水工結(jié)構(gòu)混凝土碳化耐久性失效時間研究

水工結(jié)構(gòu)混凝土碳化耐久性失效時間研究

結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)在化學、生物或其他環(huán)境因素的影響下，由于給定時間內(nèi)材料性能的惡化，結(jié)構(gòu)無法接受的失敗概率?；诨炷撂蓟慕Y(jié)構(gòu)正常使用概率壽命預測,是以保護層混凝土碳化從而失去對鋼筋的保護作用,使鋼筋開始銹蝕的時間作為混凝土結(jié)構(gòu)正常使用概率壽命,其標志是混凝土碳化深度到達鋼筋表面.因此,混凝土碳化是水工結(jié)構(gòu)失效的前提,碳化的速度及變化規(guī)律是研究的主要問題.混凝土碳化達到鋼筋表面或侵蝕介質(zhì)在混凝土與鋼筋表面的濃度達到臨界值后,鋼筋的銹蝕加速,即在此之前是真正的安全使用期.最保守的混凝土結(jié)構(gòu)正常使用概率壽命預測是在碳化深度剛到達鋼筋表面,銹蝕剛發(fā)生,結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生縱向裂縫的時間.當結(jié)構(gòu)處于該時間,應盡快維修加固,以延長其正常使用壽命.1現(xiàn)場檢測內(nèi)容某水庫混凝土重力壩竣工于1982年,至耐久性檢測時已經(jīng)運行了23a.現(xiàn)場檢測內(nèi)容包括:混凝土強度檢測,混凝土保護層厚度檢測,混凝土碳化深度檢測,混凝土中鋼筋銹蝕狀況檢測.1.1混凝土強度的推定根據(jù)水庫混凝土壩體的實際情況,對混凝土強度的檢測采用回彈法,取芯樣修正的方法進行:左岸、右岸擋水壩段,閘墩,溢流壩段部位均根據(jù)施工現(xiàn)狀劃分為10個不同檢測區(qū)域,每個區(qū)域布設10個測區(qū).各部位混凝土強度推定結(jié)果見表1.1.2混凝土固碳深度分析1.2.1活性炭深度測定在10個測區(qū)內(nèi)呈品字形布置3個測孔,孔深控制在40mm左右,清除孔內(nèi)粉末,用干布擦凈,噴灑1%酒精酚酞溶液,變色后用游標卡尺測量碳化深度.1.2.2各部位活性炭深度的檢驗對各部位混凝土碳化深度的分布類型進行χ2假設檢驗.結(jié)果表明:碳化深度較好地服從正態(tài)分布,如圖1～4所示.各部位碳化深度的統(tǒng)計分析結(jié)果見表2.1.3混凝土保護層厚度的測量和統(tǒng)計分析混凝土保護層厚度檢測按上述4個區(qū)域進行,每個區(qū)域選取20測點.經(jīng)統(tǒng)計分析,混凝土保護層厚度服從正態(tài)分布,其統(tǒng)計特征見表3.1.4混凝土中鋼筋的腐蝕試驗和評價采用鋼筋銹蝕儀打孔抽查鋼筋的銹蝕情況,分別在上述4個區(qū)域進行檢查.檢測結(jié)果表明:在壩體的混凝土密實區(qū),未發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象.2混凝土結(jié)構(gòu)使用時間t基于Fick(第一擴散定律)經(jīng)典碳化模型,預測混凝土碳化深度的經(jīng)驗公式為X(t)=kt12X(t)=kt12(1)式中:X(t)為混凝土碳化深度(mm);t為結(jié)構(gòu)使用時間(a);k為混凝土碳化速度系數(shù).根據(jù)式(1)可知,混凝土碳化速度系數(shù)與碳化深度具有相同的概率分布類型,其碳化速度系數(shù)的統(tǒng)計特征見表4.3確定碳基碳耐久性目標可靠度,確定碳基碳碳已有水工結(jié)構(gòu)的混凝土保護層厚度為c(隨機變量),預測的混凝土碳化深度為X(t)(為隨機過程),簡化認為混凝土碳化殘量為0(即認為碳化達到鋼筋表面時,鋼筋發(fā)生銹蝕),則混凝土碳化耐久性的極限狀態(tài)可表示為Z(t)=c-X(t)(2)Z=0,結(jié)構(gòu)處于碳化耐久性極限狀態(tài);Z<0,結(jié)構(gòu)處于碳化耐久性失效狀態(tài);Z>0,為結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài).當前t0時刻,混凝土碳化深度X(t0)反映了該結(jié)構(gòu)在使用歷史上大氣環(huán)境對結(jié)構(gòu)的影響,根據(jù)上述的碳化模型,經(jīng)過實測當前時刻的碳化深度,可推測未來繼續(xù)使用期碳化深度.混凝土保護層厚度c可由上面實測值統(tǒng)計得到.結(jié)構(gòu)在未來時間t1內(nèi)碳化耐久性失效的概率為Pfc(t)=P{c-X(t)<0},t∈(t0+t1)(3)可靠指標βc(t)=Φ-1{1-Pfc(t)},t∈(t0+t1)(4)要保證現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的耐久性可靠度指標在規(guī)定的標準下繼續(xù)使用到t=t0+t1時刻,若t=t0+t1內(nèi)的βc(t)低于規(guī)定標準,則必須采取相應的維修加固措施,以提高耐久性可靠指標.根據(jù)當前t0時刻的碳化深度實測值,可以推斷在要求的耐久性可靠指標的前提下結(jié)構(gòu)碳化耐久性壽命,即要求βc(t0+t1)>β*(β*為要求的耐久性目標可靠指標),反算t1即可得到碳化耐久性剩余概率壽命,在對重要建筑物進行碳化壽命分析時,混凝土的碳化目標可靠指標取為β*=0.5.求得的各部位碳化概率壽命及剩余碳化概率壽命見表4.根據(jù)表4的計算結(jié)果,基于實測數(shù)據(jù)的碳化概率壽命綜合評定Tc=Tci,min=56.8a;剩余碳化概率壽命綜合評定為Tcs=Tcsi,min=33.8a.4模型性能分析由于水工結(jié)構(gòu)和實際環(huán)境的復雜性及耐久性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏,研究往往存在許多困難.對于水工結(jié)構(gòu)而言,碳化程度的影響因素很多,很難給出適用的預測模型.而實際工程應用中,希望能根據(jù)工程檢測數(shù)據(jù)預測結(jié)構(gòu)的正常使用概率壽命.因此,按實測的當前時刻的碳化深度來推測碳化深度剛到達鋼筋表面的時間及碳化耐久性剩余概率壽命,其關(guān)鍵是如何根據(jù)實測碳化深度的統(tǒng)計值推算混凝土碳化系數(shù)的統(tǒng)計值.結(jié)合某水庫混凝土壩體的耐久性檢測工作,通過小樣本耐久性檢測數(shù)據(jù)來推斷出相關(guān)隨機變