某在建桥梁钢筋混凝土构件碳化耐久性预测

2013-03-20孙黎方

郑州大学学报（理学版） 2013年1期

李杰，陈淮，孙黎方

(郑州大学土木工程学院河南郑州450001)

0 引言

在混凝土桥梁工程中，由于露筋或裂缝深度到达钢筋表面引起结构耐久性的问题较少，较常见的耐久性问题源自钢筋锈蚀．钢筋锈蚀主要取决于混凝土的碳化深度，所以碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素．近些年来，许多专家学者对混凝土结构的材料性能，特别是碳化问题进行了多方面的调查研究及实验［1－5］，所采用的研究方法大致有以下4种:第1种是对在役建筑物、构筑物混凝土碳化深度进行调查，再根据调查数据进行归纳总结，建立混凝土碳化预测模型;第2种是基于对气体扩散理论的研究总结给出混凝土碳化理论预测模型;第3种是进行快速混凝土碳化试验，建立混凝土碳化预测模型;第4种是通过实际结构物或构件的长期暴露试验得出混凝土碳化数据，建立混凝土碳化预测模型．混凝土碳化预测模型大致可以根据其采用的方法总结为3大类:1)基于气体扩散理论的理论模型［6］;2)基于混凝土碳化试验的经验模型［7－13］;3)气体扩散理论与试验相结合的混凝土随机碳化模型［14－15］．但是由于这些混凝土碳化深度预测模型所考虑的侧重点不同，检测试验方法和选择的参数有一定差异，而且影响混凝土碳化深度的内、外影响因素较多，所以应用这些碳化深度预测模型对同一混凝土构件进行碳化深度预测，可能得出不同的结果，甚至有时与实测碳化数据相差较大．

本文基于一些常用的混凝土碳化预测模型，结合2座有一定环境和地域代表性的在役桥梁碳化深度实测数据，确定适合本地区的混凝土碳化深度预测模型，然后采用该模型分析位于本区域内的某大跨径双薄壁高墩曲线连续刚构桥的钢筋混凝土承台和主墩的碳化深度，并对该钢筋混凝土构件的碳化耐久性进行评判．

1 混凝土碳化深度预测模型的确定

1．1 已有的混凝土碳化深度预测模型

1．1．1 理论模型

基于气体扩散理论的理论模型，假定空气中的CO2向混凝土内部的渗透符合Fick第一扩散定律，文献［6］提出的碳化模型记为模型(1)，

式中，Xc为碳化深度，单位mm;t为碳化的时间，单位年;De为CO2在混凝土内部的扩散系数;C0为大气环境中或混凝土表面CO2的浓度;M0为每单位体积的混凝土CO2的吸收量．

1．1．2 基于碳化试验的经验模型

文献［7］通过大量试验(主要采用制作各种不同水灰比的混凝土构件，进行混凝土快速碳化试验和室外暴露试验)，着重考虑不同水灰比对混凝土碳化深度的影响，总结给出了以W/C为主要参数的混凝土碳化深度模型，记为模型(2)，

式中，a为水泥种类影响系数，普通水泥一般取0．6左右，矿渣水泥取1．0;b为粉煤灰掺量影响系数，当粉煤灰取代水泥量小于15%时应取为1．1;c为环境湿度影响系数，我国北方地区取1．1～1．2，南方地区取0．5～0．8，中部取1．0，W/C为水灰比，其余参数含义见模型(1)．

基于水灰比W/C，文献［8］提出的碳化深度模型，记为模型(3)，

邸小坛等［9］在混凝土碳化规律研究中着重考虑了混凝土养护条件、水泥种类以及混凝土所处环境对混凝土碳化深度的影响，以混凝土抗压强度标准值为主要参数，给出混凝土碳化深度计算模型，记为模型(4)，

式中，a为混凝土养护条件修正系数，b为水泥种类选择修正系数;c为混凝土所处环境修正系数;fcuk为混凝土抗压强度标准值，其余参数含义见模型(1)．

Smolczyk［10］基于抗压强度提出了混凝土碳化深度模型，记为模型(5)，

式中，Kc为水泥用量影响系数;Kw为水灰比影响系数;Kf为粉煤灰对水泥的取代量影响系数;Kg为骨料种类影响系数;Ky为养护方法影响系数;Kx为水泥种类影响系数;a为混凝土碳化深度系数，普通混凝土a=2．32，对于轻集料混凝土a=4．18，其余参数含义见模型(1)．1．1．3 混凝土碳化深度预测的随机模型

