碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究.pdf

2 0 1 5 年 第 3 期 总 第 3 0 5 期 Nu mb e r 3 i n 2 0 1 5 T o ta l No ． 3 0 5 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 6 碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究 孑 L 祥龙，廖开星。汤志杰， 李毅，违文新 苏州热工研究院有限公司 寿命管理技术中心老化管理研究所，江苏 苏州 2 1 5 0 0 4 摘要 安全壳混凝土结构因其特殊性， 对其耐久性方面研究成果较少 ， 而碳化作用作为混凝土老化的主要机理之一， 应进行重 点研究。 对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验 ， 取得不同龄期下安全壳混凝土碳化深度的变化规律 ； 基于此规律 ， 结合安全壳 的实际环境因素 ， 得出安全壳碳化深度随机预测模型。 以碳化深度到达保护层厚度作为失效标志， 使用 Mo n t e C a r l o模拟得到不 同服役年限下安全壳的失效概率， 并拟合得出安全壳碳化失效随机概率预测模型。 关键词 安全壳； 碳化； 失效概率； 预测模型 中图分类号 T U 5 2 8 ， 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 3 0 0 2 1 一 o 2 S t u d y o n d u r a b i l i t y o f c o n t a i n me n t c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r t h e a c t i on of c a r b on a t i o n KONG Xi a n g l o n g， L I AO Ka i x i n g，T ANG ij i e， L I Y i ， T I We n x i n D e p a r t m e n t o f A g e i n g Ma n a g e m e n t ， S u z h o u N u c l e a r P o w e r R e s e arc h I n s ti t u t e ， S u z h o u 2 1 5 0 0 4 ， C h i n a Abs t r ac t Th e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s o f c o n t a i n me n t c o n c r e t e s t r u c tur e d u r a b i l i t y i s l e s s d u e t o i t s p a r t i c u l a r i t y， a n d c arb o n a tio n s ho u l d be f o c us e d o n a s i s o n e o f t he ma i n me c h a n i s m o f c o n c r e a g i n g． Th e c h a n g e r e g u l a tio n o f c o n c r e t c c arb o n a ti o n d e p th a t d i f f e r e n t a g e s wa s o b t a i n e d b y the f a s t c arb o n i z a ti o n s ti n g o n c o nt a i n me n t c o fl c r e s p e c i me n s， b a s e d o n t h i s mg u l a ti o n， c o mb i n i n g the a c t ua l e nv i r o n me n t a l f a c t o r s o f c o n t a i nm e n t ， the r a n d o m p r e di c ti o n mo d e l o f c o n t a i n me n t c arb oniz a t i o n d e p th wa s o b t a i n e d ． Ma k i n g the c arb o na tio n d e p th r e a c h e s the p r o t e c tio n l a ye r t h i c k n e s s a s a f a i l u r e i n dic a t e， the f a i l ure p r o b a b i fit y o f c o n t a i nm e nt a t d i ffe r e n t s e r v i c e l