回归 方程 ， 如 图 2 5所示 。 混凝土碳化时间 d 注 ： w c = 0 4 w c = o 4 8 w c = 05 5 一 x f O k x O ) 一 c ( a t + b 、 水 混凝土碳化时间， d 注 ： wc =- O 4 w c =- O 4 8 w c = 0 5 5 一 x ( O = 4-t- = c ( a t 十 ) 图 3 o o 一 0 0 5 ( 压 ) 时 X( t ) 一 t 关 系曲线公式拟合 混凝土碳 化时 间， f1 往 ：口 w c = O 4 wc = O 4 8 w c =- O 5 5 一 x f j k - x (t ) ： c ( a t 4 b 、 4 -t 图 4 o o 一 O 2 5 ( 拉 )时 X( t ) 一 t关 系 曲线 公 式 拟 合 3 5 g 3 0 奁 2 5 2 o 登 糍 1 0 霉5 O 混凝土碳化时问 d 沣 ： 。w c = O 4 w c =- O 4 8 w ， c = 0 5 5 一 一 = c (a t I 6 ) 图 5 一 0 7 ( 拉 )时 X( ) 一 关 系 曲线 公 式 拟 合 图 2 一 0时 X( t 卜t关系曲线公式拟合 合 的 2 种 混凝 土 碳化 深 度 随 时 间变 化 的关 系 式 ， 其 图 2 5给 出 了在 不 同条 件 下根 据试 验数 据 拟 中拟合公 式为 z ( f )一 是 时 ， 参数 忌与真 实 值 的相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李英民， 等 ： 受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析 8 5 关 系 数 为 分 别 为 ( 0 9 7 0 ， 0 9 7 0 ， 0 9 7 1 ) ， ( 0 9 7 1 ， 0 9 7 1， 09 7 0)，( 0 9 7 O，09 71，0 97 2)，(0 97 1， 0 9 7 0 ， 0 9 7 0 ) ， 大于拟 合公 式为 ( ) 一 c ( a t +6 ) 时 的参数 a 、 b 、 c的相关 系数 ( 0 9 6 6 ， 0 9 6 8 ， 0 9 6 8 ) ， ( 0 9 6 8 ， 0 9 6 8， 0 9 6 8 ) ，( 0 9 6 9 ， 0 9 6 8， 0 9 6 9 ) ， ( 0 9 6 9 ， 0 9 6 6 ， 0 9 6 8 ) 。可见式 Iz ( ) 一k , 能更准 切的反映混凝土碳化深度的变化趋势 。考虑到碳化 深度为 z ( )一 忌 的预测公式具有一定 的理论依 据 ， 选用 形如 z ( f )一 是 的预测 模 型来 修 正 和改 进 考虑应力因素和水灰 比因素的碳化系数 愚值 。表 2 给 出 了混凝 土碳 化预测 公式 为 z ( ) 一 是 时公式 中 的 志值 。 表 2基于试验数据 的混凝土碳化模型碳化 系数值 水灰 比 应力水平 ( c , a 。 ) 0应力 0 0 0 0 应力水平 ( a a ) w c 一 0 40 2 0 6 3 C 一 0 48 2 1 4 0 w c 一 0 5 5 2 2 0 6 1 2 1 初 始模 型 选 定 和 改进影 响混 凝 土 碳 化 的 因素很多， 有外部环境因素 ， 也有混凝土 内部材料性 质本 身 的影 响 因素 。为 了更 精确 的给 出碳 化深 度 的 预测 模 型 ， 需 要 尽 可能 多 的考 虑 这 些 不 确 定 因 素 的 影 响 。考虑 到 目前 中国对混凝土碳化 因素研究 最全 面 的是西安建筑科 技大学牛荻 涛 的预测模型 6 。笔者在 其模型的基础上对其进行改进以考虑不同应力水平和 不同水灰 比条件下 的混凝土碳化深度预测模 型。 文献 6 中 的预测 模 型为 ： z ( )一 2 5 6 KM c 点 1 尼 c o 。 志 p忌 T RH ( 1 一R H) ( 墅 m 一0 7 6 ) C UK 在其基础上， 考虑应力水平和水灰 比因素， 对该公 式加于改进得到新的碳化深度预测模型， 如式( 1 ) 所示： ( )一 是 一 2 5 6 忌 i 尼 c o 。 是 忌 f 厂 ( ， w c )T RH( 1 一 R H ) ( 1 ) 式 中 ： 是为 混凝 土碳 化深 度影 响系数 ； 忌 为位 置影 响 系数 ， 角部取 1 4 ， 非角部取 1 0 ； 忌 。 为 C O 。浓度 影响系数， 尼 。 。 一 c 。 o 0 3 ； T为构件表面附近年 平 均温 度 ； RH 为 构 件 表 面 附 近 年 平 均 湿度 ； 忌 。