海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化

海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境混凝土腐蝕耐久設(shè)計加固溫度疏水混凝土蓋由于在耐久性設(shè)計進(jìn)行的廣泛的研究工作與混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境的長期效果，以概率為基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計的新程序已證明可以為分析提供更真實可信的基礎(chǔ)。這種新方法已經(jīng)成功運用到了數(shù)個新型混凝土結(jié)構(gòu)中。這些新結(jié)構(gòu)對更可控的耐久性和使用壽命的要求是明確的。一般認(rèn)為，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中降解的主要機理是由于存在氯化物而產(chǎn)生的對加固材料的腐蝕。一種基于對適用性（耐用性）極限的核查的設(shè)計方法已被提出，其例子即是鋼筋鈍化，由于腐蝕造成的開裂和剝落，以及由于加固截面損失帶來的崩潰.通過這種設(shè)計方法，失效概率，即不驗證極限狀態(tài)的概率可以確定為時間的函數(shù)。本論文中，一種以概率為基礎(chǔ)的耐久性表現(xiàn)的分析被用來證明海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久設(shè)計方法的重要性。另外，各種影響和控制海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久的耐久參數(shù)的靈敏度也被研究.結(jié)果顯示，這種方法幫助耐久性設(shè)計決策取得進(jìn)展的潛力非常大?；诔尸F(xiàn)的過程，在延長結(jié)構(gòu)的使用壽命的同時優(yōu)化最終設(shè)計方案是可能的1.緒論在近年，進(jìn)行了大量研究工作，以確定一種方法來實現(xiàn)環(huán)境活動影響下加固混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能。特別的，加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久設(shè)計的新程序的發(fā)展已能為耐久性能分析提供更真實的基礎(chǔ).這種設(shè)計方法對獲得更多新型混凝土結(jié)構(gòu)的可控耐久性能極為重要;然而，它還提供了一個非常有價值的基礎(chǔ)來評估現(xiàn)有的海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)。對于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為，主要的降解機理是由于氯化物存在帶來的加固材料的腐蝕。本論文中，氯離子滲透的模型是基于菲克第二擴散定律（？），考慮到某些看上去更像真是現(xiàn)象的變型，如時間依賴擴散系數(shù)，不同表面氯離子濃度，溫度的影響。因為所有混凝土耐久和環(huán)境暴露的參數(shù)通常都表現(xiàn)出高分散，一種以概率為基礎(chǔ)的方法為耐久性能分析提供了非常強有力的基礎(chǔ)。這種設(shè)計方法是基于確認(rèn)極限狀態(tài)的情況，耐久性極限狀態(tài)的例子有加固的鈍化，開裂和腐蝕造成的剝落，和由于截面加固損失造成的崩潰。用這種方法，失敗的概率可由時間函數(shù)決定。對于新的混凝土結(jié)構(gòu)，這為正被考慮的結(jié)構(gòu)的整體耐久性標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。