邵志平,葉俊飛,季哲丞,丁春梅

(1.義烏市水務(wù)局,浙江 義烏 322000;2.義烏市赤岸鎮(zhèn)人民政府,浙江 義烏 322000;3.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

渡槽是一種重要的大型水利建筑物,類似于橋梁,但其功能不同。渡槽主要用于輸水和船舶通航,可以有效保障農(nóng)田灌溉和工業(yè)用水。自新中國(guó)成立以來(lái),我國(guó)大力發(fā)展工農(nóng)業(yè),浙江省為解決用水問(wèn)題,在20世紀(jì)70年代先后修建了400余座大小不等的渡槽。然而,由于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)落后和缺乏新型材料等限制,這些渡槽隨著時(shí)間推移出現(xiàn)了許多問(wèn)題,如混凝土老化脫落、混凝土碳化、鋼筋銹蝕和排架傾斜等。有些渡槽甚至嚴(yán)重受損,已失去相應(yīng)功能。

浙江義烏上吳渡槽于1972年6月動(dòng)工,次年2月竣工,使用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)50年。自建成以來(lái),上吳渡槽為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉和工業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。然而,渡槽結(jié)構(gòu)如今出現(xiàn)了許多問(wèn)題,因此,有必要對(duì)渡槽混凝土碳化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),以便制訂相應(yīng)的維修和保養(yǎng)計(jì)劃。

1 工程概況

上吳渡槽所在的浙江義烏地區(qū)處于浙中盆地丘陵區(qū),地勢(shì)北部低南部高,屬金衢盆地,高程約為100 m 。測(cè)區(qū)主要為熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r,工程區(qū)地下水主要為基巖裂隙水和第四系堆積物孔隙水,以大氣降水補(bǔ)給為主,并排泄到河流中。孔隙水地下水豐富,水量大,但易受污染,水質(zhì)較差,基巖裂隙水主要受構(gòu)造控制,分布不均勻,呈脈狀展布,水質(zhì)較好。上吳渡槽全長(zhǎng) 600 m,橫跨兩條公路,少數(shù)排架從居民區(qū)穿過(guò),排架表面混凝土老化嚴(yán)重,時(shí)常有混凝土掉落,對(duì)居民的生產(chǎn)生活造成威脅。渡槽整體分為三個(gè)部分,即槽身、排架與基礎(chǔ),槽身為單排架簡(jiǎn)支式 U形薄殼,每節(jié)長(zhǎng)度為12.0 m,薄殼厚度為 3.5 cm,薄殼內(nèi)部加裝鋼筋混凝土,相鄰槽身之間采用黏合式橡膠止水帶止水。排架最大高度為24 m,寬為2.8 m,除 1#和 49#排架之外,其余每排架均分為上下兩段,接頭處距離排架頂部 10.5 m。排架柱尺寸為 600 mm×400 mm,排架高度間隔 4.0 m 處分別設(shè)置橫向支撐梁,排架柱及支撐梁混凝土標(biāo)號(hào)均為 200#?；A(chǔ)為雙柱杯口基礎(chǔ),采用 150#混凝土,基礎(chǔ)底部平面尺寸為 5.6 m×2.4 m(長(zhǎng)×寬),基礎(chǔ)下部為 100#埋石混凝土,基礎(chǔ)(埋石混凝土)全部坐落在巖基上。基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)兩個(gè)深度為 1.05 m 的形槽,排架柱底部裝配插入凹槽后,凹槽四周由 200#細(xì)石混凝土填實(shí)固定。