为 浇筑面修正系数 ； 走 为混凝土质量影响因素， 愚 t一 5 7 9 4 f 一0 7 6 ； _厂 ( ， W C )为综合考虑应力水平 和水 灰 比的影 响 系数 ； t 为混凝 土碳化 时 间 ， a 。 将试 验相 关参 数带 入式 ( 1 ) 可 得 ： 厂( w c )一 足= ： =0 6 5 0 8愚( 2 ) 1 2 2 不同应力水平对碳 化 深度 的影响 为充 分考 虑不 同应力水 平 和水灰 比对混 凝 土碳 化 深度 的影 响 程度 ， 将表中同一水灰比时不同应力水平的 尼值与应 力水平为 0时的 志 值相比较， 其比值如表 3所示。 表 3不 同应力水平条件下应力 因素影响 系数值 水 灰 比 应力水平( ) d应力 0000 应力水平 ( a a ) c 一 0 4 0 w c 一0 4 8 w c 一0 55 平均值 从表 3 可 以看 出 ， 应 力 水 平 和 水 灰 比的 变 化对 碳化 系数 的影 响是 明显 的 ， 但 二 者 之 间 的 相 互 交叉 影 响却不 是很 明显 ， 因此 ， 为 简化 分 析 ， 可 假 定 应力 因素 和水 灰 比 因素 对混 凝土 碳化 的影 响是 相互 独立 的 。则 厂 ( ， w c ) 可 表示 为 ( 3 ) 式 所示 ： f( a 。 ， w c )一 志 是 ( 3 ) 式中： 尼 。 为应力影响系数 ； 忌 为水灰 比影响系数。 鉴 于 a a 一 0或 a a 时 ， 是 一 1 ， 考虑应 力影 响 因素 的系数 志 的表达 式可 表示 为 ： 受 拉时 ： 忌 一 1 - I- g ( o ) ； 受压 时 ： 尼 。 一 1 + g ( a a ) 。 当水灰 比一定 时 ， 忌 一 k s i k 。一 k i k 。 ， 带入 试 验数 据 ， 各应力 水平 下 的 尼 i 值 见表 3所示 。经过 数 学 回归 ， 应力影 响系数变 量 愚 的表达式 可表 示为 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 1 2 3 不 同水 灰 比条件 对 混 凝 土碳 化 深 度 的 影 响 ( 4 ) 由前 面 的分 析 已得 到应 力 因素 影 响 系数 k 的计 算公式 ， 将相关参数值代人式( 1 ) 可得到基于试验数 ( 5 ) 据 的水 灰 比影响 系数值 ， 如 表 4所示 。 水灰比影响系数值 应力水平 ( a a ) 应 力 0 O 0 0 应力水平 ( d d ) 从表 4可以看出， 不同水灰 比对混凝土碳化速度 的影响也较 明显 ， 随着水灰 比的增 大 ， 碳 化速度也 随之 增大 。数据 回归水灰 比影 响系数公式如式 ( 6 ) 所示 ， k 一 1 5 6 6 0 9 4 6 x+ 2 0 3 x ( 6 ) 1 2 4 混凝 土碳 化 深度 预 测模 型 将 应 力 水平 影 响 系数 和水 灰 比影 响 系 数 函数 代 入 式 ( 3 ) 可 得 到综 合考 虑应 力 因素和水 灰 比因素 的混 凝土 碳 化系 数 表 达 式 ， 见 式 ( 7 ) 和式 ( 8 ) 。 受 拉时 ： f( a ， w c )一 ( 1 4 -0 4 6 5 ( )+ 0 0 4 5 7 ( o ) )( 1 5 6 6 0 9 4 6 x+ 2 0 3 x )( 7 ) 受 压 时 ： f( a ， w c )一 1 ( 1 + 2 9 2 ( o ) )( 1 5 6 6 0 9 46 x + 2 03 x。 ) ( 8) 将式 ( 7 ) 、 ( 8 ) 带人 式 ( 1 ) 式 即可得 到 修正 后 的混 凝 土 碳化深 度 预测模 型 。 1 2 5 模 型 的验 证 文 献 E 1 3 给 出了 室 内 自然暴 露 1 0 a的几 组试 件 在 不 同龄 期 时碳 化 深 度 的实 测 值 ， 笔者 引 用 其 试 验 数 据 验 证 预 测 模 型 的 有 效 性 。 该试 验 的相关 环 境 参 数 为 ： 温 度 ( 2 0 2 ) ， 环 境 湿 度 7 O 2 0 ， 二氧 化碳浓 度 0 0 3 4 ， 混 凝 土立 方 体抗 压 强度值 1 7 9 MP a 。图 6给 出 了通 过 该 模 型 和文献 1 2 中模型确定 的混凝土碳化深度预测值与 试 件 实际检 测值 的对 比结果 。 混凝土碳化时间 a 注： 试件检测值 本文模型 文献 1 2 模型 图 6 不同预测模型碳化深度预测值 与试验值对 比 通过 对 比分 析 可 知 ， 笔者 确 定 的预 测模 型 能较 好 的吻合试验检测数据， 且碳化深度随时间的演变 规律与检测数据 的变化规律一致 ； 而文献 1 2 确定 的模型与实测数据偏离较大 ， 且 随着服役时间的增 加 ， 误 差越 明显 ， 少 数 误 差 甚 至 达 5 O 之 多 。