基于耐久性指标的桥梁承载能力检测评定研究

申磊 马磊磊

1 河南省交通科学技术研究院有限公司（450006）2 郑州市市政工程管理处（450001）

基于耐久性指标的桥梁承载能力检测评定研究

申磊1马磊磊2

1 河南省交通科学技术研究院有限公司（450006）2 郑州市市政工程管理处（450001）

对影响桥梁承载能力检测评定的耐久性指标进行分析研究，论述了耐久性指标（钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、碳化、钢筋保护层厚度、氯离子含量及混凝土强度）的无损检测方法、抽检数量及测试原理，并分析了耐久性指标的影响因素和不确定性。

承载能力；无损检测；耐久性指标；随机性；不确定性

0 引言

在役桥梁承载能力基于概率理论的极限状态设计方法，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行检测评定，从原来《公路旧桥承载能力鉴定办法（试行）》[1]中由专家经验确定的旧桥检算系数到现在采用基于检测结果定量化的分项检算系数进行修正极限状态设计表达式。

承载能力恶化系数是评定期内桥梁结构质量状态衰退恶化对结构抗力效应产生不利影响的修正系数[2]。恶化状态评定的耐久性指标权重及检测测区数量如表1所示。

表1 耐久性指标权重及检测测区数量

1 钢筋锈蚀电位检测方法与随机性分析

混凝土中钢筋锈蚀电位检测宜采用半电池电位法，参考电极可采用铜/硫酸铜半电池电极，依据《混凝土中钢筋检测技术规程》（JGJ/T 152-2008）[3]进行检测。

半电池电位法，通过测定钢筋/混凝土作为一个电极与在混凝土表面的Cu+CuSO4饱和溶液参考电极之间的电位差，评定钢筋的锈蚀状态[4]。Cu+CuSO4饱和溶液参考电极结构图和测试系统示意图分别如图1、2所示。

图1 铜/硫酸铜参考电极结构图

图2 测试系统示意图

混凝土中钢筋锈蚀是一个复杂的电化学过程，是影响结构耐久性的重要因素，实际工程中通常测量钢筋的锈蚀电位来反映锈蚀程度。但在钢筋锈蚀电位测量中，钢筋、混凝土和检测仪器共同组成一个电路系统，其检测结果受到诸多因素的综合影响，如环境湿度、水灰比、保护层厚度、氯离子含量、混凝土表面状况以及钢筋间距等。因此，对同一构件测出的钢筋锈蚀电位不是一个确定的值，而是具有一定波动的随机变量。目前有关钢筋锈蚀状况以及电位的概率分布特征的研究还比较少，并且没有一致的结果。

2 混凝土电阻率检测方法与随机性分析

混凝土电阻率测试采用基于Wenner法[5]的四电极电阻率测试仪，探头间距50 mm，测试示意图如图3所示。在混凝土表面等间距接触四支电极，两个内侧电极为电压电极，两个外侧的电极为电流电极，通过检测两个电压电极间的电阻即可获得混凝土结构的电阻率。

式中:V为电压电极间所测电压；I为电流电极通过的电流；a为电极间距。

图3 混凝土电阻率测试技术示意图

混凝土电阻率是研究钢筋混凝土耐久性重要指标之一，也是反映混凝土中钢筋腐蚀速度的重要因素。一般而言，对在役钢筋混凝土结构电阻率的检测除受检测方法、环境条件、施工工艺质量影响外，还受混凝土材料组成有关，如水灰比、凝胶材料种类、水泥用量、矿物掺合料等。这些影响因素本身具有一定的随机性和不确定性，可能导致现场对混凝土结构或构件电阻率检测结果不是一个确定的值，而是一种具有一定概率特征综合随机变量。

3 混凝土碳化检测方法与随机性分析

混凝土碳化是周围环境中的CO2渗入到混凝土内部,与水泥石中的碱性物质发生反应的过程。配筋混凝土构件中的钢筋在碱性混凝土环境的保护作用下处于钝化状态，而碳化会使钢筋失去碱性环境的保护，钢筋就易发生锈蚀。混凝土碳化深度结合钢筋保护层厚度，可评判混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响。

混凝土碳化状况可采用在混凝土新鲜断面观察酸碱指示剂反应厚度的方法测定，依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）[6]对构件碳化深度值进行测量。

混凝土碳化与混凝土自身质量，如混凝土水灰比、可碳化物质含量，强度等级及混凝土密实程度等；同时也与混凝土结构服役环境和荷载作用有关，如环境的温度与湿度、CO2浓度、荷载作用方式及大小等。由于材料的因素、环境的变化、荷载作用因素有很大的随机性，因此混凝土碳化深度中也存在大量不确定性以及分布的不均性，应用统计的方法分析在役混凝土结构碳化深度较为合理。

通过理论分析和试验验证，大气环境下碳化深度、碳化速度系数和结构服役时间三者的关系为[7-9]:

4 钢筋保护层厚度检测方法与随机性分析

混凝土对钢筋的保护作用主要有两个方面，一是高碱性的混凝土在钢筋表面形成钝化膜，二是阻止外界腐蚀介质、氧气、水分等的渗入。第二种作用主要取决于保护层的厚度和混凝土的密实度。钢筋保护层厚度依据《混凝土中钢筋检测技术规程》（JGJ/T 152-2008）[3]可采用电磁检测方法进行无损检测。

由于施工误差以及结构或构件在使用过程中保护层不可避免受到磨损和剥落等损伤，与设计混凝土保护层厚度相比实际保护层厚度有较大的变异，甚至超过了规范规定。因此，混凝土结构保护层厚度并不是一个确定值，而是一个具有一定变异性的随机变量。

5 氯离子含量检测方法与随机性分析

氯离子通过混凝土的毛细孔隙进入混凝土内部时，会与混凝土中的碱性物质发生化学反应而破坏钢筋的钝化膜,是诱发钢筋锈蚀的重要因素，为了避免钢筋过早锈蚀，需要对混凝土原材料中氯离子的含量进行严格地控制。

混凝土中氯离子含量，可采用在结构构件上钻取不同深度的混凝土粉末样品的方法通过化学分析进行测定。依据《混凝土中氯离子含量检测技术规程》（JGJ/T 322-2013）[10]，对既有结构或构件钻取混凝土芯样,并对混凝土中的氯离子含量进行测试。

混凝土中的氯离子主要由两部分组成:一部分是混凝土组成材料带进混凝土的氯离子,如拌和水、水泥、细骨料、粗骨料、矿物掺和料以及各种外加剂等；一部分是通过混凝土保护层由外界环境侵入混凝土内部的氯离子。目前，针对氯离子侵入混凝土的传输机理是十分复杂的,包括离子扩散作用、渗透作用、毛细作用、电化学迁移作用以及不同作用的组合[11]。对于这一过程，主要模型就是用Fick第二定律解释，该模型主要采用随时间变化的表面氯离子浓度和扩散系数。从而不可避免的要考虑各种因素对它的影响，包括混凝土材料自身性能、养护条件、环境的温度和湿度及所受的荷载状态等因素[12]。由于这些影响因素的随机变异性决定了氯离子在混凝土中的扩散和积聚是一个随机过程。

6 混凝土强度检测方法与随机性分析

对桥梁混凝土强度，应在主要构件或主要受力部位布置测区，采用回弹法、超声回弹综合法、取芯法等进行检测。依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）[6]对构件布设测区回弹值测量。

影响混凝土强度因素很多,主要有骨料级配、水灰比、水泥强度等级、凝胶材料种类、外加剂、施工质量以及养护条件等。由于这些因素具有很大的随机性而引起混凝土强度变异，所以对于构件不同部位混凝土强度不是一个确定的值，而是一个随机变量。

根据《公路工程结构可靠度设计同一标准》（GB/T 50283-1999）[13]，通过对全国范围内重点桥梁工地和预制厂进行调查，同时收集已建桥梁存档试验数据，对取得接近3万各级强度数据，经参数估计和概率分布的假设检验，表明结构中混凝土强度满足不拒绝正态分布。

7 结论

通过对影响桥梁承载能力检测评定的耐久性指标分析研究，得到以下结论:

1）选取耐久性指标（钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、碳化、钢筋保护层厚度、氯离子含量及混凝土强度）适宜的无损检测方法。

2）影响桥梁承载能力检测评定的耐久性指标具有一定的随机性和不确定性，是具有一定概率特征综合随机变量。

3）混凝土强度满足不拒绝正态分布。

[1][(88)公路技字11号].公路旧桥承载能力鉴定办法（试行）[S].北京:人民交通出版社,1989.

[2]JTG/T J21-2011.公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3]JGJ/T 152-2008,混凝土中钢筋检测技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4]杜朝伟,赵卓,尚刚,等.在役桥梁结构检测鉴定与加固技术[M].郑州:黄河水利出版社,2013.

[5]赵卓,蒋晓东.受腐蚀混凝土结构耐久性检测诊断[M].郑州:黄河水利出版社,2006.

[6]JGJ/T 23-2011,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7]赵尚传,赵国藩.混凝土结构碳化寿命的概率模型研究[J].四川建筑科学研究,2002,1(28):24-26.

[8]刘志勇,孙伟.多因素作用下混凝土碳化模型及寿命预测[J].混凝土,2003,12(3):3-7.

[9]朱民安.混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性[J].混凝土,1992, (6):18-22.

[10]JGJ/T 322-2013.混凝土中氯离子含量检测技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[11]张奕.氯离子在混凝土中运输机理研究[D].浙江:浙江大学,2008.

[12]AD AM N EV I LL E.Ch1oride attack of reinforced concrete:an overview[J].Materia1s and Structures,1995,28: 63-70.

[13]GB/T 50283-1999,公路工程结构可靠度设计同一标准[S].北京:中国计划版社,1999.