2 混凝土碳化對(duì)上吳渡槽結(jié)構(gòu)壽命的影響

2.1 混凝土碳化機(jī)理

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)對(duì)耐久性問(wèn)題的關(guān)注程度相對(duì)較低,包括對(duì)耐久性裂縫的形成規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響和潛在后果等方面的研究不夠充分[1],因此,對(duì)混凝土碳化的研究具有重要意義。受混凝土材料、環(huán)境因素和施工質(zhì)量等的影響,混凝土表面不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂縫、蜂窩、麻面等情況。此外,混凝土內(nèi)部也存在較多的孔隙。在環(huán)境中,二氧化碳(CO2)溶解于水中生成碳酸(H2CO3)?；炷羶?nèi)部存在大量堿性物質(zhì),當(dāng)H2CO3與混凝土內(nèi)部的鈣水化合物(Ca(OH)2)等堿性物質(zhì)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)時(shí),會(huì)降低混凝土的堿性,碳化反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。此外,H2CO3與混凝土內(nèi)的CaO·2SiO2·3H2O和CaO·SiO2·4H2O等物質(zhì)也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),混凝土碳化化學(xué)反應(yīng)式分別為

圖1 碳化反應(yīng)機(jī)理

CO2+H2O→H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→
3CaCO3+2SiO2+6H2O

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3→
2CaCO3+SiO2+6H2O

隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加,混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境不斷受到破壞,導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱。這使得鋼筋表面會(huì)生成質(zhì)地蓬松的多水合氧化鐵,其體積可達(dá)到原鋼筋的2～4倍,并產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。在膨脹應(yīng)力的作用下,混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂縫。這些裂縫的持續(xù)擴(kuò)展會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的功能性產(chǎn)生嚴(yán)重影響,特別是對(duì)于渡槽這類建筑物來(lái)說(shuō),可能出現(xiàn)漏水、滲水等問(wèn)題,嚴(yán)重影響其使用功能。因此,混凝土的碳化是一種間接破壞機(jī)制。隨著時(shí)間的推移,混凝土的碳化程度和速率會(huì)增大,導(dǎo)致混凝土碳化更加深入,使鋼筋失去保護(hù),最終會(huì)影響鋼筋混凝土構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和耐久性,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此,為了確保結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性,及時(shí)采取措施來(lái)控制混凝土碳化現(xiàn)象至關(guān)重要[2]。

2.2 混凝土碳化模型

混凝土碳化是各種老舊建筑物普遍存在的問(wèn)題,在使用年限內(nèi)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低,因此,國(guó)外很早就開始關(guān)注對(duì)混凝土碳化的研究。我國(guó)對(duì)相關(guān)問(wèn)題的研究起步較晚,但隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土碳化現(xiàn)象研究的不斷深入,混凝土碳化模型與碳化壽命預(yù)測(cè)研究發(fā)展迅速。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種碳化深度預(yù)測(cè)模型。研究表明:混凝土碳化深度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),其增長(zhǎng)速率與碳化時(shí)間的平方根密切相關(guān)[3],即

(1)

式(1)中:X(t)為混凝土碳化深度,mm;k為混凝土碳化系數(shù),涵蓋多種因素;t為碳化時(shí)間,年。

混凝土的碳化與多種因素有關(guān),阿列克謝耶夫[4]根據(jù)環(huán)境中CO2濃度、混凝土中CO2的擴(kuò)散速率與混凝土吸收CO2的能力提出了FICK定律。其計(jì)算式為

(2)

式(2)中:Dc為混凝土中CO2擴(kuò)散系數(shù);C0為所處環(huán)境CO2濃度,%;m0為單位混凝土CO2吸收量。

岸谷孝一[5]著重于研究混凝土材料與水灰比等因素對(duì)混凝土碳化的影響,并根據(jù)試驗(yàn)提出了基于混凝土水灰比的碳化模型,即

W/C>0.6時(shí):

(3)

W/C≤0.6時(shí):

(4)

式(3)-式(4)中:W/C為水灰比,指混凝土中的水質(zhì)量與水泥質(zhì)量之間的比率;rc為水泥類別影響系數(shù);rs為骨料品種影響系數(shù);ra為混凝土添加劑影響系數(shù)。

牛荻濤等[6]在大量檢測(cè)與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)混凝土碳化的隨機(jī)性,建立了基于混凝土抗壓強(qiáng)度的碳化模型,此模型考慮較全面,并在工程中廣泛應(yīng)用。其計(jì)算式為

