混凝土结构耐久性及其稳健回归分析.pdf

2 0 1 2 年 第 8 期 总 第2 7 4 期 Nurn b e r 8 i n2 0 1 2 T o tal No ． 2 7 4 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i l O ． 3 9 6 9 ．i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 8 ． 0 1 3 混凝土结构耐久性及其稳健回归分析 朱军 武汉大学 基建管理部 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 摘要 混凝土结构耐久性是结构设计中需要考虑的一个重要指标， 在工程实践中， 随着时间的流逝， 混凝土结构耐久性不足问题逐步 暴露， 逐渐引起了工程界的广泛关注。 随着使用时间的延长， 混凝土界面的变小或混凝土质量的退化以及钢筋的锈蚀， 是导致结构构件的 强度退化的主要原因。 在试验的基础上对现有的钢筋混凝土结构进行耐久性分析， 得出这方面相关的重要数据， 为以后的设计和施工奠 定数据基础， 并为科学的解决混凝土耐久性问题提供重要的依据。 关键词 混凝土 ；耐久性 ；回归分析 中图分 类号 T U5 2 8 ． O 1 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 0 4 1 0 3 Ro bus t r egr e s s i on an al y sis o f t h e dur a bi l i t y of c on c r e t e s t r u c t ur e ZHU J an I n f r a s t r u c t u r e Ma n a g e me n t D e p a r t me n t o f Wu h a nUn i v e r s i t y Wu h a n4 3 0 0 7 2 ， C h i n a A b s t r a c t T h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s tr u c t u r e i s an i mp o an t i n d i c a t o r o f t h e s t r u c t u r a l d e s i g n ．I n e n g i n e e ri n g p r a c t i c e ， w i t h the p a s s a g e o f t i me ， t h e p r o b l e m o f i n s u ff i c i e n t d ura b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e s g r a d u a l l y ， a n d thi s p r o b l e m h a s a r o u s e d e x t e n s i v e c o n c e r n i n the e n g i n e e fi ng s e c t o r ．W i th p r o l o n g e d t i me o f u s e， s ma l l e r c o nc r e t e i nte r f a c e， the q u a l i t y o f c o n c r e t e d e g r a d a t i o n an d c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g r o d s a r e the ma i n r e a s o n s f o r s e n g t h d e g r a d i o n o f s t r u c t u r a l e l e me n t s ．