考虑钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁剩余寿命预测

考虑钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁剩余寿命预测上海交通大学硕士学位论文考虑钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁剩余寿命预测姓名闫玉海申请学位级别硕士专业结构工程指导教师刘西拉200221摘要考虑钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁剩余寿命预测摘要钢筋混凝土结构耐久性是当今研究的热点。混凝土中的钢筋腐蚀是混凝土结构耐久性的主要影响因素之一,对结构构件造成了巨大的、危害。本文的研究目标就是钢筋混凝土梁在受钢筋腐蚀影响情况下的剩余寿命预测。本文比较了国内外几个混凝土中钢筋腐蚀模型,重点分析了外部环境因素对钢筋腐蚀速度的影响,并在此基础上建议了温度对钢筋腐蚀速度的影响系数,从而进一步完善了宋晓冰提出的钢筋腐蚀模型。基于发展后的混凝土中钢筋腐蚀模型和方法的思路,参照西安建筑科技大学钢筋混凝土梁受弯时钢筋腐蚀引起的抗力衰减模、型和可靠性鉴定中的分级思想本文提出了钢筋混凝土结构构件耐久性等级划分的标准,并得到了、四个等级的累积概率分布曲线图,为钢筋混凝土梁剩余寿命预测提供了直观明了的方法。对上述整个过程,论文进行了完整的程序实现,对宋晓冰博士编、制的混凝土中钢筋腐蚀速度计算软件进行了升级除进一步完善了钢筋腐蚀模型外,还增添了钢筋混凝土梁的抗力衰减模型,并加入了钢筋混凝土梁各等级的累积概率曲线的绘制功能,形成了新。版本的基于钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁剩余寿命预测软件在新的版本下,钢筋腐蚀对混凝土耐久性的影响更加直观明了,用户摘要界面更加友好。最后,利用这一程序,比较了全国范围内数个代表性城市的累积概率分布曲线,分析了环境因素,尤其是温度对湿度对钢筋混凝土构件剩余寿命及等级变化趋势的影响。关键词钢筋混凝土耐久性,剩余寿命腐蚀,温度,抗力衰减塑墨,摘要一一,一,第一章绪论第一章绪论工程结构的可靠性包含安全性、适用性和耐久性三方面的要求。相对而言,结构的安全性和适用性研究和设计比较成熟,而耐久性研究起步较晚。我国现有房屋将大量进入老化阶段,如何对这些建筑进行科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的预测,是当今土木工程领域的研究热点。如何找到一种简便易行的钢筋混凝土结构剩余寿命的预测方法,该方法综合地考虑结构的耐久性、安全性和经济性,并将其有机地结合起来,从而为在役结构的维修决策和新建结构的寿命设计提供依据,已成为当今混凝土研究的迫切任务。混凝土耐久性研究的背景结构的整个生命周期【可分为三个阶段即建造阶段、使用阶段和老化阶段。建造阶段的风险多来自于设计、施工的失误和疏忽,这一阶段的平均风险率很高正常使用阶段的风险主要来自于非正常的外界活动,特别是自然和人为的灾害,结构处于正常工作状态,平均风险率较低而老化阶段的风险在主要来自于各种损伤的积累和正常抗力的丧失,平均风险率随着时间的推移提高见图。以往大量的研究工作多集中在正常使用阶段,而这个阶段的平均风险率恰恰是最低的。因此,结构工程学科必须由单纯考虑正常使用向综合考虑建造、使用和维修全过程发展,这是一个总趋势。混凝土耐久性就是结构老化阶段研究的一个重要方面。均风率平、一/险工一一一一老化阶段建造阶段正常使用阶段图卜结构的“生命周期”和平均风险率所谓混凝土的耐久性,是指在使用过程中,在内部的或外部的,人为的或自然的因素作用下,混凝土保持自身工作能力的一种性能”。或者说结构在设计使第章绪论用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力【”。在混凝土问世后的很长一段时间里,人们认为混凝土是不会老化的,混凝土结构的寿命不取决于混凝土本身。但随着混凝土材料的广泛使用及现有结构的老化,人们开始认识到,混凝土是要老化的由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。国际上一般国家的基本建设大体分三个阶段第一阶段为大规模新建,第二阶段为新建与维修改造并重,第三阶段重点逐渐转向旧建筑物的维修改造。例如,美国自上世纪年代起建筑业中新建建筑开始不景气,而维修改造业日益兴旺,美国劳工部曾预言年维修工作业将是最受欢迎的九个行业之。美国年由于腐蚀引起的损失达亿美元,年则达亿美元目前,整个混凝土工程的价值约为万亿美元,而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达亿美元【】。