氯离子侵蚀环境下混凝土结构耐久性寿命评估方法研究.pdf

2 0 1 2年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C E ME NT P R ODUC T S 2 01 2 No 6 J u n e 氯离子侵蚀环境下混凝土结构耐久性 寿命评估方法研究 尚 垄 ( 武汉建筑材料工业设计研究院有限公司 ， 4 3 0 0 7 1 ) 摘 要 ： 根据氯 离子侵 蚀环境 下混凝 土结构 中钢 筋锈蚀 的发生和发展 ， 分析 了结构性 能的衰退过程 ， 得到 了氯 离子侵蚀 环境下结构耐久性寿命评估模型 。考虑到寿命 评估模 型 中主要 参数的不确定性影响 ， 基 于 Mo n t e Ca r l o原 理 ， 采 用 Cr y s t a l B a l l 软件对混凝土构件进行 了随机模 拟 。随机模拟 结果显示 ， 保 护层厚度及氯 离子浓度是影 响氯 离 子侵蚀 环境下混凝土结构耐久性寿命 的重要参数 。 关键词 ： 混凝土结构 ； 氯离子； 耐久性 ； 寿命评 估 ； 随机模拟 Ab s t r a c t ： e d e g e n e r a t i v e p r o c e s s e s o f s t n mt u r e p e r f o r ma n c e s a r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t o t h e o c c u r r e n c e a n d d e v e l o p me n t o f s t e e l b a r s c o r r o s i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s u n d e r t h e c h l o ri d e c o rro s i o n e n v i r o n me n t 。 a n d t h e mo d e l s o f s t r u c t u r e d u r a b i l i t y s e r v i c e l i f e a s s e s s me n t a r e s u mma ri z e d C o n s i d e rin g t h e u n c e r t a i n f a c t o r s o f d u r ab i l i t y s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n ， t h e c o n c r e t e s t r u c t u r a l me mb e a r e s t o c h a s t i c a l l y s i mu l a t e d u s i n g C r y s t a l Ba l l s o f t wa r e b a s e d o n Mo n t e Ca r l o p ri n c i p a 1 T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t l a t t h e c o n c r e t e c o v e r t h i c k n e s s a n d c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n a r e the ma j o r f la c t o r s o f d u r ab i l i t y s e r v i c e l i f e a s s e s s me n t o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s u n d e r t h e c h l o r i d e c o rro s i o n e n v i r o n me n t Ke y wo r d s ： Re i n f o r c e d c o n c r e t e s t ru c t u r e ； C h l o r i d e ； Du r a b i l i t y ； L i f e a s s e s s me n t ； S t o c h a s t i c s i mu l a t i o n 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6 1 5 0 4 0前 言 氯离子侵蚀环境下的结构 ， 如海港 、 码 头、 大坝 等在使用过程 中容易遭受氯离子侵蚀 ， 从而引起钢 筋锈蚀 ， 在没有达到使用 寿命前 已严重 老化 ， 带来 很 大 的经 济损失 。 