彭建新， 粟立彬

(长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114)

目前，混凝土和钢筋混凝土结构已成为世界上使用最为广泛的建筑材料之一[1]。混凝土和钢筋混凝土结构具有价格低廉和取材容易等优点。但这些结构若长期暴露于恶劣的环境中、受外部腐蚀介质的影响，会造成结构使用寿命缩短。为此，需要研究钢筋混凝土结构的耐久性问题[2]。

碳化作为影响结构耐久性诸多因素中的一种，因危害性大，存在范围广而备受学者们的关注。无论何时何地，只要结构暴露于大气环境中，便会受到CO2气体的侵蚀，碳化反应就一直在进行。混凝土严重碳化是钢筋锈蚀的前兆，伴随碳化作用的持续影响，改变了砼内的碱性环境，破坏了钢筋外缘的钝化膜，诱发了钢筋锈蚀。随着锈蚀产物的增加，出现膨胀、裂缝，致使保护层剥落，使钢筋直接与大气接触，加快了锈蚀速度，增加了对结构的侵害。因此，开展钢筋砼碳化研究，建立实用的预测模型，并将其用于指导结构的维修、加固及补强，可为混凝土结构耐久性设计和服役寿命预测提供依据。作者拟考虑环境中CO2浓度、温度及湿度等影响混凝土碳化的因素，开展混凝土碳化试验，并提出基于混凝土快速碳化试验的钢筋混凝土结构碳化可靠度评估方法。

1 混凝土的碳化机理

混凝土的碳化是指空气中的酸性气体CO2与混凝土中的液相碱性物质发生反应，生成盐和水，使得混凝土的碱性下降和混凝土中成分改变的化学反应过程[3]。

其化学方程式为：

Ca(OH)2+CO2= CaCO3+H2O。

碳化消耗了混凝土内Ca(OH)2等碱性物质，生成了中性的难溶性钙盐(即碳酸钙)，原来附着在钢筋表面的钝化膜消失，失去了对钢筋的保护作用，从而导致钢筋的锈蚀，降低结构的使用寿命。因此，混凝土中部分孔隙可能被碳化产物封堵，导致孔隙率下降，密度和强度提升。这虽然在一定程度上阻截了外界气体向内进行扩散，有助于碳化速度的减缓，但这种积极效应的影响甚微。

2 快速碳化试验

2.1 试验概况

本试验采用高、低温综合碳化箱，模拟人工气候环境下的快速碳化试验。

碳化环境：20%CO2；湿度为75%；温度分为20,30和40 ℃ 3组。碳化龄期分为7,14,28,56,84和112 d。

混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试验块，强度标号分别为C25，C30和C35，对应水灰比分别为0.65,0.55和0.45。混凝土试件的配合比组成见表1。

采用湖南宁乡某水泥公司制造的南方复合牌硅酸盐P.C32.5水泥，骨料为半径在0.5～3 cm之间的湘江卵石和中砂。

本试验采用3种不同标号的混凝土试块，3个为一组，每种标号的混凝土样本数为6×3个。试验过程中，运用控制变量法，逐一改变相关参数，记录试验现象和数据，最终通过所测得的碳化深度，反映出各因素对碳化的影响程度。

在经过28 d养护后，将试块取出，再在58～62 ℃的温度下烘烤48 h。在涂抹环氧树脂后，将试块放入密闭碳化箱内。碳化区域的确定还需要1%的酚酞乙醇溶液。

2.2 试验结果

通过快速碳化试验，得到了3种混凝土在不同温度下随时间变化的曲线，如图1所示。从图1中可以看出，每组试验的碳化深度随着龄期的增加而增加，初期较快，后期较慢；碳化深度在相同碳化龄期内，随着水灰比的增加而增加；温度越高，碳化至相同深度时所需要的龄期越短。

2.3 试验数据分析

表1 混凝土试件的配合比组成Table 1 Proportion composition of the concrete mixtures

图1 不同温度条件下的碳化深度Fig. 1 The depth of carbonization at different temperatures

许多学者提出了预测模型[1]，其规律为混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。

(1)

式中：k为碳化速率系数，综合反映碳化快慢的参数；xt为碳化深度，mm；t为碳化时间，d。

按照式(1)，通过Origin分析软件，对试验所得结果进行了曲线拟合，求得每组混凝土的碳化速率系数k的拟合结果及对应的相关系数R平方的取值，见表2。

分别分析抗压强度、水灰比及温度对碳化的影响，考虑多因素随机模式并将各影响系数进行组合，提出了工程中几种常见情况的混凝土碳化速率系数参考值，见表3。其结果与相关学者给出的建议值相近[4]。