美国年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达亿英镑。而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达亿日元以上。日本引以为自豪的新干线使用不到年,就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。在我国,混凝土结构量大面广,遍布全国各地,据国家统计局年底的统计,我国城镇现有混凝土结构面积为。其中工业建筑折合固定资产亿元,连同它们容纳的设备一起,折合固定资产亿元以上,它们当时的年总产值超过亿元,占当时国民经济生产总值的以上。然而由于已建混凝土结构的老化,加上当时没有进行混凝土结构的耐久性设计,到年我国有至少的上述建筑物因安全度过低而面临退役的威胁。我国一五期间,而六五期间只占,说明我国也己开始新建建筑投资占基建总投资的由基本建设的新建与维修改造并重阶段进入旧建筑物的维修改造为重阶段【】。年,建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查,其结果也验证了上述结论建国初期的建筑均已达到必须大修的状态现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用年的要求,一般使用年就需大修加固【。这个局面要求我们尽快大力加强已有建筑物诊断、维修及加固技术的全面研究。混凝土耐久性研究的意义美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性,特别是设计对耐久性问题的重要性设计时,对新建项目在钢筋防护方面每节省一美元,就意味着,发现钢筋腐蚀时采取措施多追加维修费美元,顺筋开裂时多追加维修费美第一章绪论元,严重破坏时则多追加维修费美元。这可怕的放大效应,使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性问题的研究。因此,解决混凝土结构的耐久性问题已经十分紧迫,应该提到日程上来。对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测,不仅可以揭示潜在危险,及时做出维修或拆除决策,避免重大事故的发生,而且研究成果可直接用于结构设计。通过对结构的耐久性预评估,修改设计方案,使所建结构具有足够的耐久性,从而做到防患于未然。对己有建筑进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测,以选择对其正确的处理方法,可以说是混凝土耐久性研究最主要的背景。除了对已有建筑进行耐久性评定之外,对新建项目进行耐久性预评估和寿命设计,可以揭示影响结构寿命的内部和外部因素,对于提高工程的设计水平和施工质量也有一定的意义。混凝土耐久性的研究动态对混凝土结构耐久性问题的研究可追溯到三四十年代,尤其是近十几年来,人们对混凝土结构耐久性的研究已进入了一个崭新的阶段。美国委员会于年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测试验的详细方法和步骤】。美国联邦公路管理局制定计划,研究了桥面板耐久性检测和钢筋腐蚀的防护问题。日本建设省从年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究,并于年提交了研究成果概要报告,年开始陆续出版发行了建筑物耐久性系列规程。日本建筑学会年推出了建筑物使用指南,年又推出了建筑物现状调查、诊断、维修指南同年,欧洲混凝土委员会颁布的耐久性混凝土结构设计指南反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。有关混凝土耐久性国际会议已召开多次,反映了各国研究的最新成果。年,国际桥梁与结构学会在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议年在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议由欧洲等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议【】,自年以来,每三年举行一次。我国对混凝土结构碳化和钢筋腐蚀等耐久性问题的研究始于年代中期,并越来越受到土木工程界的关注。清华大学、同济大学、大连理工大学、西安建筑科技大学等高等院校均投入了大量的科研力量进行耐久性基础理论的研究。建研院、铁科院、水科院、建材院等科研机构结合本部门的建筑特点,也在实践中摸索出了一系列建筑物检测、鉴定、评估和加固的技术和经验。年月,第一章绪论建设部组织成立全国建筑物鉴定与加固委员会,年专门设立“建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会”。