然而，對于現(xiàn)存的氯化物前沿尚未達(dá)到嵌入式鋼的混凝土結(jié)構(gòu)，這種方法可被用來測算一段時間后失敗的概率。在本論文中，應(yīng)用概率方法的海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計方法被描述和應(yīng)用，以表現(xiàn)各項影響和控制的耐久性耐久性指標(biāo)和模型參數(shù)的敏感性。此外，也表現(xiàn)出了產(chǎn)生幫助耐久性設(shè)計決策過程的重要信息的可能。2?耐久性能分析模型提出的該模型描述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的性能，考慮到加固鈍化和隨之的由于氯化物存在導(dǎo)致的腐蝕開始的使用極限狀態(tài)。有很多模型,有些相當(dāng)復(fù)雜，用了不同的參數(shù)和不同的方法研究腐蝕的發(fā)生。然而，本文中的想法并不詳盡地描述一個具體的模型，而是展現(xiàn)耐久性設(shè)計的程序和由此而有的好處。為此，使用了用更少參數(shù)的簡單模型。對于選定的使用極限狀態(tài)，氯化物侵蝕混凝土的模擬，特別是對海洋結(jié)構(gòu)，根據(jù)菲克第二擴散定律進(jìn)行dC(x,t)° d2C(x,t) ⑴dt C dx2其中C(x,t)是距混凝土表面距離x的氯離子在暴露一段時間t后的濃度C，DC是氯化物擴散系數(shù)。通過求解此邊界條件設(shè)定的微分方程，接下來的方程由此得到(2)x(2)1—erf—7=—2y!D—tJ*c丿」其中CS為混凝土表面氯離子濃度，C0為混凝土混合物的最初氯離子濃度，erf為誤差函數(shù)。自從takewaka提出一個方程模型的這種行為，擴散系數(shù)的時間依賴便已總所周知。在這個課題上已進(jìn)行過大量的研究，而且，它表明，擴散系數(shù)的變化時間取決于各種因素，最重要的是混合的W=C比例，水泥類型及內(nèi)容，和曝光條件。據(jù)TANG和GULIKERS所言，如果擴散系數(shù)是基于短期速成實驗室測試，修正條款必須引入菲克第二定律誤差函數(shù)解決方法以獲得適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)解決方案。DC的時間依賴性變化由以下方程引入D(t)=D(倖)n (3)C 0t其中D0是在給定時間t0內(nèi)的擴散系數(shù)，指數(shù)n代表了擴散系數(shù)的時間依賴或者隨著時間增長的混凝土抵抗氯化物侵蝕的能力。對高于冰點的溫度水平，考慮到某些特定現(xiàn)象的比率，溫度是一個決定性的因素。單單這個因素就讓更溫暖的氣候比起溫和氣候更讓人不舒服很多。水的粘度的溫度依賴主要對諸如混凝土的電阻率和擴散過程有重要的影響。擴散過程強烈依賴溫度。在氯化物擴散的案例中，情況尤為復(fù)雜，因為擴散過程中，氯化物和水泥漿體的物理和化學(xué)相互作用必須被納入考慮。根據(jù)［22,23］，基于愛因斯坦關(guān)系式，擴散系數(shù)在環(huán)境溫度中的值與標(biāo)準(zhǔn)溫度中的值相關(guān)。TE(11-exp —294R1T294丿D (T)=DC 294K其中T為開爾文溫度，EA為活化能(35kJ=mol),R為氣體常數(shù)，D294K為參考溫度(20,C)下的擴散系數(shù)。表格1靈敏度分析的參數(shù)值范圍.參數(shù)基本情況數(shù)值范圍D0(e-12m2/s)N(5.0,0.5)[1-20]CCR(%wt.conc.)N(0.5,0.15)[0.25-1.25]xC(mm)N(50.0,5.0)[40-90]cS(%wt.conc.)N(3.4,0.34)[1.0-7.0]t/t0(yrs/dys)50/28無變化nN(0.4,0.07)無變化通過將方程(3)和(4)代入方程(2)，一個氯化物基于時間和溫度依賴的擴散系數(shù)的表達(dá)就得到了。