(5)

式(5)中:kmc為計(jì)算不定性隨機(jī)變量;kj為角部系數(shù),角部系數(shù)與混凝土碳化測(cè)點(diǎn)位置選擇有關(guān);kCO2為建筑物所處環(huán)境氧化碳濃度的修正系數(shù);kp為澆筑面系數(shù);ks為應(yīng)力修正系數(shù);T為建筑物所處環(huán)境常年平均溫度,℃;RH為建筑物所處環(huán)境年平均濕度,%;fcuk為混凝土抗壓強(qiáng)度,MPa;mc為混凝土抗壓強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之比。

2.3 渡槽混凝土碳化壽命準(zhǔn)則

混凝土碳化引發(fā)的破壞主要是混凝土保護(hù)層失效,從而破壞了鋼筋表面的鈍化層,導(dǎo)致鋼筋脫鈍和發(fā)生銹蝕,最終造成鋼筋的損壞。鋼筋在失去混凝土保護(hù)層保護(hù)后,在較小銹蝕量、較快時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生銹蝕,但是在實(shí)際工程中,難以對(duì)鋼筋何時(shí)脫鈍進(jìn)行精確判斷,因此,在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化壽命進(jìn)行研究時(shí),需要選擇符合工程實(shí)際的碳化壽命標(biāo)準(zhǔn)。

鋼筋銹蝕是一個(gè)受多種因素綜合影響的隨機(jī)過(guò)程。在干旱少雨地區(qū),一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)即使在混凝土保護(hù)層完全碳化之后,仍未發(fā)生銹蝕,這可能是由于受到外部環(huán)境等因素的影響,因此,各國(guó)對(duì)混凝土碳化壽命準(zhǔn)則的規(guī)定各不相同。現(xiàn)階段我國(guó)混凝土碳化壽命標(biāo)準(zhǔn)是按照混凝土保護(hù)層完全碳化,從而失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用,鋼筋表面發(fā)生銹蝕作為標(biāo)準(zhǔn)[7],結(jié)合上吳渡槽所在地區(qū)環(huán)境與工程實(shí)際情況,本研究以混凝土保護(hù)層完全碳化,鋼筋表面開始出現(xiàn)肉眼可見銹蝕為標(biāo)準(zhǔn)。

混凝土的碳化壽命準(zhǔn)則Ωc可以表示為

Ωc={c-x0-X(t)}

(6)

式(6)中:Ωc為混凝土碳化壽命準(zhǔn)則;c為混凝土保護(hù)層厚度,是一個(gè)隨機(jī)變量,mm;x0為碳化殘量,與環(huán)境因素、混凝土強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度等有關(guān),是一個(gè)隨機(jī)變量;X(t)為混凝土碳化深度,mm。

碳化殘量是一個(gè)隨機(jī)變量,可以表示為

x0=μK0×4.86×(-RH2-1.5RH-0.45)×

(c-5)(lnμfcuk-2.3)

(7)

式(7)中:μK0為碳化殘量計(jì)算模式不定性系數(shù)K0的平均值;RH為工程所在環(huán)境濕度,%;fcuk為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;μ為混凝土抗壓強(qiáng)度平均值,MPa。

2.4 混凝土碳化可靠指標(biāo)

相較于結(jié)構(gòu)可靠理論,混凝土的碳化也具有可靠度,因此,可采用可靠性理論方法對(duì)混凝土碳化可靠度進(jìn)行研究。根據(jù)混凝土碳化、碳化殘量等指標(biāo)可得鋼筋發(fā)生銹蝕極限狀態(tài)方程為

Z(t)=c-x0-X(t)=0

(8)

式(8)中,Z(t)為功能隨機(jī)過(guò)程函數(shù)。

鋼筋銹蝕概率可表示為

(9)