全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学组于年成立,中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于年月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段。建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限”,包括结构的耐久性调查、钢筋腐蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响等“八五”攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”,包括拟建混凝土结构耐久性设计方法,在用混凝土结构的耐久性检测和评估方法,在一定条件下诸因素对混凝土结构耐久性的综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库等,完成了“混凝土结构耐久性设计”初稿。年国家正式立项的攀登计划“重大土木及水利工程安全性与耐久性的基础研究”是土木工程学科唯一攀登任务,于年完成。内容足以与我国国民经济息息相关的几种典型重大结构物大型隧道边坡,大跨桥梁和高层建筑为依托,以结构“生命周期”中施工、使用和老化三阶段为主线,系统地进行有关结构安全性和耐久性的基础研究,现已取得了丰富的成果。混凝土耐久性的研究内容及现状混凝土结构的耐久性病害首先是混凝土或钢筋材料物理、化学性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件承载力衰减,最终会影响整个结构的安全。其研究内容有多种分类方法,例如按混凝土结构类型可分为水工港工、路桥、房屋等混凝土结构耐久性研究,按顺序可分为混凝土结构耐久性计算、构造措施设计和耐久性评估等按学科及影响因素可以分为材料学科的研究和结构工程学科的研究,如图“所示。第一章绪论厂钢筋锈蚀研究冻融循环研究碱一骨料反应研究材料学科化学作用研究混凝土配合比研究棍凝土结构/耐久性研究抗力变化的研究结构工程学科荷裁变化的研究图卜混凝土结构耐久性研究分类下面主要从上述两个方面介绍钢筋混凝土结构的耐久性研究内容及现状。材料学科的研究国内外对材料耐久性研究已有多年,成果主要集中在混凝土碳化、钢筋腐蚀、冻融循环等方面,并考虑了大气、海洋、化学侵蚀等不同的工作环境对材料耐久性的影响。混凝土碳化研究混凝土在浇注养护之后,形成一个强碱性环境,口值约为左右。在这样的环境下,钢筋表面会形成一层致密的氧化膜,使钢筋处于钝化状态,此时,钢筋是不会腐蚀的。钢筋混凝土结构在使用过程中,由于氯离子的侵入,或者空气、土壤、地下水中的酸性物质如,、,、,等深入混凝土表面,与水泥石中的碱性物质发生反应,使混凝土碱性下降,造成钢筋脱钝,开始腐蚀。侵蚀介质使混凝土值下降的过程称为混凝土的中性化,其中由于,引起的中性化称为混凝土的碳化。其过程可以用下列反应方程式表示卜专卜寸第一章绪论归彳归归了式中,为结合水数,为一正整数。混凝土碳化反应中生成的固相体积比反应物中的固相体积大,例如,和两个反应式中,一摩尔氢氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙后固相体积增加“聊,一摩尔水化硅酸钙与二氧化碳反应生成碳酸钙后固相体积增加。所以,碳化反应会使混凝土的孔隙率下降,使混凝土的透气性降低,强度增加。但由于其/值降低,会导致钢筋的腐蚀。在建立碳化理论模型时,国内、国外大都假设,在混凝土中的扩散遵循第一定律,的浓度呈线性分布,锋面处浓度为。工程上一般采用下述碳化模式卜。口”其中,为混凝土碳化深度为碳化时间聍为常数,通常取口为定值,即所谓的混凝土碳化速度系数。这一公式已为模式规范所采用,式中碳化系数口体现了混凝土的抗碳化能力,其取值主要取决于混凝土的渗透性和外界环境条件。混凝土的渗透性取决于水泥品种、水灰比、浇注、捣实与养护质量等环境条件包括温度、湿度及,浓度。很多文献都对其取值提出了经验计算公式。钢筋腐蚀研究混凝土中钢筋的腐蚀是一个电化学过程,从引起腐蚀的因素考虑,当前的研究主要集中在混凝土碳化和氯离子入侵引起的腐蚀两方面。国外这方面研究的比较早,且许多成果已被国内所引用。文献基于,在混凝土中的扩散服从第一定律的假设,利用定律建立了大气环境中钢筋腐蚀模型。中国建研院考虑水泥品种、混凝土养护条件、环境作用等多种因素建立了钢筋腐蚀的一般规律】。西安建筑科技大学牛荻涛等人根据工程调查结果,给出了一般室内环境钢筋腐蚀开始时间的确定方法,利用腐蚀电化学原理建立了一般室内环境中钢筋腐蚀量的预测模型【”。