3 碳化深度的概率模型

从锈蚀形态上看，混凝土中的钢筋锈蚀可分为局部锈蚀和均匀锈蚀2种。由混凝土碳化引发的钢筋锈蚀是均匀锈蚀[2]，而均匀锈蚀近似服从正态分布。

钢筋锈蚀分为3个阶段：①碳化前沿到达钢筋表面，但钢筋钝化膜并未破坏；②CO2与钢筋表面的钝化膜发生化学反应，导致混凝土发生局部破坏；③钢筋大面积腐蚀，混凝土大面积开裂，钢筋锈蚀速度加快，导致钢筋截面迅速减少，导致结构安全性能低于安全性允许的可靠指标[2]。因此，第①阶段是结构真正的安全使用期，建立的极限方程为：

表2 试块碳化结果及拟合数据Table 2 Carbonization results and fitting data of tested blocks

表3 不同条件下碳化速率系数的参考值Table 3 Reference value of carbonization rate coefficient under different conditions

Z=C-xt=0。

(2)

式中：C为混凝土碳化允许指标，取混凝土保护层厚度[5]；xt为碳化深度随碳化时间的关系函数。

锈蚀发生的概率为：

Pf(t) =P(Z≤0)=P(C-xt≤0)=

(3)

式中：Pc(s)为混凝土保护层厚度随变量C的概率分布函数；pc(s)为混凝土保护层厚度随变量C的密度函数；Pxt(s)为混凝土碳化深度在任意t时刻的概率分布函数，服从正态分布函数；pxt(s)为混凝土碳化深度在任意t时刻的密度函数，服从正态分布函数。

由式(3)可计算出任一时刻的结构发生锈蚀的概率。但是，即使对于最为简单的功能函数，用数值积分法计算结构的失效概率也是十分麻烦的。因此，在实际工程应用中，引入结构可靠度指标的概念[6]。

假设结构抗力R和作用效应S均服从正态分布，则结构的功能函数Z=R-S也服从正态分布。其均值分别为μZ,μR和μS，标准差分别为σZ,σR和σS。结构可靠度指标[1]为：

(4)

Pf=1-φ(β)。

(5)

以快速碳化试验为基础，对结构进行可靠度评估的步骤为：

1) 工程完工后，在钢筋混凝土结构上随机取样，得到一组混凝土保护层厚度的样本，利用线性无偏估计方法，计算出样本的均值和标准差。

2) 查阅资料[7-8]，得到钢筋混凝土结构所处的碳化环境。根据本研究提供的不同条件的碳化速率系数k，按照转换关系kn=0.096 9+0.025 2k，计算得到自然环境下的碳化速率系数kn，并预测出某一时间点的碳化深度。

3) 根据预测得到的碳化深度，反推出要达到该碳化深度快速碳化时所需要的时间。然后，将该时间点上得到的碳化深度测定值数组作为该时刻的碳化深度样本值。运用线性无偏参数估计方法，得到样本的均值和标准差。

4) 按式(4)计算，得到结构的可靠度指标。然后，通过中心点法(适用于的情况)或者当量正态化法，计算出结构在某一时刻的失效概率。

本试验计算了某混凝土试件在碳化40年后的碳化深度为19.204 mm，这与某一工程结构[9-10](除CO2浓度以外，其他环境条件和所计算试件所处的环境一致)在40年后的碳化深度实测平均值19.42 mm的差别非常小，从而验证了该自然环境下碳化系数和快速碳化试验碳化系数的转换关系。

4 结论

混凝土碳化是一个复杂的随机过程，是造成结构中钢筋锈蚀的主要因素之一。因此，对钢筋混凝土结构的碳化可靠度进行预测具有十分重要的现实意义。本研究在进行快速碳化试验的基础上，结合其他学者已有的研究成果，运用作者提出的方法，对结构在某一时刻的碳化可靠度进行了预测，得到了结构失效的时间，为工程结构的加固维修时间提供了依据，避免了经济损失。该方法的计算过程简便且可靠。但该方法也具有局限性：①结构所处的自然环境和试验中构件所处的环境不可能完全一样，只能够做到接近，这就会产生一定的误差；②在反推快速碳化所需时间这一程序，由于作者只测定了7,14,28,56,84和112 d的碳化深度，反推的时间不可能正好落在这些时间点上。因此，得到的碳化深度预测数组取值并不方便，只能根据碳化深度与时间的拟合曲线进行取值，这也就会产生一定的误差。如何对这2种误差进行修正，还需要进一步的研究。