On the b a s i s o f i mp o an t d a t a o b t a i n e d b y the e x p e ri me n t s d ura b i l i ty a n a l y s i s o f e x i s t i ng r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e wi l l l a y a d a t a ba s e f o r f u t u r e d e s i gn a n d c o n s t r u i o n， and p r o v i d e an i mp o r t a n t ba s i s for a s c i e n t i fi c s o l u t i o n t o the d u r a bi l i t y of c o n c r e t e ． K e y wo r d s c o n c r e t e ； d u r a b i l i ty ； r e g r e s s i o n a n a l y s i s 1 混凝土耐久性 问题及保 障措施 混凝土结构构件在 自然条件 、 一定环境及内部材料因素的 情况下， 伴随着服役时间的加长， 自身承载能力和性能会逐步 退化而下降， 大大降低结构的使用周期 ， 因此结构的承载力使 用性能不能得到发挥【 1] 。 钢筋锈蚀是混凝土结构中致使其耐久 性损伤的主要因素， 在一般外部状态下 ， 碳化则是混凝土结构 中钢筋锈蚀的首要因素 ， 另外 ， 评估钢筋混凝土耐久性损伤和 结构变形的重要指标是碳化深度。 所以掌握混凝土结构碳化深 度 以及预测模 型对混凝 土结构 的耐 久性 的影 响分析和寿命 评 估具有特殊作用翻 。 从混凝土结构的角度看 ， 保证耐久性所需要关注的主要有 以下几个方面 防止混凝土结构构件表面的混凝土因侵蚀和水融等而逐 渐剥蚀。 针对表层的过于严重的侵蚀， 采取提高混凝土密实性的 措施是有效的 如提高强度， 即提高水凝用量， 减少用水量以提 高密实度 ， 或在混凝土中增加磨细填充料以提高密实性 。 在混 凝土结构中， 一般情况下其 p H值会达到 1 2及以上 ， 不过因为 碳化导致 p H值略有点低， 全部碳化的 p H值达到 8及以上， 在 这种状况下， 里面的上下铁很容易受到侵蚀腐蚀【3 j 。 在混凝土腐 蚀过程中发生了电化学反应和一般性化学反应 ， 由于混凝土构 件里面钢筋的负电极对外部环境造成电势差， 进而导致电化学 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 2 1 0 反应发生； 另外构件钢筋表面与空气中的氧和水接触而形成水 溶性物质通过孔隙将电解质扩散到阳极， 脱水形成氧化铁物质， 在钢筋与水溶性土黏结过后发生亚种的锈蚀 ， 导致混凝土膨胀， 进而破坏构件中两者的嵌固性能州 。 对于强腐蚀 ， 只能做专门的 防腐蚀面层或者面砖 注意灰缝也要抗腐蚀 。 在混凝土内加 “ 引气剂” 使微孔隙连通， 是防止冻融破坏的的有效措施。 根据 国内混凝土结构耐久性状态的调查一类环境设计使用年限为 5 0年基本可以得到保证 ， 但国内一类环境实际使用年数超过 1 0 0年的混凝土结构极少 ， 耐久性调查发现实际使用年数在 7 0 ～ 8 0 年 ， 一类环境中的混凝土构件基本完好 ， 这些构件的混凝 土立方体抗压强度在 1 5 MP a 左右， 保护层厚度 1 5 ～ 2 0 I ／ l l r l 。 表 1 混凝土结构 耐久性标准 控制受力裂缝 指可以计算其开展宽度的由各类构件承担 受力作用所形成的裂缝 和其他裂缝 指不容易计算器展开宽 度或者混凝土收缩变形和受到温度变形限制而引发的强制应 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力所形成的裂缝 的宽度 ， 以推迟或者避免与这些裂缝相交的 混凝土构件中钢筋的锈蚀。 钢筋的锈蚀是在钢筋表面存在酸性 溶质时才能产生的电离现象 在p H值大于 1 0 时无法发生锈蚀 ， 一 旦钢筋以外 的保护层混凝土的碱骨料被中和， 后被侵入的 C O 就会在钢筋表面形成弱酸性溶液， 当氧气也伴随水和 C O 侵 入时， 钢笳锈蚀这一电离过程就会 自动开始 ， 其后果是钢筋沿 全长同步逐渐锈蚀 ， 当锈蚀严重时 ， 钢筋周围的锈蚀壳会把表 面混凝土沿钢筋膨胀， 甚至产生裂缝嘲 。 