对于氯离子入侵引起的钢筋腐蚀,由于腐蚀开始后速度比较快,因此氯离子第一章绪论的临界浓度,即不至于引起钢筋脱钝的钢筋周围混凝土孔隙液中游离氯离子最高浓度,就成为一个重要指标。但由于影响因素众多,目前对氯离子的临界浓度的确定尚无定论。冻融破坏研究混凝土的冻融破坏主要是混凝土中的水结冰产生的体积膨胀以及过冷的水在混凝土中迁移引起的水压力变化的结果。水结冰时体积膨胀,当混凝土含水量超过一定值时,冻结将引起混凝土中孔壁中的拉应力,造成混凝土内部开裂。另外,在公路、桥梁中普遍使用的除冰盐也加剧了混凝土的冻融循环。对于混凝土冻融破坏的研究,现已形成较为完整的基础理论。提出了水压力理论来介绍混凝土受冻时的破坏【。利用表面物理化学的知识和多孔介质渗流理论研究混凝土中孔隙水的吸附、解吸、流动与冻结,提出了可以用有限元方法计算的混凝土冻融循环破坏模型。文献【】给出了根据损伤理论建立的混凝土抗冻耐久性预测模型,得到了满意的计算结果。结构工程学科的研究在结构工程领域,混凝土结构耐久性研究的任务主要在于解决新建混凝土结构设计中的耐久性计算和已建混凝土结构的耐久性评估及剩余寿命预测。大量因素的不确定性特点使得耐久性的研究必须用结构可靠性理论来完成。因此结构工程学科必须着重于混凝土结构可靠性随时间衰减的规律研究。这又可以分为对抗力变化研究和荷载变化的研究。在腐蚀环境中,当混凝土结构的材料性能发生劣化后,结构构件的承载力和适用性也随之降低,从而影响结构的安全和正常使用。目前国内外研究者已对腐蚀后的钢筋混凝土构件的力学性能进行了大量试验,试验采用的试件大部分是实验室快速钢筋腐蚀试件,少部分是从已有结构拆除的自然腐蚀的钢筋混凝土构件,包括钢筋混凝土受弯、大偏心受压、小偏心受压、轴心受压以及钢筋抗拔试验试件构件。试验表明,受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土粘结性能的变化三种因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋腐蚀后其截面面积的减小,当钢筋腐蚀量较小时,钢筋强度变化不大,承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化。腐蚀钢筋与混凝土粘绔眭能的变化比较复杂,在腐蚀量较小时,粘结强度随钢筋腐蚀量的增加有所提高,但随钢筋腐蚀量的进一步增大,粘结强度将明显下降,这一变化过程与钢筋腐蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关。另外,受腐蚀钢筋混凝土构件的延性随钢筋腐蚀量的增大而降低,破坏形态也将由延性破坏转化为脆性破坏。试验也表明,当钢筋混凝土构件的钢筋腐蚀后,构件刚度有所减小,变形增大第一章绪论横向裂缝表现为间距增大,裂缝变宽,从而使构件的适用性降低。除了对构件的研究外,钢筋混凝土结构体系的耐久性也是研究的重要方向之一。因为在钢筋遭受腐蚀后,构件性能的劣化,最终会影响整个结构的安全。我国目前已颁布有多种结构可靠性鉴定标准及混凝土结构加固规范,这方面的著作近几年也出版了很多,有关的理论研究仍在不断深入。由于工程问题的复杂性,结构耐久性评估中会遇到大量的随机、模糊及不完善信息,而且许多信息是定性的,难以将其定量化。因此,实际结构的可靠性评估,一般需由工程经验丰富的专家来完成。以专家的知识为基础,按照一定的推理规则建立的大型计算机软件专家系统,是近年已有结构可靠性评估、管理的重要发展。本文工作本文的工作主要是在文献和文献】的基础上,对其混凝土中的钢筋腐蚀。具程序的升级模型进行进一步的修正发展,并完成体有以下几个方面的内容在比较不同钢筋腐蚀模型的基础上,进一步完善了文献和文献仲钢筋腐蚀模型,修正后的模型将考虑温度对混凝土中钢筋腐蚀的影响的基础上发展钢筋混凝土参照西安建筑科技大学的成果,在梁由于钢筋腐蚀引起的抗力下降随机过程,并完成程序的升级根据实际的、求出了钢筋混凝土梁安全储备下降规律参考方法的思路,按国内标准得出考虑钢筋腐蚀的钢筋混凝土梁、四个等级的累积概率分布图为程序发展实际应用的程序用户界面。第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨结构在长期自然环境和使用环境的作用下会逐渐破坏,这是一个不可逆过程。其中正常环境下混凝土中钢筋腐蚀是耐久性研究的重点之一。目前的研究已经从针对单一因素、依靠经验或表面现象建立回归模型转入多因素共同作用综合分析、从机理入手建立时问变化模型。本章将在回顾混凝土中钢筋腐蚀机理的基础上,通过比较分析不同的结果,对现有模型提出改进。钢筋腐蚀的机理钢筋腐蚀对钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构的耐久性有极大的影响,以下的统计资料可以直观的说明钢筋腐蚀的危害性【美国标准局年的调查表明美国全年各种腐蚀损失为亿美元,其中混凝土中的钢筋腐蚀损失占。