i f e wa s r e s p e c t i v e l y g i v e n b y Mo n t e Ca r l o s i mu l a t i o n and the r a n d o m p r e dic ti o n mo d e l f o r c o n t a i n me n t c arb o n i z a ti o n f a i l u r e wa s o b t ain e d by fi t t i n g ． K e y wo r d s c o n tai n me n t ； c arb o n a ti o n ； f a i l ure p r o b a b i l i t y； p r e d i c ti o n mod e l 0 引言 安全壳是继核燃料包壳 、 一回路压力边界之后核反应 堆的第三道也是最后一道安全屏障， 其功能是当一回路管 道发生破裂 、 造成失 水事故时 ， 将事故 中的裂变产物 限制 和消除在其 内部。 由于其不 可更换 ， 其安全状态直接决 定 了核反应堆服役寿命 。 核电站安全壳混凝土结构因其对安全性、 整体性及密 封性等方面的考虑 ， 在材料 、 结构及功能上 均有别于普 通 混凝土结构 ， 有必要对其 耐久性进行单 独重点研究 ， 取 得 安全壳混凝土结构在碳化 、 氯离子侵蚀等 因素作用下性能 劣化的规律， 为预测安全壳失效概率乃至剩余寿命提供依 据 。 碳化作用是引起混凝土性能劣化最为普遍和重要 的因 素之一 ， 本研究在对安全壳混凝土试块 进行快 速碳化试验 的基础上 ， 开展安全壳混凝土结构碳化失效规律 的研究 。 1快速碳化试验 1 ． 1 试验材料及配合 比 为了尽可能模拟某核电厂安全壳混凝 土的真实情况 ， 试验用混凝土的配制强度为 C 5 0 ， 原材料除生产场地不 同 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 8 基金 项 目 国家高技术 研究 发展计 划 8 6 3计划 2 0 1 2 A A 0 5 0 9 0 1 外 ， 其余 规格都相 同 水泥采 用珠江粤绣 P Ⅱ4 2 ． 5级水 泥 ； 粉煤灰为珠 江 电厂商 品 I 级粉煤灰 ； 粗 骨料分别采 用 粒径 5 - 1 6 r n l n和 1 6 ～ 3 1 。 5 m l T l 的连续级配 的小石 和大石 ； 细骨料采用粒径 0 ． 1 6 ～ 5 ra i n的中砂 ； 外 加剂采 用江苏博 特公司生产 的 J M V I I I 。 试验 采用 1 5 0 mm x 1 5 0 mlT l X 1 5 0 r l l n l 的立方体试件 ， 水胶 比为 0 ． 4 1 ， 坍落度 为 1 4 c m 。 混凝土配合 比见表 1 。 表 1 C 5 0混凝土配合比 ／ m 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 大石 外加剂 1 7 4 3 7 5 5 0 68 0 4 6 0 6 8 0 4． 0 4 1 ． 2试 验 结果 根据扩散理论 ， 混凝土碳化过程遵循 F i c k第一扩散定 律 ， 理论上计算混凝土碳化深度的计算式为 ] √ ／2 D c o C c oX 1 M c o ／ _ ．_ f √ X 2 式 中 x碳化深度 ； D 。 c 0 在混凝土 中的有效扩散 系数 ； C 。 ， 混凝土表面 C O 2 浓度 ； 21 M 。 单位体积混凝土吸收 C O 的量 ； 卜一 碳化时间； 碳化系数 ， 反映碳化速度综合参数。 从混凝土碳化机理和理论计算式 1 可 以看 出， 混凝 土 的碳化速度主要取决于二氧化碳 的扩散速度 和二氧化 碳与混凝土中可碳化物质的反应性， 其影响因素可归结为与 环境相关的外部 因素和与混凝土本身相关 的内部因素 J 。 而快速碳化试验是在短时间内研究后者的一个重要途径 。 依据 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 普通混 凝土长期 性能 和耐 久性能试验方法标准 对试验试块进行快 速碳 化试验 ， 取 得不同碳化 龄期下混凝 土试 块的碳化 深度 ， 对 曲线 依据 式 2 进行拟合 ， 得出碳化系数 O ／ 2 ． 0 1 6 ， 如 图 1 所示 。 X2 ． 0 1 6 ff 3 童 图 1碳 化深 度拟 合 曲线 2 碳 化深度 随机预测模型 大量试验表明 ， 混凝土快速碳化和 自然碳化之间存在 一 定关系 ， 在相同碳化深度 x 下， 碳化时间与二氧化 碳浓度呈反比 ， 即 C2 t 2 C 4 l 式 中 t 混凝土快速碳化试验期 ， 1 ／ 3 6 5年 ； t 2 自然碳化龄期 ， 年 ； C ， 快速碳化时二氧化碳浓度 ， m g ／ L； C 自然环境下二氧化碳浓度 ， m g ／ L 。 根据收集 的某南方核电站大气二氧化碳浓度为 C 2 3 9 0 m g ／ L， 而快速试验用二 氧化碳浓度 为 C 。 