表 2 混凝土结构的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的极限 推迟混凝土表层混凝土自外向内的碳化进程 ， 或加厚混凝 土保护层厚度 ， 从而使碳化在结构设计使用年限内不致达到钢 筋表面开始锈蚀， 混凝土碳化 中性化 是影响混凝土结构耐久 性的重要因素 ， 硅酸盐水泥水化后生成物中有氢氧化钙结晶， 所以凝胶体呈碱性 ， 空气中的二氧化碳从混凝土表面经微孔隙 向内侵入 ， 因其水溶液的碳酸根而呈弱阳性 ， 长时间侵入， 中和 氢氧化钙 ， 使混凝土从表层向内逐步失去碱性， 这一现象称为 混凝土的碳化。 混凝土碳化是混凝土中的某些化学成分与二氧 化碳发生化学反应过程中产生的必然现象 ， 它只与混凝土碳化 过程有关 ， 从量值上来看， 部分碳化区总是大于零 ， 碳化残量的 大小与部分碳化区长度和钢筋脱钝有关 ， 随碳化时间增长， 部分 碳化区增长， 当达到某一值后将不再增长。 国外学者通过不同 混凝土水灰比情况下的室外暴露试验得出碳化腐蚀情况。 防止 混凝土结构因碳化而锈蚀的办法是 使混凝土的实际使用年限 内保护层厚度大于混凝土的预计碳化深度， 其中碳化深度是经 试验观测得到的， 即不同环境下碳化深度与混凝土使用时间的 关系。 保持混凝土的质量稳定性， 防止诸如“ 碱一 骨料反应” 等引 起混凝土的内部开裂， 这种“ 病害” 不仅涉及一般混凝土结构构 件， 还涉及其他工程中大体积混凝土构件。 其含义是结构在其使 用年限内保持其承载能力及正常使用性能的能力。 本分析从城 市规划的基本方向出发， 对城市绿色生态规划设计中的问题进 行分析， 研究规划绿色生态城市的内容。 以科学发展观为城市规 划设计指导 ， 认识到规划绿色城市的重要性， 通过对整个环境 的设计来整合规划要素， 旨在构建 自然环境与人居环境的完美 结合 ， 并为以后的规划设计提供参考依据。 2 混凝土结构耐久性 分析 混凝土结构耐久性回归分析法是一种简便快捷的使用方 法， 对检测时间没有特殊的限制 ， 回归分析模型要求所选取的 容量样本数据要相当多， 只有这样才能使中值预测公式的有效 性和精确性得以保障， 才能正确反映混凝土结构耐久性的变换 情况。 回归分析模型运用于较长时间内每个检测过程中的频繁 运用分析。 一般采用全概率模拟预测。 即用状态矩阵转移来表 示混凝土构件网络里某组具有共同性质的全概率模型预测， 即 某种属性的混凝土构件在一定时期内从一种形态转换成另外 的形态的概率。 但是影响混凝土结构耐久性的要素比较多， 而且 各种要素间的关系也不尽相同， 因此该模型的曲线分析适合于 变化很大的线性概率分析。 2 ． 1 混凝 土碳化 深度 随机概 率模 型 混凝土结构耐久性分析在波动比较大的情况下， 及大波动 下， 混凝土结构构件因其耐久性很弱而需要拆除或者修复才可 以继续使用 ； 在变化较小的情况下 ， 即小波动 平滑 情况构件 耐久性变化波动也比较小， 通过模型数据线性分析得出混凝土 结构构件的耐久性状况和偏差状况， 见表 3 、 4 。 表 3 混凝土结构的耐久性随机概率模型 虽然数据比较离散， 但碳化系数K 随混凝土强度增加而逐 K a F u - b 渐减小。 根据这种变化趋势， 选配如下两条曲线进行回归分析 式中 a ， 6 回归参数； 42 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ， 试验检测的混凝土强度等级， MP a 。 利用最小二乘法进行回归分析， 可以得到参数 。和 b的值。 由上面的线性回归曲线可得到拟合曲线如图 1 。 将实测得到的 碳化深度 与计算碳化深度 。 比值 。 对于混凝土结 构梁来说， 其概率由混凝土强度随栅眭变化反映出来 ， o ， b值作 为回归参数是一定值， 但随着混凝土结构服役时间的增加 ， 混凝 土结构碳化到钢筋表面的时间和深度不断增加， 锈蚀钢筋表面 的速率 与混凝土结构保护层厚度是有 密切联 系的。 混凝土 强度 ／ MP a a 混 凝 土 强 度 ／ MPa b 图 1回归拟合 曲线 施工时因为总是有测量放线等操作的误差， 而并不是每根钢 筋都是以某个精确的保护层厚度埋设于混凝土中， 因而混凝土 结构中钢筋的保护层也是个随机变量 ， 虽然都是规定的保护层 厚度， 但在实际工程中还是不确定的， 不确定性系数 是个随机 变量。 而在单位时间以内深度碳化过程中到达钢筋表面的程度 可以用概率公式表示出来 ， 假设在 t 时内， 以到达钢筋表面的混 凝土结构构件的碳化程度作为相应的函数， 则相应函数可表示为 z t 日 一 K 。 t H- K p 矾 广 6 t 2 式中 日是混凝土保护层厚度； 功能函数式 2 中的随机变量分 别是 K。 