英国环保部门的报告表明英国建筑工业的年成交额为亿英镑,而因腐蚀破坏,钢筋混凝土结构的年维修费用已达亿英镑占,己成为英国的一个严重的财政负担。日本运输省检查了座混凝土海港码头,发现凡是有年历史的,都有相当大的顺筋裂缝,需要修补。由此可见,钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性损伤的一个主要原因,且造成的损失巨大。正因为如此,钢筋腐蚀对钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构的耐久性影响的研究正成为研究的重点。下面简单介绍钢筋腐蚀机理。在通常情况下,混凝土孔隙中充满着水泥水解时产生的,过饱和溶液,混凝土具有很强的碱性,口日值一般在以上。钢筋在这种高碱度的环境中,表面沉积一层致密的碱性钝化薄膜而处于惰性状态。但是,当外界酸性物质侵入并与,作用时,混凝土碱度就会降低值可降至以下。当混凝土值降至以下时,混凝土钝化膜受到破坏,从而失去对钢筋的保护作用,若有空气和水分侵入,钢筋便开始腐蚀。根据机理的不同,金属腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。单纯由化学作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀,一般在高温或者非电解质环境中的腐蚀为第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨化学腐蚀。由电化学反应引起的称为电化学腐蚀。在通常情况下,电化学腐蚀比化学腐蚀快的多,也更为普遍,因此危害性也大的多。混凝土中钢筋的腐蚀主要是铁与电解质溶液之间的相互作用,属于电化学腐蚀。其反应可表示为凡凡一阳极反应二价铁离子与氢氧根离子形成难溶的,凡斗忍片可进一步氧化为,寸阳极产生的多余电子通过钢筋被送往阴极,在阴极与溶解的氧气反应,生成氢氧根离子一,即阴极反应,阴极反应一阴极产生的一通过混凝土孔隙中的液相被送往阳极,这就形成了一个腐蚀电流的闭合回路图。图混凝土中钢筋腐蚀的电化学模型从上述过程可见,混凝土结构当中的钢筋腐蚀将受到许多因素的影响,其中内部因素有钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度及完好性、混凝土的液相组成值及一含量等外部因素有温度、湿度、周第二章混凝中钢筋腐蚀模型的探讨围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用等。对于整个腐蚀过程,在提出了两阶段模型,经过其他学者的进一步发展,成为四阶段模型从浇注混凝土时起,到混凝土碳化锋面到达钢筋,或者氯离子侵入并在钢筋表面积聚达到临界值,使钢筋脱钝,开始腐蚀时为止为第一阶段。这段时间以表示钢筋开始腐蚀直到混凝土表面出现钢筋腐蚀膨胀引起的开裂破坏为止为第二阶段。这段时间以,表示。从混凝土表面因钢筋腐蚀膨胀开始破坏到混凝土普遍显示严重胀裂、剥落为止为第三阶段。这段时间以,表示。钢筋腐蚀发展到使结构区域性破坏,结构不能安全使用包括达到承载力极限状态或者正常使用极限状态为止为第四阶段。这段时间以,表示。整个过程如图所示图钢筋腐蚀的发展过程由钢筋腐蚀的发展过程可以看出,研究的重点有以下两点钢筋开始腐蚀时问和腐蚀速度。导致钢筋脱钝的原因主要有两个混凝土保护层碳化和氯离子入侵并在钢筋表面达到一定浓度。本文考虑的是混凝土保护层碳化引起的钢筋腐蚀。下面两节分别讨论由混凝土保护层碳化引起的钢筋腐蚀的开始时问和腐蚀速度。第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨钢筋开始腐蚀时间对于碳化引起的腐蚀,腐蚀开始时间由碳化速度决定。碳化深度与时间的关系一般表示为。口以即公式中的门取时的结果,各参数的意义也与公式中的相同。这一公式计算得到的是完全碳化区锋面深度。其中,重要的是口的计算,目前已有许多研究成果。例如,山东建研所在“七五”期间承担建设部攻关项目进行混凝土碳化研究,得出水灰比是决定口的主要参数口/一/压式中,矽/一混凝土的水灰比一碳化时间,年。上海建材学院则认为”口”/口/。女”上面两式中,一一水泥用量影响系数,。一。一水灰比影响系数,。一后一水泥品质影响系数,使用普通硅酸盐水泥的混凝土,使用矿渣水泥的混凝土,使用掺粉煤灰硅酸盐水泥的混凝土,使用掺粉煤灰矿渣水泥的混凝土一水泥用量,姆/,一碳化时间,周。肖从真博士通过理论推导得到的混凝土碳化速度系数的表达式为】品】。式中,品一混凝土中的扩散系数/一混凝土表面的浓度/第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨。一单位体积混凝土完全碳化所需的量/。