基于氣候環(huán)境作用的混凝土材料與結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測方法

王強強　蔣建華

摘要：為了提升自然氣候環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測精度，以混凝土受氯鹽侵蝕為背景，分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的全過程，并給出各關(guān)鍵階段使用壽命的計算模型；基于氣候環(huán)境作用譜、混凝土微環(huán)境響應(yīng)譜以及鋼筋銹蝕速率時變模型的相關(guān)研究成果，提出新建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的使用壽命預(yù)測方法，并給出算例說明；基于混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕量的等效，提出混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性試驗中的加速老化因子概念，并提出了基于人工氣候環(huán)境耐久性試驗的使用壽命預(yù)測方法。結(jié)果表明：該方法可以提高新建混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測精度，并且使人工氣候環(huán)境耐久性試驗的設(shè)計更具有針對性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；使用壽命；耐久性試驗；預(yù)測；鋼筋銹蝕

中圖分類號：TU375.1文獻標(biāo)志碼：A

0引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測與評估是新建結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和既有結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固等管理的重要依據(jù)。目前混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測主要有2種方式：一種是數(shù)學(xué)模型法，即直接運用相關(guān)的退化模型來計算使用壽命[1-3]；另一種是通過加速老化試驗，利用加速老化與實際自然環(huán)境老化的關(guān)系來預(yù)測使用壽命[4-5]。數(shù)學(xué)模型法運用較多，而且基本上都集中于混凝土受氯鹽侵蝕的壽命預(yù)測，缺乏對結(jié)構(gòu)使用壽命全過程的預(yù)測研究；同時在預(yù)測過程中，自然氣候環(huán)境對結(jié)構(gòu)使用壽命影響考慮不足。加速老化試驗設(shè)計的關(guān)鍵在于人工氣候環(huán)境的設(shè)計，即如何基于結(jié)構(gòu)的實際使用環(huán)境來設(shè)計人工氣候加速環(huán)境，目前對人工氣候環(huán)境的設(shè)計仍缺乏針對性。

為了提高自然氣候環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測精度，本文首先分析了氯鹽侵蝕條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的全過程，并給出各階段使用壽命的相關(guān)計算模型；然后基于氣候環(huán)境作用譜、混凝土微環(huán)境響應(yīng)譜以及鋼筋銹蝕速率時變模型的相關(guān)研究成果，提出混凝土材料與結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測，包括新建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的使用壽命預(yù)測和基于使用壽命預(yù)測的耐久性試驗設(shè)計方法。

1混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命全過程

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命終止是指鋼筋銹蝕后結(jié)構(gòu)性能劣化，使其可靠度下降到一定低的水平，不能滿足承載力、正常使用和耐久性要求[6-7]。合理確定耐久性極限標(biāo)準(zhǔn)是預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命終止的關(guān)鍵，目前不同學(xué)者對耐久性標(biāo)準(zhǔn)的定義持有不同看法。鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的最主要原因，因此結(jié)構(gòu)性能退化與混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕發(fā)展過程密切相關(guān)。Funahashi[8]提出以混凝土內(nèi)鋼筋開始銹蝕作為耐久性壽命終止的標(biāo)志，這樣雖然有一定的安全儲備，但僅考慮了鋼筋銹蝕破壞的第1階段，預(yù)測結(jié)果偏于保守，Liu等[9]將耐久性使用壽命終止標(biāo)志規(guī)定為混凝土保護層銹脹開裂，Andrade等[10]提出以鋼筋銹脹裂縫寬度達到0.3 mm作為耐久性使用壽命終止的標(biāo)志。

混凝土耐久性使用壽命終止標(biāo)志應(yīng)該根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的使用功能、使用環(huán)境以及結(jié)構(gòu)的重要性程度來確定[10]。結(jié)構(gòu)使用過程中存在幾個關(guān)鍵的時間段，即混凝土內(nèi)鋼筋開始銹蝕的時間T0、鈍化膜破壞至鋼筋銹脹開裂的時間Tcr、銹脹開裂至裂縫達到一定寬度的時間Tw。于是，根據(jù)使用條件和重要性，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命Td可以選擇為Td=T0或Td=T0+Tcr，或Td=T0+Tcr+Tw，這樣就可以通過確定關(guān)鍵時間段T0，Tcr，Tw得到結(jié)構(gòu)的使用壽命Td。