同 时 可以看出在混凝土试件碳化早期 ， 2种预测模 型计 算值 与实 际检测值 吻 合均较 好 ， 如 图 7所 示 ， 这 主 要 是 因为预测 模 型 都是 基 于 快 速碳 化 试 验 得 到 的 ， 而 影 响混凝 土碳 化深度 的各种 因素在碳 化 早期 比较 稳 定 ， 实际工 程 中混凝 土结构 随着 龄期 的增 长 ， 这些 因 素 的不 确定性 将 增 大 ， 预 测 误 差 也 随 之增 大 。可 见 通 过笔者 确定 的混凝 土 劣化模 型能 较好 地 预测 混凝 土 结构未 来服 役期 内 的碳 化深 度值 。 混凝土碳化时间 月 注：试件检测值 本文模型 一 女一 文献【 l 2 模型 图 7龄期 1 a内不 同预测模型碳化深度 预测值与试验值对 比 考虑到笔者确定 的混凝土碳化深度预测模型是 静 态 的 ， 不能 反 映 实 际工 程 中各 影 响 因素 具 有 时 变 性 的特点 ， 而结 构 服役 过 程 中采 集 到 的数 据 能 够 降 低 这些 影 响因素 的不确 定性 ， 因此 ， 可 充分 利用 混 凝 土结 构服役 期 内检 测 到 的 新 数据 应 用 数 学方 法 ( 贝 叶斯 估计 ) 对混 凝 土 碳 化深 度 预 测模 型 在未 来 龄 期 内的预测值进行修正 。 2 基于耐久性的混凝 土劣化模型分析 在进行7 昆凝土材料劣化分析时， 其 失效指标 的 4 2 表 O ) + 2 + O 【 ： 1 _ ： 寸1 1 一 廊一 受 受 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李英民， 等： 受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析 8 7 选取 比较 重要 “ ， 研 究表 明 ， 昆 凝 土受 力钢 筋 开 始 锈蚀 后 ， 钢筋 混 凝 土结 构 的各 项 力 学 性 能 指 标 急 剧 下 降 。笔者 以混凝 土碳 化深 度达 到 钢筋 表 面一 定距 离 ( 碳 化 残量 ) 时 的状态 作 为混凝 土 构件 耐 久性 的极 限状 态 ， 当碳 化 残 量 小 于 安 全 碳 化 残 量 时 ， 混 凝 土构 件视 为劣 化 失 效 ， 此 时 所 处 的 时 间作 为 混 凝 土 构件 寿命 的终 点 。 t 昆 凝土基于碳 化深度 的劣化失效准则可表示 为 ： z ( )一 C 一 f k Iz( ) 0 ( 9 ) 式 中 ： c 为混 凝 土保护 层 厚度 ； f 为 混 凝 土碳 化 残 量 ； z( f )为混凝 土碳 化深 度 。 由于笔者 提 出 的混 凝 土碳化 深 度预 测公 式 是 建 立在 试 验检测 数 据 平 均 值基 础 上 的 ， 没 有 反 映 出 碳 化深度具有随机性 的特点 ， 而通过对实际工程 中大 量实测数据的统计 ， 混凝土 的碳化深度能较好服从 正态分 布，其标 准差记为 均值记为 一， 。同 时， c 也是一个随机变量 ， 它与环境相对湿度和 昆 凝土 抗压 强度 有关 ， 对 于一 般大气 环 境 ， 不 考 虑其 随 机性 ， 取 碳化 安全 残量 一 1 0 I T l m。 根 据概率 理 论 ， 有 ： 一 c A c k ) ， 一 d 1 ，母 一 z a 。 则失效概率为 ： p ( z e x p ( 一 d z 一0 ) 一l 一 ) 一 o。 、? u ( 1 0 ) 将 上述 正态 分布 函数 标准化 得 ： r 一 Z - 1 2 p j 一 p 一 ( 卢 ) ( 1 1 ) 由式( 1 1 ) 可知 ， 可靠度与失效概率存在着一一 对应 的关 系 ， 图 8给 出了 一 0 3 5 5 c m 时的混 凝 土结构劣化失效概率与可靠度指标之间的关系。因 此结 合 碳化 深度 的预 测 公 式 ， 就 能 得 到 混 凝 土 结 构 失效 时 间和碳 化 深度 之间 在具有 相 同可靠 度保 证 时 的关系 。可 见 ， 混凝 土结 构 的劣 化 失 效 时 间 可 由混 凝 土保 护层 厚度 和碳 化深度 来 表征 。 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 O O 0 0 0 5 1 -0 1 5 2 0 2 5 3 0 图 8失效概率 p r 与可靠指标 I 的关 系 为 重点分 析应 力 因素对 混凝 土结 构劣 化 时 间的 影响， 笔者以所确定 的碳化深度预测模型和混凝土 结 构劣 化模 型 为依 据 ， 分 析 了环 境 湿 度 为 7 5 ， 年 平均气温 1 8 ， 水灰 比为 0 4 8时的钢筋混凝土结 构 在不 同保 护层 厚 度 下 具有 相 同可 靠 度 保 证 时 ， 基 于碳 化 深度 的混凝 土劣 化失 效时 间与 不 同拉 应力 水 平 的关 系 ， 如 图 9所示 。 