英国著名学者在实验中发现在用酚酞试剂测定的碳化深度发展到距离钢筋表面某个长度时,钢筋就开始腐蚀,而且随着碳化深度的加深,钢筋腐蚀速度加快,直到碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时,腐蚀速度才基本稳定下来。文献认为,混凝土碳化过程中部分碳化区的存在是钢筋腐蚀速度随碳化深度加深而增大的根本原因。混凝土完全碳化后,值由原来的降时就不稳定了,钢筋到。实际上,钢筋表面的钝化膜在值小于腐蚀速度和值的关系如图所示扫兰蒯趟爱哇健,。,/,/。州直图值对钢筋腐蚀速度的影响传统的碳化理论假定碳化反应仅在碳化锋面处发生,即碳化锋面将混凝土分为完全碳化区和未碳化区,碳酸钙的。为阶梯状四。如图所示。第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨图传统碳化理论的混凝土中碳酸钙浓度分布实际上,混凝土在碳化过程中,值由外到内是逐渐升高的,即存在部分碳化区。尤其是当环境湿度较低的时候,部分碳化区在整个碳化区域中占主导地位”。从图的钢筋腐蚀速度和值关系图中可以看出,在值小于时,钢筋腐蚀速度保持不变,值大于时钢筋处于钝化状态,在之间时,钢筋腐蚀速度值的减小而增大。由此可见部分碳化区,尤其是州值在这一部分的长度是影响钢筋腐蚀的一个重要因素,我们称这长度为碳化残量。它可定义为钢筋开始腐蚀时,用酚酞试剂测量的碳化前沿与钢筋表面的距离,用符号。表示。文献通过试验分析得到碳化残量理论公式为铲一肼”些产式中,一相对湿度矿/一水灰比一单位体积内水泥用量,培/埘。从式可以看出,当相对湿度不小于时,不考虑碳化残量。在求得碳化残量后,就可由式求得钢筋开始腐蚀时间铲孚式中,一混凝土保护层厚度,第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨。一钢筋开始腐蚀时间。钢筋腐蚀速度混凝土保护层将钢筋与外界环境隔离开,电化学腐蚀过程中的气相、液相、离子等物质的传输均在混凝土内部进行,因此,混凝土中的钢筋腐蚀更加复杂,与暴露钢筋的腐蚀有着本质的区别。与暴露钢筋的腐蚀相比,影响混凝土中的钢筋腐蚀的因素更多,如混凝土密实度、电导率、保护层厚度、保护层中的裂缝扩展、值、温度等。就腐蚀形态而言,混凝土中的钢筋腐蚀可以分为均匀腐蚀和点蚀两种根据侵入介质的不同,可分为因混凝土中性化引起的腐蚀和氯离子入侵引起的腐蚀从腐蚀机理角度考虑,又可分为宏电池腐蚀、微电池腐蚀及两者的结合。在大体型的钢筋混凝土结构中,由于各种腐蚀影响因素的不均匀性,使不同位置钢筋表面之间存在电位差,产生定向流动的宏电流,形成宏电池腐蚀。例如,在混凝土的横向裂缝区,由于裂缝的存在,腐蚀介质,、一等首先沿横向裂缝到达钢筋表面,使裂缝处的钢筋首先脱钝,在腐蚀电池中作为宏阳极,与其相比邻的裂缝间未脱钝钢筋表面作为宏阴极,从而形成比邻型宏电池。又如,在并排的混凝土内层钢筋和外层钢筋之间,当外层钢筋脱钝时,通过箍筋连接导电在内外层钢筋之间产生对面型宏电池。由混凝土碳化引起的钢筋腐蚀是典型的微电池腐蚀。这种情况下的钢筋腐蚀速度虽然比较慢,但近年来由于混凝土使用年限的增长及碳化情况下钢筋腐蚀实例的增多,其重要性日益引起人们的注意。下面讨论混凝土碳化引起的钢筋腐蚀模型。对钢筋腐蚀模型的探讨混凝土中的钢筋腐蚀是一个复杂的物理化学过程,它主要由三个连续的过程组成氧气由外部大气通过混凝土保护层向钢筋表面传运在钢筋表面的相界反应区发生阴极和阳极反应,生产反应物反应产物离开相界反应区。在这些相互串联的步骤中,所受阻力最大、进行最困难的步骤叫做速度控制步骤,或者简称控制步骤。它将通过决定其他各个步骤的速度来决定整个反应的速度。对应于以上三个腐蚀过程,混凝土中钢筋腐蚀速度的控制步骤大致可分为三种类型阴极控制、阳极控制和电阻控制。三种控制类型在不同的环境中发挥作用的第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨程度是不一样的。宋晓冰【通过试验和理论分析得出如下结论对于保护层碳化引起的钢筋腐蚀,对应于不同的混凝土含水量,存在不同的控制形式。当相对湿度大于孔隙水饱和度大于时,控制形式为阴极控制当相对湿度小于孔隙水饱和度小于时,控制形式为阳极控制,体现为阴阳极面积比随着相对湿度的减小而增大而随着混凝土的不断干燥,混凝土电阻控制与阳极控制将共同起作用图。阳极控制混凝土电阻控制孔隙水饱和度空气相对湿度图各种控制因素发生作用的范围在此基础上,宋晓冰博士综合考虑阴极控制、阳极控制和混凝土电阻控制,对肖从真“提出的模型进行了修正,得到混凝土碳化区钢筋腐蚀速度预测模型。吼。/妾上述两式中,办一腐蚀深度一阳极单位面积上失去的电量。铁的摩尔质量,为/一法拉第常数,/,一铁的密度,幻/二坠二坠以以一混凝土电阻影响系数,一氧气在孔隙水溶液中的溶解度,。时可取”一单个氧分子的得电子数,为里三里望塑圭主塑堑壁堕塑型塑堡堕。一混凝土表面氧气浓度/一氧气的扩散距离即保护层厚度一预测时间,一去钝时间,测得碳化深度后按式求得,其中碳化速度系数的计算按式。