碳化环境下混凝土结构耐久性模型的更新方法

　　摘 要：碳化环境下的混凝土结构耐久性模型，是基于扩散理论、快速试验、自然暴露试验以及工程经验建立的。由于结构固有的不确定性和服役环境的复杂性，理论模型的预测结果与实际结构检测的耐久状况存在较大偏差。该文利用工程耐久性检测获得的碳化深度、检测钢筋锈蚀比例、检测混凝土开裂比例，综合先验知识，基于贝叶斯理论，提出碳化环境下的耐久性模型更新方法。结合结构实际的检测结果，经过更新的耐久性预测模型与待评估结构实际耐久状况更相符。依此模型进行相应剩余耐久寿命的概率预测和耐久性评级，为既有结构耐久性评估提供参考。

　　关键词：耐久性评估;碳化环境;检测信息;模型更新;寿命预测

　　钢筋混凝土结构是现存最广泛的建筑结构形式，碳化环境下混凝土结构的耐久性问题，是目前我国既有混凝土结构普遍存在的问题。受碳化影响较严重的结构，如工业厂房结构(常年处于高温高湿环境)、交通隧道和地下结构(交通废气中的CO2积聚到较高水平)等，结构潜在的使用寿命主要取决于碳化速率和随后的钢筋腐蚀[1−4]。

　　对碳化深度和钢筋锈蚀的准确预测，是结构维护与维修决策的关键。在倡导可持续发展的今天，通过利用既有混凝土结构的无损检测信息，综合理论知识、实际环境和结构的历史损伤状态，采用概率方法对耐久性模型进行更新，并利用更新后的模型预测结构的剩余耐久寿命，建立基于概率的耐久性评估方法，具有重要的工程意义。

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　　国内外的耐久性评估标准，如我国《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355−2019)[1]，日本的“Standard Specifications for Concrete Structures”[5]，美国的“Life-365 Service Life PredictionModel”[6]等，采用的耐久性评估与预测模型，均是基于扩散理论、快速试验、自然暴露试验以及工程经验建立的半理论半经验模型。规范对结构耐久性的评估，采用了确定性的方法，忽略了模型本身的不确定性。国内外学者提出了基于概率的既有混凝土结构耐久性评估与寿命预测方法[7−11]，对于碳化环境下的更新，主要针对碳化深度预测模型，而针对钢筋初始锈蚀模型及保护层初始锈胀开裂模型，目前尚无相应的更新方法。

　　实际工程中，钢筋锈蚀和保护层锈胀开裂的检测结果，与模型的计算结果差异较大[12]，这与结构实际服役环境的复杂性、结构固有的不确定性及试验材料和试验条件的差异性相关[1]。对结构进行耐久性检测，可以提高对结构及环境作用历史的认识，充分利用检测信息，能在一定程度上更新结构未来的耐久性失效概率[13]。

　　碳化环境下的耐久性无损检测可获得的信息包括：混凝土强度、保护层厚度、碳化深度、锈蚀钢筋比例和可观测到的混凝土顺筋裂缝。目前基于这些信息提出的耐久性失效概率更新方法有两种：一种是由Suo和Stewart等[14]提出基于贝叶斯理论的失效结果更新方法，通过当前的锈蚀/开裂样本比例，更新未来的锈蚀/开裂概率，更新过程仅以时间为自变量，仅能对未来的现象进行更新;第二种是通过对耐久性参数分布的贝叶斯更新，实现对失效概率预测的更新，更新效率依赖于参数样本的数量和信息的准确性。

　　目前尚未提出基于当前检测的锈蚀/开裂样本比例，通过模型更新获得更贴近所检测结构实际状况的耐久性失效模型的方法。鉴于此，本文基于无损检测获得的碳化环境下的耐久性相关信息，采用贝叶斯理论，提出更适用于检测结构的耐久性失效模型(钢筋初始锈蚀模型、保护层初始锈胀开裂模型)的更新方法，并根据更新后的耐久性模型，对所检测结构的剩余耐久寿命进行概率预测，完善基于概率的耐久性评估理论。本文使用了《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355−2019)中的耐久性模型，旨在给出模型的更新方法。