得于:xI T一E(11)-rt)n5D - -exp——A—-0-12\ 294k294RIT294丿It丿1—erf丿(5)應(yīng)該指出，氯離子滲透的比率也可能被諸如毛細(xì)管吸力，或裂紋穿透等其他機理控制。例如，fib'sBulletin34考慮到了混凝土蓋存在一個對流區(qū)。這個區(qū)域，其中最主要的運輸過程為毛細(xì)吸收，被從混凝土蓋整體扣除。然而，基于現(xiàn)有知識和海洋環(huán)境中的相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為擴散室氯化物滲透的主要運輸過程。然而，在很多用于耐久性設(shè)計的參數(shù)上，依然缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息。因而，設(shè)計過程的經(jīng)驗，取得結(jié)果的非批評闡釋以及完整的工程判斷很重要。為了展現(xiàn)概率分析方法的潛能，使用了蒙特卡洛模擬方法。物理過程的模擬直接利用修改的菲克第二擴散定律。唯一的要求是所有的模型參數(shù)要用概率密度函數(shù)來描述。一旦知道不同模型參數(shù)的概率密度函數(shù)，失敗的概率，即腐蝕的發(fā)生，將以對極限狀態(tài)函數(shù)的評估進(jìn)行的大量試驗為基礎(chǔ)計算。由于蒙特卡洛方法的精度主要取決于進(jìn)行試驗的數(shù)量，進(jìn)行了106次模擬。3?模型參數(shù)對耐久性能的影響靈敏度分析的目的在于理解耐久性參數(shù)對50年的使用周期后腐蝕開始的概率的影響。其完成是在保持其他參數(shù)值保持常值的情況下，在相關(guān)范圍內(nèi)變化模型參數(shù)。被分析的參數(shù)有擴散系數(shù)，D。；臨界氯離子濃度，cCR;鋼筋混凝土蓋板,xC；表面氯離子濃度，cS。為了便于比較，給出了參考案例，如表一所示。另外，也給出了模型參數(shù)變化的上下限。圖表一顯示，當(dāng)擴散系數(shù)增大，腐蝕開始的機率也隨之增大。這是由于較高的擴散系數(shù)與大型滲透有關(guān)。如果擴散系數(shù)從10.0X10-12^"(對氯離子擴散溫和抵抗)減少到2.0X10-i2m2/s(對氯離子擴散極高抵抗性)，腐蝕開始的概率可減少90%。擴散系數(shù)是一個很有影響的參數(shù)。一種可以有效控制擴散系數(shù)的方法

是，選擇合適的水泥類型和水膠混合比。圖表1.50年使用壽命后擴散系數(shù)對腐蝕開始概率靈敏度的分析圖表2.50年使用壽命后混凝土蓋對腐蝕開始概率靈敏度的分析在圖表2中，顯示了不同混凝土蓋對腐蝕開始概率的影響。對于少于60毫米的混凝土蓋，看起來腐蝕開始的概率急速增加，表明混凝土蓋也是一個影響耐久性的參數(shù)。很明顯，混凝土蓋增大了氯化物擴散到達(dá)加固材料的距離。然而，為了取得足夠的性能，大型的混凝土蓋是必要的。同時增大大于60毫米的混凝土蓋帶來腐蝕開始概率很小的增加，從40毫米到60毫米的提高導(dǎo)致了腐蝕開始概率50%的減少。表格3顯示，當(dāng)表面氯化物濃度增加，腐蝕開始的概率也增大。混凝土表面

高濃度的氯化物將為氯化物擴散產(chǎn)生很高的驅(qū)動，因而預(yù)示著更短的擴散時間。從圖表4可以看出，當(dāng)開始腐蝕所需的氯離子濃度增加時，腐蝕開始的概率降低了。為了使加固材料附近達(dá)到更高濃度需要更多的時間。臨界氯離子濃度主要取決于粘結(jié)劑類型及水膠比。這個分析說明，氯離子濃度的臨界水平是一個敏感的耐久性參數(shù)，因而粘結(jié)劑的選擇十分重要。從靈敏度分析可得，某些特定參數(shù)對耐久性能的影響得到了更好的理解。對這些幾何，材料或者環(huán)境參數(shù)的理解對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能的結(jié)構(gòu)有著直接影響。