图 9 混凝土构件失效时间与应力水平的关系 由分析 可知 ， 混凝 土 所 处 的 应力 状 态 和 保 护 层 厚 度对 混凝 土结 构 劣 化 失效 有 显 著 影 响 ， 在 失 效 概 率 ( 或 可 靠 度 ) 相 同时 ， 拉 应 力 越 大 、 保 护 层 厚 度 越 小 ， 混凝 土结 构 的劣 化 失效 时 间越 早 。特 别 是 在 保 证 结 构 劣 化 失效 概 率 为 5 时 ， 对 于保 护层 厚 度 小 于 3 0 mm 的混凝 土结构构件在拉应力状态下的耐 久性几乎均不能达到 5 0 a设计基准期 内混凝土结 构 耐久 性不 变 的要 求 ， 而 对 于 按 照 混凝 土结 构 设 计 规 范 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0之前 设计 的钢 筋混凝 土结 构 ， 其一、 二类 a 环境的梁板柱保护层厚度均3 0 mm， 可见对 于大 量 已建 建 筑 ， 需 要 进 行 混凝 土耐 久 性 评 估 和修 复 。 3 结论 1 ) 给 出了一 般大气 环境 下修 正 的混凝 土 碳化 深 度预测模型， 充分考虑了应力水平和水灰 比等 因素 的影响。预测模型与试验检测数据 吻合较好 ， 且具 有 一定 的理 论依 据 ， 能充 分 反 映 不 同 应力 状 态 下 碳 化 深度 随 时间 的演变 规律 。 2 ) 建立 了混 凝土结 构构 件基 于碳 化深 度 的材 料 劣 化模 型 ， 同时 考 虑 到混 凝 土 碳 化 深度 具 有 随机 性 的特点 ， 通 过可靠 性分 析 ， 建 立 了混凝 土结 构 构件 失 效概率与可靠度的对应关系。同时根据劣化模型和 碳 化深 度预 测公 式均 能建 立各影 响 因素 与混 凝 土结 构劣化失效时间之间的对应关系。 3 ) 可靠性分析表明， 混凝土保 护层厚度和碳化 深 度与 混凝 土材 料 的劣 化 密切 相 关 ， 混 凝 土 构 件 所 处的拉应力水平越大、 保护层厚度越小， 其距离劣化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 失 效 的时 间越短 。 4 ) 保 护 层 厚 度 按 照 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 1及以前设计 的一 、 二类 a环境 下的钢 筋混凝 土结 构 ， 其 耐久 性几 乎 均 不 能满 足 5 0 a 设 计 基准期 内的耐久性要求， 保护层越小 ， 混凝土构件劣 化失 效越 早 。 参 考文献 ： 1 张誉 ， 蒋利学 基于碳 化机理 的混 凝土碳 化深度 实用数 学模型 E J 工业建筑 ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) 1 6 1 9 Z h a n g Y，J i a n g L XA p r a c t i c a l ma t h e ma t i c a l mo d e l o f c on c r e t e c a r bon a t i on de p t h b a s e d on t he me c h a ni s m E J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 6 1 9 2A l d e a C M，S h a h S P， Ka r r A E f f e c t o f c r a c k i n g o n w a t e r a n d c h l o r i d e p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e E J J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n Ci v i l En g i n e e r i n g， 1 9 9 9 ， 1 1( 3) ： 1 8 1 1 87 3 P a p a d a k i s V G， V a y e n a s C G， F a r d i s M N Fund a me nt a l mode l i ng a nd e x pe r i me nt i nv e s t i ga t i on of 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 