　　1 混凝土结构碳化环境下的耐久性模型

　　混凝土的碳化，又称混凝土的中性化，是空气中的CO2气体向混凝土内部扩散，并与混凝土孔隙中的碱性水溶液及各水化产物发生物理化学反应的过程[15]。碳化会降低孔隙中溶液的PH值，对混凝土中钢筋的电化学稳定性产生不利影响。当PH值降至9时~11时，钢筋开始脱钝，并逐渐锈蚀，锈蚀产物的体积是钢筋体积的2倍~6倍，随着锈蚀量的增加，混凝土保护层开裂，随后裂纹不断扩展[16]。

　　一般将上述过程划分为3个阶段：钢筋初始锈蚀阶段、混凝土保护层初始锈胀开裂阶段和裂缝不断扩展阶段[1]。碳化耐久性分析中，碳化速率和钢筋锈蚀速率与环境相对湿度、相对温度、CO2浓度、混凝土材料特性(水泥品种、水灰比)、混凝土保护层厚度等相关。考虑到影响因素的可检测性，《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355−2019)，给出了适用于多数现存混凝土结构碳化环境下的耐久性工程模型。

　　1.1 碳化深度预测模型

　　混凝土中胶凝材料水化后，孔隙水溶液中含有大量的K+、Na+、Ca2+和OH−，溶液PH值约为13左右，呈高度碱性。大气中的CO2通过孔隙结构迁移到混凝土中，并与混凝土中的Ca(OH)2反应，称为“碳化”，碳化反应方程式主要为[17]：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O(1)水泥浆中的其他矿物成分，也可以与孔隙溶液中溶解的CO2发生反应，包括硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸盐等。碳化深度的工程预测模型，在Fick定律的基础上，考虑为暴露时间的平方根函数[18]。

　　1.2 钢筋初始锈蚀模型

　　碳化导致混凝土孔隙溶液的PH值降低，破坏了预埋钢筋的电化学稳定性，导致钢筋脱钝，并引发锈蚀。理论上，当碳化深度达到钢筋表面时，钢筋初始锈蚀。而实际工程发现，有时碳化尚未达到钢筋表面但钢筋已经发生锈蚀，有时碳化超过了钢筋表面但钢筋尚未锈蚀[20]。部分学者称碳化前沿与钢筋表面的区域为不完全碳化区[21]，《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355−2019)定义为碳化残量，并根据工程经验。

　　2 基于无损检测信息的模型更新方法

　　采用《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344−2004)[22]、《混凝土结构现场检测技术标准》(GB/T50784)[23]和《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23−2011)[24]的方法，对既有混凝土结构展开调查检测，获得的无损检测信息包含混凝土强度、碳化深度、保护层厚度、通过半电池电位法确定的钢筋锈蚀状况，以及可观测到的混凝土表面开裂情况。

　　本节利用检测获得的定性或定量耐久性相关信息，采用贝叶斯理论，提出对前述碳化深度预测模型、钢筋初始锈蚀模型、混凝土保护层初始锈胀开裂模型的更新方法，减小模型计算结果与实际结构耐久情况的差异，提高模型准确性，用于结构剩余耐久年限的预测，并依托《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T51355−2019)进行混凝土结构耐久性评级。