100腐蝕開始概率(％)純3070100腐蝕開始概率(％)純3070表面氯化物濃度（％wt.cement）表腐蝕開始概率(％)圖50表腐蝕開始概率(％)圖50年使用壽命后表面氯化物濃度對腐蝕開始概率靈敏度的分析圖表4. 50年使用壽命后臨界氯化物濃度對腐蝕開始概率靈敏度的分析4設(shè)計方案的耐久性能為了展現(xiàn)設(shè)計方法的潛在好處，我們研究了幾種設(shè)計情景。設(shè)計師應(yīng)當(dāng)選擇合適的混凝土混合和足量的混凝土覆蓋以滿足既定的使用極限狀態(tài)。為保證決策制定過程有必要的信息，對于50年的使用壽命，我們研究了耐久性能設(shè)計方案的四種不同變化的影響。腐蝕開始的使用極限狀態(tài)被定義為0=1.3，或是PF=10-i。材料，幾何和環(huán)境參數(shù)基于已出版的文獻(xiàn)。對例一來講，混凝土覆蓋是多樣的。在例二中，對用于混凝土混合物中的水泥進(jìn)行了分析，而在第三例，對溫度的影響進(jìn)行了分析。最后一個例子，分析了使用表面疏水圖層的效果量化模型數(shù)據(jù)■關(guān)于執(zhí)行這個方法主要的困難是模型參數(shù)的量化。這些參數(shù)具有隨機性,因而更值得注意。相關(guān)信息的缺乏有時會影響分析，然而，對于一些已提出的參數(shù)的建議可以再文獻(xiàn)中找到。研究人員必須依靠他們的經(jīng)驗，從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和已發(fā)表的數(shù)據(jù)中得來的數(shù)據(jù)，來量化必要的參數(shù)。因此，耐久性分析的模型參數(shù)的量化應(yīng)考慮到；使用壽命(海洋環(huán)境中的暴露時間)設(shè)為50年；表面氯化物濃度基于周圍結(jié)構(gòu)的測量?？紤]到水泥重量的變化系數(shù)(CoV)為10%，正態(tài)分布的平均值為3.4%。根據(jù)EC2,XS3暴露環(huán)境條件下，額定的鋼筋混凝土蓋為60毫米。然而，考慮到工藝的質(zhì)量，一個正態(tài)分布的混凝土蓋平均為50毫米，采用10%的變化系數(shù)。擴散系數(shù)以加速的實驗室試驗為基礎(chǔ)決定，使用混凝土為CEMI42水泥,5R,密度約為420千克每立方米，水膠混合比0.45，用時28天。平均為10.5X10-2m2/s和10%的變化系數(shù)的正態(tài)分布；對于選定的水泥類型，臨界氯離子濃度基于現(xiàn)有的經(jīng)驗，正態(tài)分布值為平均0.48%的混凝土重量和標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.15%的混凝土重量；擴散系數(shù)的時間依賴指數(shù)基于現(xiàn)存文獻(xiàn)。對于選定水泥類型，采用了平均0.4和0.07的標(biāo)準(zhǔn)偏差；■參考溫度被認(rèn)為具有確定性，數(shù)值為20°C?；炷辽w的影響曾進(jìn)行過一項耐久性分析，以了解增加混凝土蓋厚度使其高于額定最低要求60毫米的效果，分析了50(基本情況)，60，70和90毫米深度的混凝土。從圖表五可以看出，混凝土蓋對腐蝕開始的概率極為重要。一個額定為50毫米的只能提供大約5年的使用壽命，而一個有效的額定90毫米的混凝土蓋可以提供超過26年的使用期。這依然不夠滿足要求的50年使用壽命，因此其他設(shè)計方案必須轉(zhuǎn)為提高耐久性能。從實用性來講，很難使用超過70毫米的混凝土蓋。用不銹鋼筋加固來部分替代常規(guī)加固材料可以取得有效混凝土蓋的穩(wěn)固增強。因為耐久性設(shè)計，我們可以變更混凝土蓋，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計的重新計算也有了必要。