碳化環境下混凝土結構耐久性模型的更新方法

　　摘 要：碳化環境下的混凝土結構耐久性模型，是基于擴散理論、快速試驗、自然暴露試驗以及工程經驗建立的。由于結構固有的不確定性和服役環境的復雜性，理論模型的預測結果與實際結構檢測的耐久狀況存在較大偏差。該文利用工程耐久性檢測獲得的碳化深度、檢測鋼筋銹蝕比例、檢測混凝土開裂比例，綜合先驗知識，基于貝葉斯理論，提出碳化環境下的耐久性模型更新方法。結合結構實際的檢測結果，經過更新的耐久性預測模型與待評估結構實際耐久狀況更相符。依此模型進行相應剩余耐久壽命的概率預測和耐久性評級，為既有結構耐久性評估提供參考。

　　關鍵詞：耐久性評估;碳化環境;檢測信息;模型更新;壽命預測

　　鋼筋混凝土結構是現存最廣泛的建筑結構形式，碳化環境下混凝土結構的耐久性問題，是目前我國既有混凝土結構普遍存在的問題。受碳化影響較嚴重的結構，如工業廠房結構(常年處于高溫高濕環境)、交通隧道和地下結構(交通廢氣中的CO2積聚到較高水平)等，結構潛在的使用壽命主要取決于碳化速率和隨后的鋼筋腐蝕[1−4]。

　　對碳化深度和鋼筋銹蝕的準確預測，是結構維護與維修決策的關鍵。在倡導可持續發展的今天，通過利用既有混凝土結構的無損檢測信息，綜合理論知識、實際環境和結構的歷史損傷狀態，采用概率方法對耐久性模型進行更新，并利用更新后的模型預測結構的剩余耐久壽命，建立基于概率的耐久性評估方法，具有重要的工程意義。

　　混凝土論文范例：市政道路工程瀝青混凝土路面施工常見問題及應對措施

　　國內外的耐久性評估標準，如我國《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355−2019)[1]，日本的“Standard Specifications for Concrete Structures”[5]，美國的“Life-365 Service Life PredictionModel”[6]等，采用的耐久性評估與預測模型，均是基于擴散理論、快速試驗、自然暴露試驗以及工程經驗建立的半理論半經驗模型。規范對結構耐久性的評估，采用了確定性的方法，忽略了模型本身的不確定性。國內外學者提出了基于概率的既有混凝土結構耐久性評估與壽命預測方法[7−11]，對于碳化環境下的更新，主要針對碳化深度預測模型，而針對鋼筋初始銹蝕模型及保護層初始銹脹開裂模型，目前尚無相應的更新方法。

　　實際工程中，鋼筋銹蝕和保護層銹脹開裂的檢測結果，與模型的計算結果差異較大[12]，這與結構實際服役環境的復雜性、結構固有的不確定性及試驗材料和試驗條件的差異性相關[1]。對結構進行耐久性檢測，可以提高對結構及環境作用歷史的認識，充分利用檢測信息，能在一定程度上更新結構未來的耐久性失效概率[13]。

　　碳化環境下的耐久性無損檢測可獲得的信息包括：混凝土強度、保護層厚度、碳化深度、銹蝕鋼筋比例和可觀測到的混凝土順筋裂縫。目前基于這些信息提出的耐久性失效概率更新方法有兩種：一種是由Suo和Stewart等[14]提出基于貝葉斯理論的失效結果更新方法，通過當前的銹蝕/開裂樣本比例，更新未來的銹蝕/開裂概率，更新過程僅以時間為自變量，僅能對未來的現象進行更新;第二種是通過對耐久性參數分布的貝葉斯更新，實現對失效概率預測的更新，更新效率依賴于參數樣本的數量和信息的準確性。

　　目前尚未提出基于當前檢測的銹蝕/開裂樣本比例，通過模型更新獲得更貼近所檢測結構實際狀況的耐久性失效模型的方法。鑒于此，本文基于無損檢測獲得的碳化環境下的耐久性相關信息，采用貝葉斯理論，提出更適用于檢測結構的耐久性失效模型(鋼筋初始銹蝕模型、保護層初始銹脹開裂模型)的更新方法，并根據更新后的耐久性模型，對所檢測結構的剩余耐久壽命進行概率預測，完善基于概率的耐久性評估理論。本文使用了《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355−2019)中的耐久性模型，旨在給出模型的更新方法。

　　1 混凝土結構碳化環境下的耐久性模型

　　混凝土的碳化，又稱混凝土的中性化，是空氣中的CO2氣體向混凝土內部擴散，并與混凝土孔隙中的堿性水溶液及各水化產物發生物理化學反應的過程[15]。碳化會降低孔隙中溶液的PH值，對混凝土中鋼筋的電化學穩定性產生不利影響。當PH值降至9時~11時，鋼筋開始脫鈍，并逐漸銹蝕，銹蝕產物的體積是鋼筋體積的2倍~6倍，隨著銹蝕量的增加，混凝土保護層開裂，隨后裂紋不斷擴展[16]。

　　一般將上述過程劃分為3個階段：鋼筋初始銹蝕階段、混凝土保護層初始銹脹開裂階段和裂縫不斷擴展階段[1]。碳化耐久性分析中，碳化速率和鋼筋銹蝕速率與環境相對濕度、相對溫度、CO2濃度、混凝土材料特性(水泥品種、水灰比)、混凝土保護層厚度等相關。考慮到影響因素的可檢測性，《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355−2019)，給出了適用于多數現存混凝土結構碳化環境下的耐久性工程模型。