氯离子侵蚀环境下钢筋混凝土结 构的耐久性 寿命评估已成为国内外学者关注的课题I 。吴瑾等 人 3 通过分析混凝土表面浓度 、 扩散系数 、 混凝土保 护层厚度等参数 的随机性 ， 建立混凝土中氯离子浓 度分布 的随机模型 ， 评估 了氯离子环境下 钢筋混凝 土结构耐久性寿命 。刘沐宇等 采用改进 的层次分 析法确定指标权重 ， 引入模糊数学方法对武汉市南 太 子湖大 桥生命 周期环 境影 响进行 了综 合评价 。 N g u y e n等同 进行了不 同掺合物的混凝土 中氯离子渗 透性能的试验研究 ， 将氯离子 的渗透性用于混凝土 结构的服役寿命预测。C a r l o等6 1 运用模糊集理论进 行 了氯盐侵蚀 环境 下钢筋混凝土结构 的模糊寿命 预 测 。 目前 ， 世界发达国家在经过了 大规模的新建之 后 ， 已将重点转 向对 旧建筑的维修 、 加 固和改造上 ， 改建不仅 比新建投资更小 ， 而且可以更快地收回投 资。要想科学地制定既有服役结构的维修 、 加 固及 改造方案 ， 就需对其进行耐久性寿命评估。然而， 实 际工程结构遭受的破坏与其所处环境密切相关 ， 是 环境条件与多重因素( 包括偶然因素) 共同作用的结 果 ， 存在大量随机性和模糊性。因此 ， 有必要研究一 种 考 虑 不 确 定 性 参 数 影 响 的 基 于 随 机模 拟 的 混 凝 土结构耐久性寿命评估方法 。 笔者通 过分析氯离子侵蚀环境下混凝 土结构 性能 的衰退过程 ， 得 到耐久性寿命评估模型 ， 考虑 不确定性因素影响对耐久性寿命 阶段进行 随机模 拟 ， 使预测的耐久性寿命建立在失效概率 和可靠度 的基 础上 。 1 结构 性 能衰 退过 程 海洋环境下 ， 氯离子极强 的穿透力和去钝化作 用使结构中钢筋产生锈蚀。锈蚀一旦发生 ， 其体积 将逐渐膨胀 ， 随之保护层开裂 、 剥落甚至使结构失 效 。钢筋锈蚀是海工结构耐久性差和提前破坏的主 要原因 ， 是决定海工结构服役寿命 的关键。对于氯 离子侵蚀环境下 的混凝土构件 ， 分析钢筋锈蚀 的发 生和发展过程 ， 其性能退化过程可以由图 1 表示。 根据结构所处环境及使用要求 ， 可 以选择不同 的劣化过程作为极限状态 。目前 ， 国内外钢筋锈蚀 耐久性 极 限状态 有 以下几 种 ： 一 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 4期 ( 1 ) 钢筋锈蚀寿命 t l 一对下一 目标使用年 限内 不允许钢筋锈蚀或严格不允许保护层锈胀开裂 的 构件 ，可将钢筋开始锈蚀作为耐久性极 限状态 ， 如 预应力构件等。 ( 2 ) 保护层锈胀 开裂 寿命 厂 对于 下一 目标使 用年限内一般不允许 出现锈胀裂缝 的构件 ， 可将保 护 层锈 胀 开 裂作 为 耐久 性极 限状 态 ， 如 地下 室 结 构 等 。 ( 3 ) 出现可接受最大耐久性 寿命 3 一对于下一 目标使用年 限内允许 出现锈胀裂缝或局部破损 的 构件 ， 目前没有 统一 的寿命终结标准 ， 如文献 3 将 混凝土保护层纵向裂缝 宽度达 l mm 时作为结 构寿 命 终结 的标 志 。 结 构 损 伤 度 图 1结 构 性 能 衰 退 过 程 2结构 耐 久性 寿命模 型 2 1 钢筋锈蚀寿命模型 氯离子在混凝土中扩散积聚 ， 当达到氯离子临 界值 时， 钢筋开始锈蚀。影响钢筋开始锈蚀时间的 因素有 ： 原始氯离子含量 、 氯离子在混凝土 中的扩 散速度 、 临界氯离子浓度等 。 不考虑氯离子扩散系数的时间依赖性时 ， 钢筋 开 始锈 蚀 时间 t 按下 式计 算 ： 2 - 6 t =( c K ) 1 0 ( 1 ) 其中 K = 2 、 D e r f ( 1 一 ) ( 2 ) 式中， t 为钢筋 始锈蚀时间； c 为混凝土保护 层厚度 ； K为氯盐侵蚀系数 ； D为氯离 子扩散系数 ； e r f 为误差函数 ； Ms 为混凝土表面氯离子浓度 ； 为 钢筋 锈蚀 临界 氯离 子浓 度 。 需考虑氯离子扩散系数时间依赖性时 ， 钢筋开 始锈蚀时间 t 按下式计算 ： 4o 0 J 一 (。 (1一 )1 式 中 ， D 0 为检测时刻氯离子扩散 系数 ； 仪为氯 一 1 6一 离子扩散系数时间依赖性系数 ， 宜用每隔 2 3年实 测数据推算 的 D值确定 ，不能实测 时按下式确定 ： =0 2 + 0 4 ( F A 5 0 + S G 7 0 ) ，式中： F A为粉煤灰 占胶凝材料百分 比； S G为矿渣占胶凝材料百分比。 根据混凝 土 中氯离子分布检测结果推算氯离 子扩 散 系数 ： O o ： ( 4 ) 4 f0 I e r f ( 1 一 l x ， f0 ) I l 式中， D 0 为氯离子扩散系数 ； x为氯离子扩散深 度 ； t o 为结构建成至检测时的时间 ； M( x ， to ) 为检测时 x深 度处 氯 离 子浓 度 ； 为实 测 混凝 土表 面 氯离 子 浓 度 。 当不考虑氯离子扩散系数 的时间依赖性时 ， 取 D = D o ；需要考虑氯离子扩散系数时间依赖性时， 按 下式估算 ： D = D o ( to t ) 。 2 2 保护层锈胀开裂寿命模型 保护层锈胀开裂时间按下式估算 ： t 2 = t 1 +t c ，f c = c r ； t 1 ( 5) 式 中 ， 为钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂 的 时间 ； 6 为保护层开裂时钢筋临界锈蚀深度 ； 入 。 为 氯盐侵蚀环境保护层开裂前钢筋年平均锈蚀速率。 氯盐侵蚀 环境 影响钢筋 锈蚀 速率 的主要 因素 有 ： 氯离子浓度 、 环境温度 、 混凝 土电阻率 、 局部环 境条件等。混凝 土电阻率与水灰 比、 混凝土 中氯离 子含量 、 环境湿度有关 。干湿交替环境下钢筋锈蚀 速率最快。 临界钢筋锈蚀深度 6 按下式估算 ： 杆件 ( 角部钢筋 ) ： 6 o r = O 0 1 2 c d + 0 0 0 0 8 4 a + 0 0 1 8 ( 6 a ) 墙 、 板 ( 非 角部 钢筋 ) ： 6 r = O 0 1 5 ( c d ) + 0 O 0 1 4 a + O 0 1 6 ( 6 b ) 式 中 ， 为混凝 土抗 压强度评定值 ； d为钢筋 直 径 。 保护层开裂前钢筋年平 均锈蚀速率 入 按下式 计算 ： 入 1 = l 1 6 x i x l 0 。 ( 7) 式 中， j 为钢筋腐蚀电流密度。 普通硅酸盐混凝 土钢筋腐蚀 电流密度按下式 估算 ： l n i = 8 6 1 7 + 0 6 1 8 1 n M l 一 一 5 1 0 p + l n m ( 8 ) 一 ) _1 _ e rfI ) _ (9 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 4期 次产生 的出现可接受最大外观损伤时间的平均值 为 3 0 O l a ， 中位 数为 2 8 9 9 a ， 寿命小 于 2 2 3 9 a的概 率为 l 0 ， 寿命大于 3 8 6 8 a的概率 为 1 0 ， 寿命介 于 2 4 5 a到 3 2 5 a的概率为 4 9 0 3 。 图 3为 Mo n t e C a d o随机模 拟产生 的各个不确 定性参数对三个 耐久性阶段寿命 预测参数 的敏感 性分析结果 ， 图中数值表示各个不确定性参数对预 测参数的差异贡献率大小 ， 数据 中的正号表示与预 测结果的变化成正 比例关系 ， 负号表示与预测结果 的变化成反 比例关系。由图 3可 以看出 ， 混凝土保 护层厚 度是对氯离子侵蚀环境下 的混凝土结构耐 久性寿命预测结果影响最大 的参数 ， 其次为表面氯 离子浓度、 临界氯离子浓度以及氯离子扩散系数 。 ( a ) 钢筋开始锈蚀时 间 Co n t r i b u ti o nt oVa r i a n c eVi e w ( b ) 保护层开裂时间 ( C ) 混凝土表面出现可接受最大外观损伤时间 图 3 随机模拟 产生 的耐久性 寿命 的参数敏感性分析 一 1 8 4结 论 ( 1 ) 氯离子侵蚀 环境下 ， 钢筋锈蚀是决定结 构 耐久性寿命评估 的关键 ， 根据钢筋锈蚀的发生和发 展 ， 分析了结构性能的衰退过程。 ( 2 ) 给出了海洋环境下结构耐久性寿命评估模 型 ， 包括钢筋锈蚀寿命模型 、 保护层锈胀开裂寿命 模型以及结构表面出现可接受最大损伤耐久性 寿 命模型。 ( 3 ) 考虑影 响寿命模型参数 的不确定性 ， 采用 C r y s t a l B a l l 软件对混凝土构件 的耐久性寿命模型进 行 Mo n t e C a r l o随机模拟 ， 得到具有不确定性的预测 结果。这种模拟结果符合工程实际 ， 有一定 的实用 价值。 ( 4 ) 混凝土保护层厚度是对结构耐久性 寿命预 测结果影 响最大 的参数 ， 表面氯离子浓度 、 临界氯 离子浓度 、 氯离子扩散系数等表征海洋环境 中氯离 子浓度的参数也是影响结构耐久寿命 的重要参数。 因此 ，在海工混凝土结构 的耐久性寿命评估 中， 应 重视对保护层厚度及氯离子浓度的检测与确定。 参考文献 ： 【 1 D e b y F ，C a r c a s s e s M ， S e l l i e r A P r o b a b i l i s t i c a p p r o a c h f o r d u r a b i l i t y d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n ma rin e e n v i r o n me n t J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 5 ) ： 4 6 6 - 4 7 1 2 】 刘志 勇， 孙伟， 杨鼎宜， 等 基于氯离子渗透 的海工混凝土 寿命预测模型进展 J 工业建筑， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 6 1 - 6 4 3 吴瑾， 吴胜兴 氯离 子环境下钢筋混凝 土结构耐久性寿命 评估【 J 】 土木 工程学报， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 2 ) ： 6 2 - 6 6 4 刘沐宇， 林 驰， 高宏伟 桥梁生命周 期环境影 响的多级模 糊综合评价 J 土木工程学报， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 1 ) ： 5 5 5 9 【 5 N g u y e n V H ， N g o T A T S e r v i c e l i f e e s t i ma t i o n fo r C O I l c r e t e s t r u c t u r e s i n m a ri n e e n v i r o n m e n t【 C 】 P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ad mi x t u r e s E n h a n c i n g Co n c r e t e P e r f o rn la n c e ， 2 0 0 5 ：1 9 1 1 9 8 6 Ma r a n o G i u s e p p e C a r l o ，Q u a r a n t a G i u s e p p e ，S g o b b a S a r a F u z z y l i f e t i me p r e d i c t i o n 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 s u b j e c t e d t o c h l o ri d e s J I n d i a n C o n c r e t e J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 8 2 ( 2 ) ： 3 9 46 7 弓国军， 宋 晓冰， 孔启明 氯盐 污染 下混凝土 的电阻率 J 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 5 - 7 8 8 中国工程建设 标准化协 会 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7混 凝土结 构 耐久性评 定标 准 s 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 9 田冠 飞 氯离子 环境中钢筋 混凝土结 构耐久性 与可靠 性 研究【 D 北京： 清华大学， 2 0 0 6 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 7 作者简介 ： 尚垄( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 工程师。 通讯地址 ： 湖北省武汉市武 昌区东湖路 1 7号 联 系电话 ： 1 3 9 0 8 6 2 9 4 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m