式(9)中:Pf(t)為鋼筋銹蝕概率函數(shù);k為混凝土碳化系數(shù),涵蓋多種因素;t為碳化時(shí)間,年。

碳化可靠度可表示為

(10)

式(10)中,Pfc(t)為碳化可靠度函數(shù)。

對(duì)于可靠指標(biāo)可表示為

βc=-Φ-1(1-Pfc)

(11)

式(11)中:βc為可靠指標(biāo);Pfc為失效概率,%。

綜合上述各式可得可靠指標(biāo)最終表達(dá)式為

(12)

式(12)中:μc為混凝土保護(hù)層厚度的平均值,mm;μx0為碳化殘量的平均值,mm;μk為碳化系數(shù)的平均值,mm;σc為混凝土保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差,mm;σx0為碳化殘量的標(biāo)準(zhǔn)差,mm;σk為碳化系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,mm。

2.5 碳化壽命分析

按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)[8]的規(guī)定,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)的可靠性指標(biāo)應(yīng)根據(jù)其可逆程度進(jìn)行確定,且不宜低于0～1.5[9]。鋼筋開始銹蝕允許失效概率見表1。

表1 鋼筋開始銹蝕允許失效概率

渡槽碳化壽命TTS預(yù)測(cè)可表示為

TTS=TT-t

(13)

式(13)中:TT為碳化總壽命,年;t為服役時(shí)間,年。

上吳渡槽混凝土碳化目標(biāo)可靠指標(biāo)取值受多種因素影響,與建筑物工程等級(jí)、建筑物功能性、建筑物歷史價(jià)值以及對(duì)周邊人民心理狀態(tài)等因素都有關(guān)。上吳渡槽周邊居民違建較多,渡槽穿過(guò)居民區(qū),少數(shù)渡槽排架柱已與民房或其他民用建筑連為一體,渡槽結(jié)構(gòu)遭到破壞,如混凝土老化脫落,可能會(huì)對(duì)周邊人群出行造成影響。

考慮渡槽本身質(zhì)量、周邊人群心理狀態(tài)、渡槽歷史意義,建議排架部位可靠指標(biāo)取值為0。

3 上吳渡槽算例分析

上吳渡槽所處地區(qū)位于義烏市,經(jīng)查閱資料,當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁貫?7 ℃,環(huán)境濕度為77%,排架混凝土標(biāo)號(hào)為C18,混凝土強(qiáng)度平均值為24 kPa,將以上數(shù)據(jù)代入各項(xiàng)公式中。

碳化殘量x0=4.86×(-0.772+1.5×0.77-0.45)×(40.3-5)(ln24-2.3)=16.88 mm

將以上數(shù)據(jù)代入式(6)可得渡槽排架部位可靠指標(biāo)與服役時(shí)間的關(guān)系,具體關(guān)系如表2所示。

表2 可靠指標(biāo)與服役時(shí)間關(guān)系

根據(jù)表2畫出可靠指標(biāo)經(jīng)時(shí)曲線(圖2),排架可靠指標(biāo)取值為0。由圖2可知,當(dāng)排架可靠指標(biāo)取0時(shí),其碳化壽命約為70年,渡槽建造時(shí)間距今已超過(guò)50年,因此,從碳化壽命角度來(lái)看,渡槽支撐部位——排架仍有一定剩余碳化壽命,為20年。

圖2 可靠指標(biāo)經(jīng)時(shí)曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)分析混凝土碳化機(jī)理,并介紹現(xiàn)有混凝土碳化模型,根據(jù)可靠度理論,對(duì)混凝土碳化可靠度進(jìn)行分析,選取上吳渡槽作為研究對(duì)象。綜合考慮影響上吳渡槽碳化的各項(xiàng)因素,確定了上吳渡槽排架部位混凝土碳化可靠指標(biāo)為0,計(jì)算得到其碳化壽命為70年,渡槽修建距今約50年,剩余碳化壽命為20年,本研究對(duì)類似渡槽的碳化壽命評(píng)估具有一定的參考和借鑒作用。