i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8( 4)： 3 63 - 37 3 4Ho p e B r i a n B C h l o r i d e c o r r o s i o n t h r e s h o l d i n c o n c r e t e t- J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ，1 9 8 7 ， 8 4 ( 4 ) ： 3 0 6 3 1 4 5 C a s t e l A，F r a n c o i s RE f f e c t o f l o a d i n g o n c a r b o n a t i o n p e n e t r a t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e e l e me n t s E J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9 ( 4 ) ： 5 6 1 5 6 5 6 牛狄涛 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 8 3 3 7T o mo s a wa f J a p a n s e x p e r i e n c e s a n d s t a n d a r d s o n t h e d u r a b i l i t y p r o b l e ms o f 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 I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9， 1 ( 1 ) ： 1 1 2 8 We y e y s R E S e r v i c e l i f e mo d e l f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n c h l o r i d e l a d e n e n v i r o n me n t 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 ( 4 )： 4 4 5 4 5 3 9田浩 ， 李 国平 受 力状 态 下 混凝 土 试件 碳 化 试 验研 究 I- J 同济大学学 报 ：自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 0 0 2 0 4 Ti a n H ，Li G PEx pe r i me nt a l r e s e a r c h on c a r bo na t i on o f f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s J J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y：Na t ur a l Sc i e n c e，2O1 0， 3 8( 2 )： 2 00 20 4 1 O 1罗小勇 ， 邹洪波 不同应力 状态下 混凝土碳化 耐久性试 验研究 J 自然灾害报 ， 2 0 1 2 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 9 4 1 9 9 Lu o X Y，Z o u H B Ex p e r i me n t a l s t u d y o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e c a r b o n a t i o n a t d i f f e r e n t s t r e s s s t a t e s J J o u r n a l o f Na t u r a l Di s a s t e r s ，2 0 1 2， 2 1 ( 2 ) ： 1 9 4 1 9 9 r 1 1 S t e wa r t M GEf f e c t o f c o n s t r u c t i o n a n d s e t v i c e l o a d e s o n r e l i a b i l i t y o f e x i s t i n g R C b u i l d i n g J J o u r n a l o f St r u c t ur a l Eng i ne e r i