/。一阴阳极面积比,宋晓冰通过试验研究得到阴阳极面积比与孔隙水饱和度船的关系为一】当一邢一一当丢曼当雕。公式中的孔隙水饱和度如果没有条件测试,可以根据文献给出的试验统计资料进行估算一/当当。一氧气在混凝土中的扩散系数采用文献提出的计算方法,即通过混凝土碳化深度。的测量,并对混凝土己碳化区取样进行热重分析,测定其中生成的碳酸钙量。,然后根据下式首先计算二氧化碳在混凝土中的扩散系数型式中,土氧化碳为碳化时间。为保护层厚度。二氧化碳扩散系数。,和氧气扩散系数。之间存在如下关系第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨盱愀压酬,式中,。和。分别为二氧化碳和氧气的摩尔质量。若没有条件测得需要的基本变量,也可以通过文献】中试验回归得到的混凝土中二氧化碳扩散系数经验公式单位为卜为相对湿度。式中,昂为水泥浆体的孔隙率,一般情况下可取为下面介绍其他文献的几个钢筋腐蚀模型文献】的模型。,五。础一”庀”。”式中,万。一钢筋在目标使用年限内的最大腐蚀深度,。一保护层开裂前钢筋的腐蚀速度,/。一目标使用年限,一常数,未定。一钢筋位置对腐蚀速度的影响系数,角区钢筋取,其他取。一微环境影响系数,取值参照相应文献,一构件所处环境的年平均温度,一构件所处环境的年平均相对湿度厶一混凝土立方体强度,一保护层厚度,掰一钢筋开始腐蚀时间,口,按下式计算,似一,/其中,为碳化残量,用酚酞测量的碳化前沿与钢筋表面的距离,肌埘,按下式星三兰望塑圭塑笪堕壁堡型塑堡堕计算一,口为碳化系数,/,按口/计算。一实测碳化深度,。一结构使用至测试的时间,文献引用了的结果。在一系列延续年的实验基础上,分别提出了由碳化和氯离子入侵引起的钢筋腐蚀构件的寿命预测模型。对碳化引起的腐蚀,给出的钢筋腐蚀速度是一十【式中,一碳化引起的钢筋腐蚀速度,。/一环境温度,/兄一相对湿度,【氧气浓度,/。文献的腐蚀模型如下/旷一/一/式中,一肋的质量百分比,一/一一混凝土中氯离子含量船/一水灰比,/矿一每立方米混凝土中水的用量,/一湿度,第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨其他参数意义同模型。上述几个模型分别考虑了不同的钢筋腐蚀影响因素,归结起来有混凝土结构的内在因素和外部环境因素两个方面。内在因素主要为混凝土结构保护层厚度,钢筋直径,水灰比和密实度,水泥品种、标号及用量等外部环境因素主要为温度、相对湿度、氧气浓度及化学介质情况等。模型仅从外部因素考虑,没有考虑构件本身的材料因素,有失偏颇模型与模型相比,考虑了部分混凝土结构的内在因素影响,但两者都是大量试验结果的纯经验公式,没有一定的理论依据。下面着重比较宋晓冰的模型和模型。其中各参数取值为/厶。一。图相对湿度的影响第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨一【】凸而言图保护层厚度的影响图碳化时间的影响第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨一。苞。凸丽图碳化深度的影响图显示了相对湿度对钢筋腐蚀速度的影响,试验证实】【”,当相对湿度很大时,钢筋腐蚀速度会随着湿度的增大而减小,文献也对宋晓冰模型中相对湿度的影响给予了肯定,但是其相应的模型,即模型中钢筋腐蚀速度是随相对湿度增加而单调增加的,这样考虑不甚合理。而且,由图到图可以看出,模型的结果偏小,在许多情况下远远小于宋晓冰模型的结果,跟其他模型相比,也有同样的结论,作为规程明显偏于不安全。在考虑温度影响方面,模型借鉴了国外氯腐蚀的试验资料,其可行与否也值得商榷。在其他参数的确定方法上也存在着类似的问题,即分别从不同的母体模型中分离出其中的参数之,通过回归得到相应因素的影响系数,再组合为最终的钢筋腐蚀深度计算模型,从理论上来讲,这是不合理的。其预测的腐蚀深度远小于其他模型即说明了这问题。宋晓冰的模型是在试验基础上经过理论分析而得出的,考虑了除温度外的大多数钢筋腐蚀影响因素,并且得到了一定的工程验证【“。下一节将对这一模型进行改进,加入对温度影响的考虑。温度对钢筋腐蚀速度的影晌上一节中的模型和模型通过试验分析得出了混凝土碳化引起的钢筋腐蚀速度计算公式,其着重点在环境的影响上,包括温度、相对湿度和氧气浓度,见公式。文献】认为混凝土中钢筋腐蚀速度在很大程度上受环第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨境条件的影响,而重要的环境参数就是相对湿度和温度。它采用了如下方法考虑温度的影响式中,混凝土中钢筋腐蚀速度,/,一温度影响系数,在的理论基础上确定。时的腐蚀速度,考虑相对湿度等因素的影响。上一节的模型中考虑了温度的影响,其影响取为“”,其中,为以摄氏度表示的环境温度。