、 K 。 和 ； K 和 服从正态分布 ， 经 K- S检验服从 对数线性分布。 碳化到钢筋表面概率 t 时刻混凝土碳化到钢筋表面的概率 可表示 为 尸 ￡ 尸 z l O P H- X 0 3 线性回归分析模型对于大波动情形下的混凝土结构耐久性 情况的离散几率和回归模型进行分析， 反映出整个结构构件的 变化趋势， 反映出耐久性的变化波动概率具有一定的时效性， 反 映出在结构固有周期以内构件耐久性的历史信息。 这种转移概 率矩阵与灰度区间划分的建模过程受到精度的影响， 为了提高 回归区间的精确度， 每次的转移概率都必须保证是个极大值， 只 有这样才能有效进行数据线性回归分析。 2 ． 2 混凝土耐久性可靠度计算 通过国内外长期暴露试验与实际工程调查的碳化数 ， 将失 策数据换算成某一标准环境 ， 以抗压强度为主要参数 ， 建立了 运用碳化的计算模型。 碳化速度与混凝土保护层厚度服从如下 标准正态分布 y e X p 『_ y -tx I 4 o r 、／ 2r r 。 式中 、 混凝土结构保护层的平均值和标准差。 混凝土碳化耐久性失效， 即钢筋发生锈蚀的极限状态方程为 Z t C - X。 5 式中 C 混凝土保护层厚度； 碳化残量 ； 混凝土碳化深度。 从钢筋发生锈蚀的碳化可靠指标J B 与时间t 的关系， 可以发 现混凝土强度对碳化可靠指标J B 的影响最为显著， 而混凝土保 护层对碳化可靠指标』B 的影响要相对小些。 当环境相对湿度在 6 0 ％- 7 0 ％之间时， 混凝土中的钢筋最容易发生锈蚀， 混凝土结构 碳化深度可靠指标 作为一个随时间变化的变量， 把混凝土保 护层厚度和强度等量值， 利用数据模型线性分析， 建立混凝土碳化 到钢筋表面的时变概率随机模型。 并以一混凝土构件作为实例， 得 到在不同使用时间内混凝土碳化到钢筋表面的预测值。 通过分析 模拟， 混凝土碳化到钢筋表面的概率模型可用于 自然状态下钢 筋混凝土结构构件被碳化耐久I 生 的预测分析。 3结 论 混凝土结构耐久性问题对于结构使用的重要性逐渐被 国 内外工程界人士所认同， 怎样从整体上改善混凝土性能， 提高 结构的耐久性 ， 延长工程的使用寿命 ， 已成为亟待研究的重要 课题之一。 通过对钢筋混凝土结构构件腐蚀 的数据模拟分析， 以混凝土在外部自然环境下随时间的碳化深度作为预测模型， 近似于工程中结构构件的材料和强度， 施工工艺和环境， 经过 有效的数据分析， 得出影响混凝土耐久性函数。 应该将混凝土 结构耐久性提升到与强度设计并重的高度， 进一步完善强度设 计 ， 分析混凝土劣化的原因， 在设计阶段就充分考虑可能发生 的损坏并加以防护， 在施工阶段严格控制施工质量 ， 减少人为 因素造成的结构损伤， 最大限度地发挥混凝土结构的使用价值。 对现有钢筋混凝土结构进行耐久性分析， 得出这方面相关的重 要数据， 为以后的设计和施工奠定数据基础， 并为科学的解决 混凝土耐久性问题提供重要的依据。 参考文献 【 1 】石利强． 钢筋混凝土桥梁耐久性不足成因分析及对策[ J 】 ． 山西建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 1 1 1 5 9 ． [ 2 ]2 张利梅 ， 赵JlI页 波， 黄承逵．钢筋混凝土材料性能与受弯构件的延性叨． 建筑技术开发， 2 0 0 5 ， 3 1 1 1 3 1 7 1 ． [ 3 1陈爱英， 陈旭庆． 钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理的研究[ J 】 ．城市道桥防 洪， 2 0 0 5 1 9 0 9 1 1 ． 【 4 】白绍良．混凝土结构理论[ M 】 ．重庆大学土木工程学院， 2 0 0 1 ． ． [ 5 ]5 G B 5 0 0 1 0 - -- 2 0 1 0 ， 混疑土结陶 见 范[s l 北京 建筑工业出版社， 2 0 1 0 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 朱军 1 9 7 0 一 ， 男， 硕士， 工程师， 研究方向 高校基建管理 及预决算。 武汉市武昌区珞珈山 武汉大学基建管理部 4 3 0 0 7 2 1 3 3 2 97 1 49 3 6 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m