1.1氯鹽侵蝕下鋼筋鈍化膜破壞時的使用壽命

在氯鹽侵蝕環(huán)境下，混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的前提是鈍化膜的失效，因此確定氯鹽侵蝕條件下混凝土保護層失效的時間就可以確定T0[11-13]。

影響混凝土材料氯鹽侵蝕使用壽命的主要因素包括混凝土水灰比W、環(huán)境氯離子濃度Cs、混凝土微環(huán)境溫度t、微環(huán)境相對濕度H。綜合余紅發(fā)等[14-15]的研究成果，提出考慮多因素影響的混凝土氯離子侵蝕預(yù)測模型如下

1.2鋼筋銹脹開裂時的使用壽命

鋼筋銹脹開裂時的使用壽命Tcr指的是從鋼筋鈍化膜破壞到混凝土保護層銹脹開裂所需要的時間。利用彈性力學(xué)分析方法，并考慮鋼筋-混凝土交界面過渡區(qū)影響，提出在氯鹽侵蝕條件下混凝土保護層銹脹開裂時的鋼筋銹蝕率表達式為

ηcr=0.010 9W-0.004+[2μrustErust+（R0+c）μccEc]·

（0.3+0.3cR0）ftk/[2（n-1）]（2）

式中：ηcr為鋼筋銹脹開裂銹蝕率；μrust為銹蝕層泊松比；Erust為銹蝕層彈性壓縮模量；Ec為混凝土彈性模量；c為混凝土保護層厚度；R0為鋼筋原始半徑；ftk為混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；n為鋼筋銹蝕時的體積自膨脹率；μc為混凝土泊松比。

同時，根據(jù)法拉第定律，鋼筋銹蝕量與銹蝕電流密度（銹蝕速率）的關(guān)系式為

ΔM=MAn′F∫τ0ic（τ）dτ（3）

式中：ΔM為陽極溶解的鋼筋質(zhì)量；M為鐵的摩爾質(zhì)量；A為鋼筋的表面積；n′為銹蝕產(chǎn)物鐵離子的電荷數(shù)，可取n′=2；F為法拉第常量，取為96 500 C·mol-1；ic（τ）為鋼筋銹蝕電流密度，可以根據(jù)鋼筋銹蝕速率時變模型[16-17]進行計算。

首先確定鋼筋銹蝕速率（銹蝕電流密度）的時變過程，然后基于鋼筋銹脹開裂銹蝕率ηcr，計算得到鋼筋銹脹開裂時間τcr，則Tcr=τcr。

1.3鋼筋銹脹裂縫達到一定寬度時的使用壽命

鋼筋銹脹裂縫達到一定寬度時的使用壽命Tw指的是從混凝土保護層銹脹開裂到銹脹裂縫達到一定寬度所需要的時間。首先建立銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕量之間的關(guān)系，然后再利用鋼筋銹蝕量與銹蝕電流密度的關(guān)系來計算Tw。

吳慶[18]給出了氯離子侵蝕下構(gòu)件表面順筋裂縫寬度與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系模型，即

ω=-0.036 3η2sα2s+0.341 8ηsαs-0.001 1（4）

式中：ω為鋼筋銹脹裂縫寬度；ηs為鋼筋銹蝕率；αs為銹蝕面積擴展系數(shù)，當(dāng)ω≤0.5 mm時，αs=0.5，當(dāng)ω>3.0 mm時，αs=1.0。

于是根據(jù)鋼筋銹蝕量與銹蝕電流密度的關(guān)系，使用壽命Tw可以利用下式計算，即

M0（ηs-ηcr）=MAn′F∫Tw0i′c（τ）dτ（5）

式中：i′c（τ）為鋼筋銹脹開裂后的銹蝕電流密度變化；M0為鋼筋初始質(zhì)量。

將銹蝕電流密度變化的函數(shù)代入式（5），對等號右邊進行積分后就成為銹蝕量關(guān)于Tw的方程，在銹蝕量已知的情況下求解該方程即可得Tw的值。

何世欽[19]通過試驗總結(jié)出銹蝕混凝土梁內(nèi)部鋼筋銹蝕率與剩余承載力的關(guān)系為

ηLC=1-0.013 45ρs（6）

式中：ηLC為極限承載力降低系數(shù)，即銹蝕梁的承載力與未銹蝕對比梁極限承載力的比值；ρs為鋼筋的銹蝕率。

通過式（5），（6）可以得出當(dāng)混凝土保護層出現(xiàn)銹脹開裂之后，結(jié)構(gòu)的剩余承載力與裂縫寬度的關(guān)系。

2新建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的使用壽命預(yù)測2.1使用壽命預(yù)測步驟