0 ． 2 mg ／ L， 则基于快速试验的 自然碳化深度预测模型为 ■一 2 ‘。 √ 3 6 5 5 f ● X1 ． 7 6 例如 ， 电站 已服役 2 0年 ， 则 X 1 ． 7 0 7 ． 6 m m。 3 碳化失效随机概 率预 测模型 3 ． 1 碳化 失效随机概 率 混凝土结构因碳化作用而失效大致可分为两个 阶段 ， 一 是碳化发展阶段 ， 混凝土碳化深度从表面发展到钢筋表 面， 钢筋失去碱性环境保护而脱钝化 ； 二是钢 筋锈蚀破坏 阶段， 钢筋脱钝化后开始发生锈蚀到混凝土保护层锈胀开 裂、 剥落破坏阶段。 第二阶段相对第一阶段来说， 是很短的 一 段时间， 因此可将第一阶段 即碳化深度到达钢筋保护层 厚度作为混凝土碳化失效的标志 。 对某南方核 电站安全壳保护 层厚度 的实 际检测数据 进行概率统计 ， 得 出其服从正态分布 ， 记为 x～ Ⅳ 5 8 ， 9 ， 其直方分布 图和正态拟合 曲线如图 2 。 0 ． 2 O 0． 1 5 褂 鬈0 ． 1 0 0． 05 O U ZU qU 6U U i U U 钢筋保护层厚度d ／ mm 图 2 安全壳保护层厚度正态分布图 在这里将结构 的保护层厚度作为结构抗力 R， 服从正 态分布 ； 而碳化深 度作为荷 载效应 ， 随时 间按 照 X 1 ． 7 的规律变化。 当 R≤S时 即认 为结 构失效 ， 定 义结 构 失效极 限方程 Z R S ， 结构失效随机概率为 P ， 则有 P P z≤0 7 3 ． 2 碳化 失效随机概 率预 测模型 Mo n t e C a r l o 模拟是一种通过随机模拟和统计试验来 求解数学或工程技术问题近似解的数值计算方法 ， 基本原 理是某事件 的概率可 由大量试验 中该事件发生 的频率来 估算 。 这里使用 Mo n t e C a r l o 模拟研 究 P 的分布规律。 从结构抗力 尺的正态分布函数 中随机抽样 N5 0 0 0 0个 随机变量 ， 记 N z≤ 0 为 z中小于等于零的个数 ， 则 P一 r ‘f N 、 依据此方法计算不 同服役年限时的失效概率 P ， 得 出 安全壳碳化失效随机概率分布图和拟合 曲线如 图 3所示 ， 碳化失效随机概率预测模型如下， 其相关系数 R O ． 9 9 7 7 8 。 一 0， ， Y6 9 ． 2 9 1 t 由此分析可知 ， 安全壳在服役 1 0 0 年 内因碳化失效的概 率均为 0 ， 因此在其设计 寿期 4 0年 内碳化对结构耐久性影 响很小 ， 基本不存在失效 可能。 但需特别指出的是 ， 该失效 概率为一般情况下结构整体上 的失效概率 ， 不排除某些敏感 区域 保护层厚度过薄、 施工质量不佳 、 人为破坏等 出现因碳 化而使钢筋锈蚀并导致保护层开裂、 录 4 落而失效的现象发生。 褂 鞋 服役时 间 ， 年 图3安全壳碳化失效随机概率分布曲线 下转第 3 0页 H m ％ 0 O 0 O 0 0 O 0 0 0 准混凝 土 J C相 比， 混凝 土 J C 1 、 J C 2 、 J C 3含 气量 每增 加 1 ％， 实际抗压强度分别下降 5 ． 0 7 ％、 5 ． 6 2 ％、 6 ． 9 6 ％， 说明随 着含气量的增加 ， 抗 压强 度降低速率增快 ， 这 主要 是因为 加气混凝土有效 承载截面减小及受力 时孔 隙附近应力集 中程度增大引起 的。 3 结论 1 在同一龄期下 ， 引气剂掺量越多， 混凝土净浆总孔 体积、 总孔面积、 孔隙率、 孔的比表面积及骨架密度增大； 在同一含气量下 ， 随着龄期 的增长 ， 其 总孔面积 、 比表面积 增大， 总孔体积 、 骨架密度减小 。 2 含气量越大 ， 混凝 土平均孔径及孔 间距系数减小 ， 实际抗压强度降低 速率增快 ， 混凝土每增加 l ％， 实 际抗压 强度减少约 5 ％- 7 ％。 参考文献 [ 1 ]郭剑飞． 混凝土孔结构与强度关系理论研究[ D ] ． 杭州 浙江大 学， 2 0 0 4 ． [ 2 ]姚晓， 许仲梓． 低温下 油井水泥 石孔 结构与 抗压 强度 的关 系[ J ] ． 南京工业大学报， 2 0 0 4 1 1 4 ． [ 3 ]P O WE R S T C， H E L MU T H R A ． T h e o r y o f v o l u m e c h a n g e s i n h a r d e n e d p o r t l a n dc e me m p a s t e d u ri n g f r e e z i n g [ c ] ． H i g h w a y Re s e arc h Board P r o c e e d i n g s ， 1 9 5 3， 32 2 8 52 9 7． [ 4 ]P O WE R S T C， WI L L I S T F ． T h e a i r r e q u i r e m e n t o f f r o s t r e s i s t a n t 上接第 2 2页 4 总结 1 对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验 ， 取得不 同龄期下混凝土碳化深度的变化规律； 基于此规律， 结合安 全壳的实际环境因素 ， 得出安全壳碳化深度随机预测模型。 