水泥類型的影響為了研究水泥類型的效果，我們分析了四種不同的水泥?；谒姆N水泥的混凝土混合物的耐久性指示物(擴散系數(shù))取自現(xiàn)有文獻(xiàn)。水泥的種類包括一種高性能的波特蘭水泥(CEMI52.5)，一種混合粉煤灰水泥(CEMII/A-V42.5),—種約70%爐渣的高爐爐渣水泥(CEMIII/B42.5),以及混合了10%硅粉的高性能波特蘭水泥(CEMI52.5)。根據(jù)觀察到的擴散系數(shù)，水泥類型的效果展示在表格2中，其中也包括了壽命因素(a)的采納值。從圖表6可以看出，水泥類型對腐蝕開始的概率有重要的影響。高煤爐渣水泥和純波特蘭水泥對于氯化物滲透抗性的極大差異與以往經(jīng)驗相符。腐蝕開始概率(％)使用期（年）圖表5.混凝土蓋對腐蝕開始概率的影響腐蝕開始概率(％)使用期（年）圖表5.混凝土蓋對腐蝕開始概率的影響對于純波特蘭水泥，腐蝕開始的概率超出將在大約四年以內(nèi)的時間。而對于高煤表格2對于純波特蘭水泥，腐蝕開始的概率超出將在大約四年以內(nèi)的時間。而對于高煤不同類型水泥的參數(shù)水泥類型D0(lO-i2m2/s)N(-)CEMIN(10.5;0.7)aN(0.37;0.07)CEMIII/BN(5.3;0.6)N(0.60;0.15)CMII/A-VN(10.1;0.8)N(0.51;0.07)CEMI+SFN(4.7;0.5)N(0.40;0.07)

爐渣水泥，腐蝕的危險水平超出將有42年的時間。相對的，對于混合煤灰水泥和波特蘭水泥和硅粉的混合，腐蝕的相應(yīng)風(fēng)險超出將在大約13和17年的十年內(nèi)。對于同樣的混凝土混合，只講水泥類型由波特蘭水泥改為高煤爐渣水泥，50年后，在腐蝕開始的概率上獲得了85%的提高。4.4.溫度的影響絕大多數(shù)物理和化學(xué)現(xiàn)象上的降解機制的依存關(guān)系，其反過來即是溫度依賴性，應(yīng)該在耐久性設(shè)計過程中納入考慮。曾進(jìn)行過一個耐久性分析，以了解海洋環(huán)境中溫度對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響。納入考慮的三個地方的年度平均氣溫為：立陶宛維爾紐斯，8°C；葡萄牙波爾圖，18°C；巴西累西腓，25°C。這些參數(shù)用于確定性的分析。腐蝕開始概率(％)腐蝕開始概率(％)使用期（年）圖表7.溫度對腐蝕開始概率的影響腐蝕開始概率(％)4030■M50WithoutAppliedIwiccSLS^LSift-ICy1)腐蝕開始概率(％)4030■M50WithoutAppliedIwiccSLS^LSift-ICy1)fAppliednnee使用期（年）圖表8.疏水涂層對腐蝕開始概率的影響圖表7展示了溫度對于腐蝕概率的影響?？紤]到不同環(huán)境（以不同溫度范圍為條件）中質(zhì)量相同（在同等條件下性能相同）的混凝土，性能的的變化顯著地不同?？紤]到耐久性，以參考溫度條件設(shè)計一種加固混凝土結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的性能低下，和使用壽命縮短的結(jié)果。另一方面，對于較涼爽的氣候，設(shè)計可能會導(dǎo)致過度的性能，而毫無必要的增加建造花費。4.5.表面疏水的影響表面疏水對耐久性影響的研究是在假設(shè)疏水涂層的效力在7到10年內(nèi)有效的情況下進(jìn)行。為了模擬這種表現(xiàn)，研究模擬了表面涂層滲透性的逐漸減弱。研究分析了兩種情況：第一種情況中，用了單一涂層；第二種情況中，一個涂層使用七年后，用了第二個涂層。從圖表8可以看出，疏水涂層為耐久性能的有效期延遲了降解。這種額外的方法和其他方法一起，可能最終會對達(dá)到要求的使用壽命非常有用。5?總結(jié)本論文中描述的耐久性設(shè)計方法是應(yīng)用于假設(shè)情形中，然而，其參數(shù)是基于已發(fā)