文献［14］在分析影响混凝土碳化主要因素基础上，利用实测碳化结果，以混凝土立方体抗压强度标准值为主要参数，并考虑环境温湿度、环境CO2浓度修正的预测混凝土碳化深度随机模型，记为模型(7)，

式中，Fc为混凝土抗压强度，单位MPa;Fg为假定不会发生碳化的混凝土抗压强度，Fg=62．5 MPa，其余参数含义见模型(1)．

文献［11］综合考虑了混凝土中的水泥用量、水灰比、水泥的种类、骨料的品种、粉煤灰对水泥的取代量以及混凝土的养护条件等因素，总结给出了多系数混凝土碳化深度模型，记为模型(6)，

式中，Kmc为不定性随机变量;Kj为构件角部修正系数;Kco2为CO2浓度影响系数;Kp为浇注面修正系数;Ks为工作应力影响系数;T为工程所在地环境年平均温度(℃);Rh为环境年平均相对湿度;fcu为混凝土立方体抗压强度标准值．

1．1．4 各种混凝土碳化深度预测模型的对比讨论

理论模型中的各个参数的物理意义十分明确，理论基础充分，但是模型中的参数很难确定，如CO2在混凝土中的扩散系数，单位体积混凝土对CO2的吸收量等，而且与碳化实验的结果以及在役结构的实测数据出入较大，因此不宜直接应用于实际工程．经验模型往往是以实际结构的碳化数据统计、快速碳化试验或长期暴露试验为基础归纳总结而得到的，可用于混凝土桥梁的碳化深度预测，而且这类模型在使用中，确定参数也较为方便，但是此类模型种类较多，模型的归纳者往往从不同角度考虑混凝土的碳化，有些学者主要从混凝土配合比方面进行研究，有些学者则以混凝土抗压强度为主要参数进行研究等，因此应用不同的模型得出的混凝土碳化结果可能会有较大差异．所以针对不同的工程，要考虑具体情况选择合适的混凝土碳化模型进行碳化深度预测．随机模型考虑混凝土的浇注质量和工程所在地周边自然环境较多，在参数选取方面也比较困难，另外该类模型在混凝土碳化深度的预测方面误差较大，因此必须结合实际工程，并经过细致调查和验证之后慎重使用．下面通过2座有一定环境和地域代表性的在役混凝土桥梁的混凝土碳化深度实测数据与碳化模型(2～7)进行对比，并确定适合本地区的混凝土碳化深度预测模型．

1．2 在役混凝土桥梁工程实测碳化与预测结果对比

1．2．1 工程实例1

河南省信阳市一座钢筋混凝土桥梁［16］，桥梁板在检测时已经使用了18年，其周围的年平均温度为19℃，所处环境的年平均相对湿度为70%，混凝土抗压强度标准值为30 MPa，CO2浓度影响系数取为1．4，混凝土应力状态影响系数取为1．0，水泥为普通硅酸盐水泥425号，水泥用量为350 kg/m3，水灰比是0．55，桥梁采用自然养护．经混凝土碳化深度测试，其平均碳化深度为7．51 mm．图1为采用模型(2)～(7)计算得出的混凝土碳化深度随年限的变化趋势．

对于工程实例1，从图1可以看出，最初混凝土碳化时碳化深度相差不大，但随着桥梁运营年限的增长，模型(4)、模型(6)和模型(2)计算结果的变化趋势比较平缓，而模型(5)计算结果的混凝土碳化预测深度随年限变化最显著．

1．2．2 工程实例2

河南省焦作市一座钢筋混凝土桥梁［16］，桥梁板在检测时已经使用了21年，其周围的年平均温度为14．3℃，所处环境的年平均相对湿度为70%，混凝土抗压强度标准值为35 MPa，CO2浓度影响系数取为1．4，混凝土应力状态影响系数取为1．0，水泥矿渣水泥，水泥用量为350 kg/m3，水灰比是0．59，桥梁采用自然养护．经混凝土碳化深度测试，其平均碳化深度为7．14 mm．图2为采用模型(2～7)计算得出的混凝土碳化深度随年限的变化趋势．

对于工程实例2，从图2可以看出最初混凝土碳化时碳化深度相差不大，但随着桥梁运营年限的增长，模型(4)计算结果变化趋势比较平缓，而模型(2)、模型(3)、模型(5)、模型(6)计算结果趋势相近，且混凝土碳化预测深度随年限变化较显著．