基于前文的混凝土結(jié)構(gòu)全過程使用壽命定義，以及考慮環(huán)境作用影響的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率預(yù)測方法，提出的新建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命預(yù)測步驟如圖1所示，其中，VG為設(shè)定的使用壽命，VD為計算使用壽命。

2.2新建結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測算例

假設(shè)某地區(qū)一新建工業(yè)混凝土構(gòu)筑物處于自然氣候環(huán)境無遮擋條件下，并受到氯鹽環(huán)境污染，混凝土強度等級為C25，水灰比W=0.54，采用普通硅酸鹽水泥，混凝土保護層厚度c=30 mm，混凝土內(nèi)主筋為直徑14 mm的HRB335級鋼筋。本文算例只預(yù)測鋼筋銹脹開裂時的使用壽命Tcr，下面闡述具體過程。

2.2.1氣候環(huán)境作用譜的建立

（1）溫度作用譜

基于該地區(qū)完整1年的環(huán)境大氣溫度資料，采用三分割法并考慮日照影響的修正，建立自然氣候環(huán)境的溫度作用譜[20]。圖2為2009年6月份的環(huán)境溫度作用譜。

（2）相對濕度作用譜

對于新建混凝土結(jié)構(gòu)而言，由于制作混凝土?xí)r加入的水量超過了水泥水化所需要的水量，從而造成固化混凝土中含有富余的水分，混凝土內(nèi)相對濕度較大，通常大于95%。因此，可以采用月平均的方式對環(huán)境相對濕度資料進行簡化處理[21]。圖3為結(jié)構(gòu)所在地2009年全年的環(huán)境相對濕度作用譜。

同時，考慮到無遮擋條件下自然降水對混凝土微環(huán)境含濕量的影響，統(tǒng)計了當(dāng)?shù)亻L年的歷史降水量資料，圖4為各月份結(jié)構(gòu)所在地的平均降水量分布。

2.2.2混凝土微環(huán)境響應(yīng)譜的構(gòu)建

（1）溫度響應(yīng)譜

構(gòu)建基于自然氣候環(huán)境的溫度作用譜，首先利用溫度響應(yīng)預(yù)測模型計算混凝土內(nèi)鋼筋表面處的溫度響應(yīng)值[22]。計算時取當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速Fv=2.2 m·s-1，考慮降水的影響，取混凝土內(nèi)年平均孔隙水飽和度S=0.9。然后基于計算得出的混凝土內(nèi)溫度響應(yīng)預(yù)測值，以月平均的形式得到完整1年的混凝土溫度響應(yīng)譜，如圖5所示。

（2）孔隙水飽和度響應(yīng)譜

利用已經(jīng)建立的混凝土微環(huán)境溫度響應(yīng)譜，并借助混凝土孔隙水飽和度與溫度、相對濕度的關(guān)系模型[23]，計算得出混凝土的孔隙水飽和度響應(yīng)譜，如圖6所示。

2.3計算鋼筋銹蝕電流密度

基于混凝土微環(huán)境溫度和孔隙水飽和度的響應(yīng)譜，利用鋼筋銹蝕速率時變模型預(yù)測自然氣候環(huán)境下混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率變化。圖7為混凝土內(nèi)鋼筋鈍化膜破壞以后鋼筋銹蝕電流密度的預(yù)測結(jié)果。

2.2.5計算銹脹開裂所需時間

基于混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率（銹蝕電流密度）的預(yù)測結(jié)果，利用鋼筋銹蝕電流密度與銹蝕量的關(guān)系式（3），計算鋼筋達到開裂銹蝕量所需的時間。經(jīng)計算，自鋼筋鈍化膜破壞起到混凝土保護層銹脹開裂所需時間Tcr=1 897 d，約為5.2年。