　　3 实例分析

　　我国目前处于结构新建与维修改造并重阶段，现存了大量的既有混凝土结构，需要进行可靠的耐久性能评估，以做出合理的维修加固或改造决策[15]。工程实践表明，混凝土中的钢筋锈蚀是导致结构性能退化的最主要因素。对一般室内环境建筑，通常可以维持50年不维修，对室外环境，使用30年−40年即需要维修，对南方潮湿地区，使用20年−30年即维修，对重工业建筑，使用25年−30年即需大修，对恶劣环境下的建筑，一般10年−20年就出现严重损害[27]。采用文中方法，基于工程检测信息，可综合先验信息和结构服役的历史耐久性能，对由理论和实验获得的耐久性机理模型进行更新和修正，以预测未来的损伤和耐久寿命，同时依托《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355−2019)，对结构做出合理的耐久性评估。此处引入文献[19]中的工程实例，说明本文方法的适用性。

　　3.1 基本信息实例为武汉钢铁公司江心水站，建于1957年，检测时已使用44年，具体介绍参见文献[19]。为排除其他因素的影响，本文仅考虑水站主体结构中的内筒内部钢筋混凝土梁板评定单元。

　　根据测试结果，环境相对温度为34.1oC，相对湿度为68%。采用回弹法测试混凝土强度，并用回弹超声综合法进行复核，得到混凝土强度等级为35.3 MPa。单元内布置10个测区测定混凝土碳化深度，每个测区呈品字形布置三个测孔，孔深控制在40 mm左右，用气筒清除孔内粉末，用布擦干净后喷洒1%酒精酚酞溶液，等变色后用游标卡尺测量碳化深度(每孔在相对边测2个数据，精确至0.1 mm)。

　　共检测混凝土碳化深度样本60个，统计分析样本平均值为20.7 mm，样本标准差为3.9 mm，变异系数为0.19。对混凝土保护层厚度进行检测并统计，发现其变异性较大，共检测样本20个，样本统计均值为41.4 mm，标准差为17.9 mm，变异系数为0.43。对混凝土中的钢筋锈蚀状况进行测试和评定，采用钢筋锈蚀测试仪和打孔抽查的方法，测点与混凝土保护层厚度测点相同，共20个样本，均未发现钢筋有任何锈蚀现象。

　　4 结论

　　由于工程结构服役环境的复杂性、结构自身的不确定性及试验材料和试验条件的差异性，目前基于机理的碳化环境下混凝土结构耐久性模型的预测结果，与检测结构的实际耐久性状态具有较大差异。本文基于无损检测信息，提出了碳化环境下混凝土结构耐久性模型的更新方法，并根据更新后的耐久性模型，对所检测结构的剩余耐久寿命进行概率预测。采用更新后的预测结果，结合《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T51355−2019)中的耐久性评级方法，对所检测结构进行构件耐久性评级。本文提出的耐久性模型更新方法具有普适性，而更新后的耐久性模型和评估结果，结合了待评估结构的无损检测信息，具有针对性。

　　参考文献：

　　GB/T 51355−2019, 既有混凝土结构耐久性评定标准[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2019.GB/T 51355−2019, Code for durability assessment ofexisting concrete structures [S]. Beijing: ChinaArchitecture and Building Press, 2019. (in Chinese)

　　[1]邢国华, 杨成雨, 常召群, 等. 锈蚀钢筋混凝土柱的修正压-剪-弯分析模型研究[J]. 工程力学, 2019, 36(8): 87 −95.Xing Guohua, Yang Chengyu, Chang Zhaoqun, et al.Study on modified axial-shear-flexure interaction modelfor corroded reinforced concrete columns [J]. EngineeringMechanics, 2019, 36(8): 87 − 95. (in Chinese)

　　[2]余波, 陈冰. 锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力计算的概率模型[J]. 工程力学, 2018, 35(11): 121 − 130.Yu Bo, Chen Bing. Probabilistic model for shear strengthof corroded reinforced concrete beams [J]. EngineeringMechanics, 2018, 35(11): 121 − 130. (in Chinese)

　　[3]邢国华, 武名阳, 常召群, 等. 锈蚀预应力混凝土梁承载力及破坏模式研究[J]. 工程力学, 2020, 37(7): 177 −188

　　作者：谷 慧，李全旺，侯冠杰

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