模型和也考虑了温度的影响。集中列表如下均以时为表一温度对钢筋腐蚀速度的影响温度模型模型模型其中模型和是基于氯离子腐蚀资料的,跟混凝土碳化引起的钢筋腐蚀不同。定律指出,温度每升高,反应速度增加倍。但是混凝土中的钢筋腐蚀不是简单的化学反应,它还包括一系列的物质扩散等物理过程,鉴于这种情况,我们认为模式中对温度的影响估计偏高,即钢筋腐蚀速度对温度的变化过于敏感。本文对模型建立在试验基础上的回归公式进行分析。图中三条线为相对湿度为、时温度影响系数的变化情况以摄氏度时为,可见温度和相对湿度的耦合程度不深。如果取为中态,则及时的最大差距约为左右摄氏度时,左右摄氏度时。在通常的温度下,影响会更小。第二章混凝土中钢筋腐蚀模型的探讨九懈恤四四莹赫訾醛莓咀哪图相对湿度对温度影响系数的作用同时,鉴于宋晓冰的模型中已经计入了相对湿度和氧气浓度的影响,本文采用单一系数的办法考虑温度的影响。通过上述分析可见,由此产生的误差是可以接受的。由此有温度影响系数口式就写为哨,铲脚一譬弦第三章抗力衰减模型第三章抗力衰减模型影响结构可靠性的两大因素是结构的抗力和作用在结构上的荷载及其效应,结构耐久性的研究中同样是这样的,和都应该按随机过程处理。本文假定结构在其使用期内,荷载及其效应的分布是不变化的,则可以将荷载效应简化为随机变量来处理。而结构在长期使用过程中,在自然环境及使用环境等因素的作用下,将发生材料老化,结构损伤。这种累积损伤必然造成结构性能的逐渐退化,抗力逐渐衰减,从而导致结构可靠性的降低。本章将讨论由钢筋腐蚀引起的钢筋混凝土梁的抗力衰减。钢筋腐蚀引起的抗力衰减模型钢筋腐蚀对结构性能退化的影响钢筋腐蚀产物的体积将膨胀,膨胀比例见图图钢筋腐蚀产物体积膨胀比例体积膨胀会使混凝土保护层产生顺筋裂缝,甚至剥落钢筋与混凝土之间的界面状态发生改变钢筋截面积减小钢筋的极限延伸率降低。这些变化将对结构的正常使用及安全性造成不利影响。钢筋腐蚀对结构性能退化的影响途径见图。第三章抗力衰减模型图钢筋腐蚀对结构性能的影响可见,钢筋腐蚀对结构构件耐久性能的影响主要在两方面承载力方面和适用性方面。抗力衰减模型腐蚀钢筋混凝土梁承载力试验结果表明,钢筋腐蚀主要从两个方面影响梁的承载力。一是混凝土截面损伤和钢筋截面损失与力学性能退化,二是腐蚀引起钢筋与混凝土之间粘结性能退化,导致钢筋与混凝土不能很好地协同工作,因而与钢筋混凝土梁的承载力计算理论有直接关系。西安建筑科技大学牛荻涛等”在分析了混凝土中钢筋腐蚀造成的结构性能退化后,给出了腐蚀钢筋屈服强度与极限强度的计算公式。叩。无。无。一/。式中,。和工。分别为锈蚀钢筋的屈服拉力和极限拉力工。和工。分别为未锈钢筋的屈服强度和极限强度爿。为未锈钢筋截面面积/。为钢筋截面损失率。西安建筑科技大学”从工程应用角度出发,立足于现行计算理论,提出实用的腐蚀梁承载力计算模型/,、。【一言第三章抗力衰减模型垒生丘生式中,。为腐蚀梁抗弯承载力乃。为未腐蚀钢筋的屈服强度工,为腐蚀钢筋的屈服强度六。为混凝土弯曲抗压强度为截面宽度为截面有效高度女,称为协同工作系数,主要考虑粘结性能退化导致梁受力模式改变对承载力的影响,与钢筋腐蚀程度有关,其计算见式。甜。一叱魄。式中,为锈胀裂缝宽度,融。及魄取值见图光圆钢筋和变形钢筋不同,卢为系数,其取值见表,表中,。为锈胀裂缝长度。表系数的取值开裂长度。/。/。/钢筋类、光圆钢筋变形钢筋协同工作系数与锈胀裂缝宽度的关系曲线如图所示,其中实线是公式的图示,虚线是简化前的计算方法,公式从略。图协同工作系数曲线第三章抗力衰减模型方法思路及改进刮提出的是用于预测构件的等级衰减变化的一种方法它基于一种在欧洲使用的对建筑物的翻新进行诊断和决策的方法,它将民用建筑划分为种不同的构件,并根据构件的状态将构件划分为四个等级,将构件划分为四个等级,这四个等级分别是表示构件状态良好的级,表示有轻微退化的级,有较严重退化的级和需要更换或者加固的级。该方法根据大量的工程实际的检测结果,统计得到某时刻此类构件分别属于、四个等级的频率,以此频率作为此时刻此类构件四个等级可能出现的概率,进而就得到,在构件的整个寿命期内四个等级出现概率的分布情况。如图所示,、四条曲线分别展示了,在任一时刻,构件分别属于、四个等级的概率情况,及此类构件在使用期内,分别属于、四个等级的概率分布随时间的发展变化情况。另外,也可将这条曲线逐一累加,绘于同一个图上,如图所示。从图中可以更清楚地看出、四个等级的概率分布之间的关系。例如,根据图,一个使用了年的构件肯定是级一个使用了年的构件有的可能性为级一个使用了年的构件为级的概率为,还有的概率为级,的概率为级而如果这一构件使用了年,那么它将有的概率为级,即需要维修加固。削神翱鞠锄。釉鲫鞫岳。跚哪删一一氐”“”二三三三三三三曼马。勰口【日图构件等级概率分布曲线第三章抗力衰减模型图构件等级概率分布累积曲线在方法下,、四个等级之间的概率分布关系非常直观和明了。方法是针对方法而提出的,它将建筑物所划分成的构件