钢筋混凝土构件碳化寿命可靠度分析

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发布时间：2021-09-12

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I摘要】分析混凝土的碳化及钢筋的锈蚀过程，并基于混凝土结构碳化寿命可靠度分析，
对钢筋混凝土构件可靠度及碳化寿命研究建立求解模型。实例分析表明，该方法对钢筋
混凝土构件的可靠性评估、后期服役期限及加固处理有一定的借鉴作用。
【关键词】钢筋混凝土；碳化寿命；钢筋锈蚀可靠指标
f文章编号】1672—7045(2011)03 0072-03 f中图分类号】TU375 [文献标识码j A
Abstraet：By project case，this pape r discusses on reliability analysis of
reinforced concrete members by carbonation life span．
n3『1I哪也：reinforced concrete；carbonation life span；reinforcement corrosion
reliability index
钢筋混凝土结构在我国的工业与 1钢筋疗昆凝±构件闹：￡程
民用建筑中占有很大的比例。新中国
成立初期修建的建筑已经达到或者逐
渐达到了服役年限。这部分建筑我们
必须进行检测、鉴定，对于能继续使
用的应该预测未来使用年限，对于存
在质量隐患的必须采取加固处理措
施。然而传统的检测方法只能定性分
析结构的可靠性及后期使用年限，因
此有必要采用一种能够定量分析结构
可靠度及使用年限的方法，准确预测
在役钢筋混凝土结构的剩余寿命，充
分挖掘已有钢筋混凝土结构的使用潜
力。
1．1混凝土碳化及钢筋电化
混凝土的碳化是混凝土所受到
的一种化学腐蚀。空气中二氧化碳
气体渗透到混凝土内，与其碱性物质
起化学反应后生成碳酸盐和水[其主
要化学反应式为：Ca(OH) +CO2一
CaCO +H，0]。使混凝土碱度降低
的过程称为混凝土碳化，又称作中性
化。混凝土的碳化致使其成分、组织
和性能发生变化。对于素混凝土，碳
化能提高混凝土耐久性的效果；但对
于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土
的碱度降低，增加混凝土孔溶液中氢
离子数量，进而破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土
失去对钢筋的有效保护作用，继而导致混凝土中钢
筋锈蚀。钢筋锈蚀的电化反应主要是有水和氧气的
作用而生成不溶性Fe(OH)3 0钢筋锈蚀物的体积是
相应原钢筋体积的2～4倍，即出现体积增大，从而
向四周扩展。随着锈蚀的加剧，混凝土保护层发生
的开裂。在一般大气环境中，碳化引起的钢筋锈蚀
是十分普遍的现象，也是影响钢筋混凝土耐久性的
关键因素之一。因此，碳化与钢筋混凝土结构的耐
久性密切相关，其关系到混凝土保护层的锈胀、开
裂、脱落，关系到与钢筋的黏结力、钢筋面积的损
失、构件材料物理力学性能及其刚度承载力的不断
下降乃至丧失，从而影响结构的安全性、适用性和
耐久性。所以，混凝土碳化程度是衡量钢筋混凝土
构件可靠度的重要指标。
1．2 混凝土碳化及钢筋锈蚀特征
从时间来看，在自然环境条件下混凝土中钢筋
腐蚀发生的破坏过程可由图1的四个阶段来表示，各
阶段的特征见表1。
由此可见，第一阶段为钢筋混凝土结构真正意
义上的安全使用期，对于其构件的寿命预测应当是
t 的预测；当构件进入第三阶段时应采取加固维修措
施，防止构件进一步恶化。
2基于Fick定律的一般碳化模型
由以上分析可知，混凝土碳化是环境中的二氧
化碳向混凝土内部扩散，并与混凝土中的可碳化物
质发生化学反应的过程，因此，很多学者使用扩散
理论研究混凝土的碳化规律。在一定的假设条件下
钢
筋
锈
蚀
程
度
图1混凝土中钢筋锈蚀过程示意图
(① 混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布；② 未碳化
区浓度为零；③ 单位体积混凝土吸收二氧化碳的量
为恒定值)扩散服从Fick第一定律。理论上计算混
凝土碳化深度的公式为：X=k ( 为碳化深度；
为碳化系数，是反映碳化速度快慢的综合参数；为
碳化时间) 。基于Fick经典碳化模型，可以比较方
便直观地求解出混凝土的碳化寿命，但是不能全面
反映其与环境有关的外部因素及与混凝土本身有关
的内部因素对碳化的影响。因此，必须寻找一种能
够全面反映其变化特征的预测模型。
3 混凝土碳化寿命随机预测模型
西安建筑科技大学检测站在旧建筑物检测鉴
定中，对混凝土碳化深度进行了大量的实测并应用
K—S方法对其分布进行拟合，结果表明，碳化深度
的概率模型可用正态分布表征，其碳化深度的一维
概率密度函数可以表示为：