钢筋混凝土碳化可靠度评估方法研究

庞 峻

0 引言

钢筋混凝土结构在使用过程中，不仅要承受各种荷载工况的作用，而且还要受到环境因素的影响。在环境因素和材料内部因素的作用下，混凝土的碳化引起内部钢筋锈蚀，导致结构的性能发生逐步的退化，从而使结构的承载能力下降，影响到主体结构的安全和正常使用性能。因此，对钢筋混凝土结构进行混凝土碳化可靠度评估及剩余碳化寿命预测，对混凝土的耐久性研究具有重要意义，并在做出维修加固决策时提供重要的参考依据。

1 混凝土碳化原理与碳化深度模型

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中二氧化碳渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为:

水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。

影响混凝土碳化速度的因素有很多。同时由于其本身施工质量和环境因素的多样性，因此混凝土的碳化是一个随机过程，很难较为准确的描述。目前国内外最常用的碳化模型为:

其中，D(t)为混凝土碳化深度的时间函数，mm;t为混凝土碳化时间，s;k为混凝土碳化系数，mm/年1/2。

碳化系数与水泥类别、用量、水灰比、养护条件、混凝土振捣质量及环境因素有关。由于各种因素的不确定性可将其看成一个随机变量函数，故其数学表达式为:

其中，α1为混凝土养护条件修正系数;α2为水泥类别修正系数;α3为环境条件修正系数。α1，α2，α3取值可由文献查得，而厂房结构所处环境较差，因此在对厂房混凝土结构进行碳化分析时应适当提高环境条件修正系数α3的参考权数。

2 钢筋混凝土结构碳化可靠度评估与剩余寿命预测

假设将混凝土碳化到达钢筋表面作为结构耐久性极限状态，设t为结构继续使用期内任意时刻，则结构耐久性功能函数可表示为:Z(t)=C－D(t)，于是t时刻混凝土构件的失效概率P(t)可表示为:

其中，PC(x)，P'C(x)分别为混凝土保护层厚度随变量C的概率分布函数和密度函数;PD(t)(x)，P'D(t)(x)分别为混凝土碳化深度在任意t时刻的概率分布函数和概率密度函数。

由于结构仅在保护层厚度大于碳化深度时才能处于安全可靠阶段，即结构在[t0，t0+T1]内只要某一时刻混凝土保护层厚度小于碳化深度，则代表结构失效，因此在[t0，t0+T1]内混凝土碳化失效概率Pf(t1)为:

将混凝土剩余寿命划分为若干个等长时间段，假设结构在各时间段的碳化深度随机变量为第i时刻的中点值，则各个时间段的失效概率可由式(3)计算求出。因此在剩余寿命阶段[t0，t0+T1]内的混凝土碳化失效概率可表达为:

另外混凝土失效事件在不同时间段内发生同时失效属于不可能事件，所以混凝土的失效概率又可表示为:

假设将钢筋混凝土结构的剩余寿命取为不同的值，利用式(6)可以计算得出结构在不同剩余寿命内的碳化失效概率。因此给定某一目标可靠指标值，则可对一结构的剩余碳化寿命做出预测判断。由于钢筋混凝土的失效概率不能准确预测，在满足计算精度要求的前提下，本文选用JC法进行初步计算，从而进一步得到相应的失效概率和可靠概率。

根据以上分析可知，事实上剩余碳化寿命大于结构剩余寿命的概率也就是结构在继续使用期[t0，t0+T1]内的混凝土碳化可靠概率。因为混凝土保护层碳化引起的钢筋锈蚀是全面均匀分布的，如果不采取任何加固维修措施，使钢筋发生锈蚀损坏最终会引起对结构耐久性的不良影响。因此在大气环境下，有时将混凝土保护层的碳化作为结构到达使用寿命的标志，以此作为结构使用寿命的终结标准显然过于保守。但是对于既有结构的混凝土碳化可靠度及剩余碳化寿命的评估预测，对于结构的定期检查和及时维修具有重要的意义。

3 工程案例分析

某化工厂房于2001年建成投入使用，于2004年对该结构混凝土框架梁柱进行全面检测。根据混凝土保护层厚度及碳化深度的实测数据，对结果数据进行统计分析，使用x2检验方法计算分析得到混凝土保护层厚度和碳化深度的统计参数如表1所示。

表1 混凝土保护层厚度和碳化深度实测结果

以2004年作为可靠度评估的起点时间，根据式(6)可计算出在不同继续使用期内的混凝土失效概率，进一步可知相应的可靠度指标，结果如表2所示。

表2 混凝土碳化可靠度指标

根据计算结果可以看出，该结构的碳化可靠度较高，这与实测结果数据基本趋于一致，如取目标可靠度指标为2.0(可靠概率为0.977)，则剩余碳化寿命为40年;如取目标可靠度指标为1.6(可靠概率为0.95)，则剩余碳化寿命为50年。

由于所取梁柱均为病害最为严重的构件，因此也可以将上述分析结果作为该结构的碳化可靠度及剩余碳化寿命的保守估计。仅从混凝土碳化的角度分析，除了对结构局部破损部位进行维修外，该厂房结构无需进行大的维修加固措施。

4 结语

混凝土碳化是导致内部钢筋锈蚀的主要原因之一，所以混凝土保护层厚度的完全碳化可作为钢筋混凝土结构耐久性失效的标志。因此，对既有钢筋混凝土结构的混凝土碳化可靠度及剩余碳化寿命进行研究分析，可以排除结构潜在的危险，为结构的维修加固等处理的决策提供重要的参考建议。但是由于影响碳化的因素较多和统计资料的缺乏，因此要对实际结构的混凝土碳化可靠度及剩余碳化寿命做出准确的预测，还有待于进一步的研究分析。

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