　　1.1 碳化深度預測模型

　　混凝土中膠凝材料水化后，孔隙水溶液中含有大量的K+、Na+、Ca2+和OH−，溶液PH值約為13左右，呈高度堿性。大氣中的CO2通過孔隙結構遷移到混凝土中，并與混凝土中的Ca(OH)2反應，稱為“碳化”，碳化反應方程式主要為[17]：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O(1)水泥漿中的其他礦物成分，也可以與孔隙溶液中溶解的CO2發生反應，包括硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸鹽等。碳化深度的工程預測模型，在Fick定律的基礎上，考慮為暴露時間的平方根函數[18]。

　　1.2 鋼筋初始銹蝕模型

　　碳化導致混凝土孔隙溶液的PH值降低，破壞了預埋鋼筋的電化學穩定性，導致鋼筋脫鈍，并引發銹蝕。理論上，當碳化深度達到鋼筋表面時，鋼筋初始銹蝕。而實際工程發現，有時碳化尚未達到鋼筋表面但鋼筋已經發生銹蝕，有時碳化超過了鋼筋表面但鋼筋尚未銹蝕[20]。部分學者稱碳化前沿與鋼筋表面的區域為不完全碳化區[21]，《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355−2019)定義為碳化殘量，并根據工程經驗。

　　2 基于無損檢測信息的模型更新方法

　　采用《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344−2004)[22]、《混凝土結構現場檢測技術標準》(GB/T50784)[23]和《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T 23−2011)[24]的方法，對既有混凝土結構展開調查檢測，獲得的無損檢測信息包含混凝土強度、碳化深度、保護層厚度、通過半電池電位法確定的鋼筋銹蝕狀況，以及可觀測到的混凝土表面開裂情況。

　　本節利用檢測獲得的定性或定量耐久性相關信息，采用貝葉斯理論，提出對前述碳化深度預測模型、鋼筋初始銹蝕模型、混凝土保護層初始銹脹開裂模型的更新方法，減小模型計算結果與實際結構耐久情況的差異，提高模型準確性，用于結構剩余耐久年限的預測，并依托《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T51355−2019)進行混凝土結構耐久性評級。

　　3 實例分析

　　我國目前處于結構新建與維修改造并重階段，現存了大量的既有混凝土結構，需要進行可靠的耐久性能評估，以做出合理的維修加固或改造決策[15]。工程實踐表明，混凝土中的鋼筋銹蝕是導致結構性能退化的最主要因素。對一般室內環境建筑，通常可以維持50年不維修，對室外環境，使用30年−40年即需要維修，對南方潮濕地區，使用20年−30年即維修，對重工業建筑，使用25年−30年即需大修，對惡劣環境下的建筑，一般10年−20年就出現嚴重損害[27]。采用文中方法，基于工程檢測信息，可綜合先驗信息和結構服役的歷史耐久性能，對由理論和實驗獲得的耐久性機理模型進行更新和修正，以預測未來的損傷和耐久壽命，同時依托《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355−2019)，對結構做出合理的耐久性評估。此處引入文獻[19]中的工程實例，說明本文方法的適用性。

　　3.1 基本信息實例為武漢鋼鐵公司江心水站，建于1957年，檢測時已使用44年，具體介紹參見文獻[19]。為排除其他因素的影響，本文僅考慮水站主體結構中的內筒內部鋼筋混凝土梁板評定單元。

　　根據測試結果，環境相對溫度為34.1oC，相對濕度為68%。采用回彈法測試混凝土強度，并用回彈超聲綜合法進行復核，得到混凝土強度等級為35.3 MPa。單元內布置10個測區測定混凝土碳化深度，每個測區呈品字形布置三個測孔，孔深控制在40 mm左右，用氣筒清除孔內粉末，用布擦干凈后噴灑1%酒精酚酞溶液，等變色后用游標卡尺測量碳化深度(每孔在相對邊測2個數據，精確至0.1 mm)。

　　共檢測混凝土碳化深度樣本60個，統計分析樣本平均值為20.7 mm，樣本標準差為3.9 mm，變異系數為0.19。對混凝土保護層厚度進行檢測并統計，發現其變異性較大，共檢測樣本20個，樣本統計均值為41.4 mm，標準差為17.9 mm，變異系數為0.43。對混凝土中的鋼筋銹蝕狀況進行測試和評定，采用鋼筋銹蝕測試儀和打孔抽查的方法，測點與混凝土保護層厚度測點相同，共20個樣本，均未發現鋼筋有任何銹蝕現象。

　　4 結論

　　由于工程結構服役環境的復雜性、結構自身的不確定性及試驗材料和試驗條件的差異性，目前基于機理的碳化環境下混凝土結構耐久性模型的預測結果，與檢測結構的實際耐久性狀態具有較大差異。本文基于無損檢測信息，提出了碳化環境下混凝土結構耐久性模型的更新方法，并根據更新后的耐久性模型，對所檢測結構的剩余耐久壽命進行概率預測。采用更新后的預測結果，結合《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T51355−2019)中的耐久性評級方法，對所檢測結構進行構件耐久性評級。本文提出的耐久性模型更新方法具有普適性，而更新后的耐久性模型和評估結果，結合了待評估結構的無損檢測信息，具有針對性。

　　參考文獻：

　　GB/T 51355−2019, 既有混凝土結構耐久性評定標準[S].北京: 中國建筑工業出版社, 2019.GB/T 51355−2019, Code for durability assessment ofexisting concrete structures [S]. Beijing: ChinaArchitecture and Building Press, 2019. (in Chinese)

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　　[3]邢國華, 武名陽, 常召群, 等. 銹蝕預應力混凝土梁承載力及破壞模式研究[J]. 工程力學, 2020, 37(7): 177 −188

　　作者：谷 慧，李全旺，侯冠杰

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