受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析

摘要：通过分析试验数据，修正和改进了现有混凝土碳化深度预测模型中的应力影响系数和水灰比影响系数，并给出了基于可靠性分析的混凝土结构材料劣化寿命准则。分析表明：拉、压应力状态下，混凝土碳化速率分别得到促进和抑制，特别是随着拉应力水平的增加，碳化速率越来越快；通过可靠性分析可得，混凝土材料劣化概率与可靠度存在一一对应的关系，同时混凝土保护层厚度和应力水平对混凝土结构的寿命影响显著，在具有相同可靠度保障时，随着拉应力水平的提高或保护层厚度的减小，混凝土材料的劣化时间将缩短。

关键词：碳化；应力水平；劣化模型；可靠度；混凝土结构

中图分类号：TU312文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06008207

碳化深度是一般大气环境下衡量混凝土结构材料劣化的主要量化指标。调查显示，大量在役混凝土结构存在着过早劣化的迹象，这种现象的产生往往与结构工程师设计时较少关注混凝土材料的耐久性有关。目前，关于混凝土碳化深度的研究很多[15]，但不管是基于碳化机理的理论模型还是基于碳化试验的经验模型都较少系统考虑应力因素的影响，既使考虑[6]，也统一规定拉应力影响系数取11，压应力影响系数取1.0，使得拉应力状态下的预测结果偏于不安全而压应力状态下的预测结果偏于保守。同时现有碳化深度预测模型没有考虑应力因素和水灰比因素间的相互影响，而水灰比和应力状态的不同直接关系到混凝土内部孔隙率的大小，二者对混凝土的碳化速度影响极大[78]，且二者相互关联。鉴于此，系统考虑水灰比和应力因素的影响对完善混凝土碳化深度预测模型很有必要。

文章以混凝土碳化深度达到钢筋表面一定距离时的状态作为混凝土构件耐久性失效的极限状态，通过对混凝土碳化深度的分析来研究混凝土材料的劣化模型，同时考虑到碳化深度预测模型是基于试验平均数据的数学回归未考虑混凝土碳化过程的随机性，采用可靠度理论，给出了混凝土结构材料劣化预测的概率方法。李英民，等：受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析1混凝土碳化深度预测模型改进

1.1现有混凝土碳化深度试验方案与检测数据

综合考虑已有研究成果[912]，同时考虑到实际工程中较少有混凝土构件承受轴向拉力作用，大部分受拉构件都处于弯曲受拉状态。文献[12]中的试验方案能较真实的反映实际工程中混凝土构件所处的应力状态，也能更准确地反映拉压应力条件下混凝土碳化深度随时间的演变规律。试件加载方式如图1所示。拉、压应力区的应力值可通过圣维南原理确定。

1.2混凝土材料碳化深度预测模型

目前已有的混凝土碳化深度预测模型主要可以归结为3种类型：基于扩散理论的预测模型、基于碳化试验的经验模型和基于综合考虑扩散理论和碳化试验结果的预测模型。虽然各种预测模型的差异较大，但都有一个共同点，即都认为混凝土碳化深度与其龄期的平方根成正比。考虑到这些预测模型均没有系统考虑混凝土受力状态不同对碳化深度的影响，而实际上混凝土碳化点的应力状态对该处碳化深度的影响是显著的。文献[12]确定的预测模型虽然较系统的考虑了应力因素的影响，但混凝土碳化深度的影响因素很多，随机性也很大，特别是混凝土结构服役时间跨度大，各种影响因素具有很强的个性和不确定性，该文献仅以应力水平和水灰比作为混凝土碳化深度的影响因素显然是不够的。为寻找更适合考虑应力因素的碳化深度预测模型，基于文献[12]中试验数据，选用多条曲线对碳化深度和碳化时间的关系进行数学回归，经多次试算，得到2种较合理的关系曲线回归方程，如图2～5所示。

3结论

1）给出了一般大气环境下修正的混凝土碳化深度预测模型，充分考虑了应力水平和水灰比等因素的影响。预测模型与试验检测数据吻合较好，且具有一定的理论依据，能充分反映不同应力状态下碳化深度随时间的演变规律。

2）建立了混凝土结构构件基于碳化深度的材料劣化模型，同时考虑到混凝土碳化深度具有随机性的特点，通过可靠性分析，建立了混凝土结构构件失效概率与可靠度的对应关系。同时根据劣化模型和碳化深度预测公式均能建立各影响因素与混凝土结构劣化失效时间之间的对应关系。

3）可靠性分析表明，混凝土保护层厚度和碳化深度与混凝土材料的劣化密切相关，混凝土构件所处的拉应力水平越大、保护层厚度越小，其距离劣化失效的时间越短。

4）保护层厚度按照混凝土结构设计规范GB 50010—2001及以前设计的一、二类a环境下的钢筋混凝土结构，其耐久性几乎均不能满足50 a设计基准期内的耐久性要求，保护层越小，混凝土构件劣化失效越早。

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