1．3 结果分析

表1为2座既有桥梁结构的混凝土碳化实测值与理论计算值误差对比．

由表1可以看出，采用模型(4)(以混凝土抗压强度标准值为主要参数)预测的混凝土碳化深度与2个工程实例的混凝土碳化深度实测值较为吻合，误差分别为4．40%和－17．5%，那么可以初步认为模型(4)的计算结果是最接近实测值的，但这并不意味着其他几个模型不能进行混凝土碳化深度的预测，或认为其预测结果没有参考价值．本文中所对比的其他几个模型计算差异较大，主要有以下几个原因:每个工程所处环境和工程施工质量的差异;其次是影响混凝土碳化深度的因素很多，即使是在同一地区，不同构件的混凝土碳化深度也有较大的差异;另外每一种混凝土碳化理论模型的侧重点往往不同，有的学者侧重从混凝土抗压强度入手归纳模型，有的学者则从混凝土配合比方面入手等．此外，每位研究者所采取的试验方法也存在差异，比如有采用碳化箱进行快速碳化试验用28天时间模拟50年的碳化过程，也有采用野外长期暴露试验等，所以每一个预测模型都有其适用范围．本文所计算的2个工程实例都是河南省境内的桥梁，一座在河南南部的信阳，另一座在河南北部的焦作，具有一定环境和地域代表性，且实测值与模型(4)计算值较为吻合，可以认为模型(4)提出的以混凝土抗压强度标准值为主要参数的预测模型在河南省较为适用．基于以上对比分析，下面将使用模型(4)对位于河南省洛阳的某在建大桥的钢筋混凝土构件碳化深度进行预测．

表1 2座既有桥梁结构的混凝土碳化实测值与理论计算值误差对比Tab．1 Contrast error of 2 project examples’carbonization depth measured and theoretical calculating value %

2 在建桥梁钢筋混凝土构件碳化耐久性预测

某在建的大桥位于河南省洛阳市境内某高速公路上，为一座大跨径双薄壁高墩曲线预应力混凝土连续刚构桥．桥址处四季分明，年平均气温14．2℃，降雨量546 mm，年平均相对湿度为70%．大桥主墩的承台采用C25混凝土，配合比为:(水泥+粉煤灰)∶砂∶碎石∶水∶外加剂 =(300+60)∶672∶1 195∶173∶2．88;系梁、立柱、墩台、耳背墙采用C30混凝土，配合比为:(水泥+粉煤灰)∶砂∶碎石∶水∶外加剂=(350+50)∶675∶1 148∶177∶3．2;桥墩墩身采用C40混凝土，配合比为:(水泥+粉煤灰)∶砂∶碎石∶水∶外加剂 =(350+100)∶783∶997∶170∶4．95．选用模型(4)进行大桥钢筋混凝土构件碳化耐久性预测，各构件100年内混凝土碳化深度预测值如表2所示．

表2 各部位混凝土碳化深度预测值Tab．2 Carbonization depth predictive value of each part mm

根据该桥梁设计图纸，墩身主筋的保护层厚度为59 mm，承台和墩台保护层厚度同为32．5 mm，对照表2可以看出，混凝土碳化深度预测值的上限都没有超过其保护层厚度，所以本工程中所设置的保护层厚度能够满足桥梁的设计年限(100年)要求．图3为各部位混凝土碳化深度预测值随着构件设计年限的变化趋势．由图3可以看出，与墩身相比，承台、墩台的混凝土碳化深度预测值随年限增长较快，对照墩身主筋的保护层厚度59 mm，承台和墩台保护层厚度同为32．5 mm，可以初步得出结论:保护层厚度在合理范围内大一些，则混凝土碳化深度发展相对慢一些，符合物理概念．

图3 各部位混凝土碳化深度预测值的变化趋势Fig．3 Trends of carbonization depth predictive value of every part

3 结论

通过实测数据与预测模型对比分析，可以认为以混凝土抗压强度标准值为主要参数的预测模型在河南省较为适用．

按照模型(4)对某在建大桥的墩身、承台和墩台进行混凝土碳化深度预测．按照100年(桥梁的设计年限)预测时，墩身混凝土碳化预测深度为9．2 mm，承台混凝土碳化预测深度为25．9 mm，墩台混凝土碳化预测深度为18．5 mm，而墩身主筋的保护层厚度为59 mm，承台和墩台保护层厚度相同，均为32．5 mm，可以看出碳化深度预测值没有超过保护层设计厚度，所以该桥所设置的保护层厚度能够满足桥梁设计年限100年的要求．

与墩身相比，承台、墩台的混凝土碳化深度预测值随时间增长快一些，对照各部位保护层设计厚度，可以初步得出保护层厚度在合理范围内大一些则碳化深度发展相对慢一些的结论．

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