3混凝土材料與構(gòu)件的耐久性試驗

耐久性試驗是進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究、預(yù)測的重要途徑和手段，在實驗室開展耐久性試驗，必須遵循3個原則，即加速原則、相似原則與定量原則[24]?；谧匀粴夂颦h(huán)境作用譜以及鋼筋銹蝕速率預(yù)測的研究成果，本文提出以耐久性試驗環(huán)境對服役環(huán)境的加速老化因子為基準(zhǔn)的人工氣候環(huán)境設(shè)計方法，從而使耐久性試驗的人工氣候環(huán)境設(shè)計具備針對性。

3.1耐久性試驗的加速老化因子

加速老化試驗的目的是預(yù)測材料或結(jié)構(gòu)的壽命。目前，在混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，利用加速老化試驗來預(yù)測結(jié)構(gòu)耐久性的基本思路主要是建立結(jié)構(gòu)在加速老化試驗中的壽命與結(jié)構(gòu)實際使用壽命之間的關(guān)系?；炷羶?nèi)鋼筋的銹蝕速率是一個時變量，而且在人工氣候環(huán)境與自然氣候環(huán)境中由于環(huán)境條件的差異，混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率的時變過程存在差異，從而造成加速老化試驗中的混凝土結(jié)構(gòu)性能退化速率與實際結(jié)構(gòu)性能退化速率并不是簡單比例關(guān)系，兩者之間的關(guān)系可以通過建立數(shù)學(xué)模型來確定。

基于混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕量（損傷累積）等效的原則，加速老化因子定義為2種試驗環(huán)境下混凝土內(nèi)鋼筋達到相同銹蝕量所需時間之比，即

3.2人工氣候環(huán)境設(shè)計方法

加速老化試驗的人工氣候環(huán)境設(shè)計主要涉及2個方面的內(nèi)容：一是人工侵蝕環(huán)境的設(shè)計；二是人工氣象過程的設(shè)計。

3.2.1人工侵蝕環(huán)境的設(shè)計

沿海大氣環(huán)境條件下需考慮氯離子侵蝕引起混凝土中鋼筋銹蝕。首先對實際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所處氯鹽侵蝕環(huán)境進行調(diào)查分析，確定環(huán)境中的氯離子濃度，然后確定人工加速氯離子侵蝕的強度以及方式。對于模擬大氣環(huán)境并加速氯離子侵蝕的方式，可以采用鹽霧試驗法或電遷移法。鹽霧試驗法主要適用于高濕環(huán)境下的氯離子侵蝕情況。

3.2.2人工氣象過程的設(shè)計

目前，實驗室人工氣象過程的設(shè)計主要包括設(shè)定環(huán)境的溫度和相對濕度。人工氣象過程的設(shè)計最終是為了加速混凝土材料或構(gòu)件的耐久性退化，并據(jù)此預(yù)測試驗對象在實際使用環(huán)境下的耐久性壽命。因此，在設(shè)定環(huán)境溫度和相對濕度時，必須基于人工氣候環(huán)境與使用環(huán)境之間的加速老化因子，使人工氣候環(huán)境的設(shè)計具有針對性。為了方便人工氣候環(huán)境的設(shè)計，基于具體使用環(huán)境，可以首先建立人工氣候環(huán)境與加速老化因子的初步關(guān)系。

3.3基于人工氣候環(huán)境耐久性試驗的使用壽命預(yù)測步驟

以大氣環(huán)境氯離子侵蝕引起混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕為例，提出的基于耐久性試驗的使用壽命預(yù)測步驟如圖8所示，其中，LD為根據(jù)工程情況確定的混凝土氯離子侵蝕和鋼筋銹蝕的耐久性試驗周期。

結(jié)語

（1）分析了混凝土材料與結(jié)構(gòu)使用壽命的全過程，使用壽命全過程包括混凝土內(nèi)鋼筋開始銹蝕的時間T0（碳化壽命或氯鹽侵蝕壽命）、鈍化膜破壞至鋼筋銹脹開裂的時間Tcr、銹脹開裂至銹脹裂縫達到一定寬度的時間Tw，并結(jié)合相關(guān)研究成果給出了考慮混凝土微環(huán)境影響的階段壽命計算模型。

（2）提出了基于環(huán)境作用譜、混凝土微環(huán)境響應(yīng)譜的新建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的使用壽命預(yù)測方法，并進行了算例說明。

（3）基于混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕量的等效，提出了混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性試驗中加速老化因子的概念，并提出了基于人工氣候環(huán)境耐久性試驗的使用壽命預(yù)測方法。參考文獻：

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