2 使用 Mo n t e C a r l o 模拟得到不同服役年限下安全壳 的失效概率， 并拟合得出安全壳碳化失效随机概率预测模型。 参 考文献 [ 1 ]阿列克谢耶夫著， 黄可信， 吴兴祖， 等译． 钢筋混凝土结构中钢 筋腐蚀与保护[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社， 1 9 8 3 ． [ 2 ]牛荻涛 昆凝土结构耐久性与寿命预测[ M] ． 北京 北京科学出 上接第 2 6页 参考文献 [ 1 ]胡峰， 张伟平， 顾祥林． 钢筋混凝土柱低周反复荷载试验加载 方法的比较研究[ J ] ． 结构工程师， 2 0 1 1 ， 2 7 2 9 5 1 0 1 ． [ 2 ]P R I E S T L E Y M J N， P A R K R ． S t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f c o n c r e t e b r i d g e c o l u m n s u n d e r s e i s mi c l o a din g [ J ] ． A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 8 7 ， 8 4 1 6 1 7 6 ． 1- 3 ]MA N D E R J B， P R I E S T L E Y M J N， P A R K R ． T h e o r e t i c a l s t r e s s s t r a i n mo d e l f o r c o n fi n e d c o n c r e t e [- J ] ． J o u rna l o f S t r u c t u r a l En g i n e e ri n g ， 1 9 8 8 ， 1 1 4 8 1 8 0 41 8 2 6 ． 1- 4 ]周文峰， 黄宗明 ， 白绍良_ 1 氐周反复荷载下约束混凝土模型的 比较研究[ J ] ． 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 3 5 9 6 2 ． [ 5 3司炳君 ， 孙治国， 艾厌华 ， 等． 钢筋混凝土桥墩滞回性能的有限 元参数敏感性分析及模型改进[ J ] ． 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 7 4 1 8 0， 1 8 6． ． 3 0 c o n c r e t e [ c] ． H i g h w a y R e s e arc h B o ar d P r o c e e d i n g s ， 1 9 4 9 ， 2 9 1 8 321 1 ． [ 5 ]P O WE R S T C ． A w o r k i n g h y p o t h e s i s f o r f u r t h e r s t u d i e s o f f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e [ c ] ． A C I J o u r n a l Pro c e e d i n g s ， 1 9 4 5 ， 1 1 2 4 5 27 2 ． [ 6 ]吴中伟， 廉惠珍． 高性能混凝土[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 1 9 9 9． [ 7 ]张子明， 周红军， 赵吉坤． 温度对混凝土强度的影响[ J ] ． 河海大 学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 6 6 7 4 6 7 9 ． [ 8 ]重建工． 混凝土学[ M] ． 北京 中国建筑工业出版杜， 1 9 8 5 ． [ 9 ]张德思， 成秀珍． 硬化混凝土气孔参数的研究[ J ] ． 西北工业大 学学报， 2 0 0 2 ， 2 0 1 1 0 1 3 ． [ 1 0 ] 杨钱荣， 张树青， 杨全兵， 等． 引气剂对混凝土气泡参数的影 响[ J ] ． 同济大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 3 3 7 4 3 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出版社， 1 9 9 7 ． 作者简介 联系地址 联系电话 刘建民 1 9 6 2一 ， 男， 副教授 ， 主要从事混凝土结构施 工、 设计及抗震研究。 西安市 长安区西 北工业大学 力学与土 木建筑学院 7 1 0 1 2 9 1 3 6 29 2 7 2 3 6 3