混凝土内钢筋锈蚀规律随机性的研究.pdf

2 0 1 2年 第 3期 ( 总 第 2 6 9期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o ml N o 2 6 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d 0 i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 1 3 混凝土内钢筋锈蚀规律随机性的研究 马 中军 2 ，张树瑁1 , 2 ，刘 沐宇 ， ( 1 武汉理工大学，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ；2 南阳理工学院，河南 南阳 4 7 3 0 0 4 ) 摘要： 通过试验说明了应当引入随机理论来研究混凝土内钢筋的锈蚀规律， 提出了将非平稳过程平稳化的思路， 建立了考虑随机性的 钢筋锈蚀速率预测公式， 然后结合实际数据给出了用数理统计理论来确定某时刻锈蚀量均值的方法。 关键词 ： 锈蚀速率；随机；均值 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 2 ) 0 3 0 0 4 3 0 3 S t ud y on r a ndomi c i t y of c or r o s i o n l a w f or s t e el ba r i n c onc r e t e Z o n g -j an 1 ,2 ， Z I -I A NGS h u -j u n ， L I UMu - y u ( 1 Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 N a n y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy， N a n y a n g 4 7 3 0 0 4 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： I t w a s p r o v e d t h a t the r a l l d o m the o r y s h o u l d b e i n d u c t e d t o the s tud y o n s t e e l b a r c o r r o s i o n l a w b y e x p e r i me n t T h e wa y o f c h a n g i n g n o n - s t a t i o n a r y i n t o s t a t i o n a r y p r o c e s s h a s b e e n p u t f o r wa r d Co r r o s i o n r a t e f o r e c ast f o r mul a s c o n s i d e r i n g r a n d o m we l e e s tabl i s h e dUs i n g a c t u a l d a - + ta ， t h eme th o do fc a l c ul a t i n gC o r r o s i o n e x t e n t m e an b a s e do nma the ma t i c a l s tat i s t i c s wa s th e np r o p o s e d Ke v w or d s ： c o r r o s i o n r a t e； r an d o m； me an 0 引言 混凝土中钢筋的锈蚀是影响结构耐久性的最重要因素， 对 钢筋锈蚀规律的研究是目前耐久性课题的一个重要方面。 现在 大量锈蚀研究的落脚点都在钢筋的锈蚀速率， 锈蚀速率受很多 因素影响， 其中外因有 自然环境中的有害介质 、 温度 、 湿度、 冻 融等， 内因有混凝土的渗透性、 裂缝情况、 强度等级等【 l 】 ， 这些因 素的影响效果从定量上分析大都具有明显的不确定性， 而且互 相之间还有影响 ， 导致难以对锈蚀的规律性直接进行理论分 析， 目前的研究主要依赖于试验。 1 钢筋锈蚀速率的试验研究 1 1 试验情况 1 1 1 试验准备 ， 混凝土用料采用 P O 3 2 5 级水泥、 中砂 、 砾石( 粒径 5 2 5姗 ) ， 共有 3种强度等级， 配合比如表 1 所示。 表 1 混凝土配合 比 钢筋采用三种直径( 1 O 、 1 4 、 1 8 n u n ) 的光圆钢筋 ， 经过酸 洗、 中和和烘干等处理， 同时在钢筋上固定导线供测锈蚀率用。 1 1 2 试件设计与制作 混凝土试块为边长 1 0 0 i n l n的立方体， 钢筋长度为 9 0 I n lT l ， 被包裹在混凝土内， 两端用环氧树脂封住。 试件分组如表 2 所示， 收稿日期：2 0 1 l q ) 9 1 4 表 2 试件分组表 每组做 3个平行试件。 将试块的一个面浸泡在 8 的氯化钠溶液中， 钢筋距离该边 的距离统一控制为 3 0 mm。 1 1 _ 3 测试装置 采用目 前主流的钢筋腐蚀速率测试方法_l 线性极化法” 。 这种方法是在钢筋腐蚀电位附近一个较小的范围内对其进行 极化以获得钢筋的极化电阻， 然后按照 S t e r - G e a r y 公式计算钢筋 的腐蚀电流， 即可算出钢筋的腐蚀速度。 1 2 试验数据与分析 钢筋锈蚀之后 8个相邻时刻( 间隔3 d ) 的锈蚀速率数据见 表 3 。 经观察， 这段时间内混凝土表面未出现裂缝。 由表 3可见锈蚀速率的变化规律很不明显， 而且数值的绝 对差异很小， 同一组试件内的数据相对差异却比较明显 ， 说明 了数据具有难以描述的离散性。 这个问题的出现并不是偶然的， 目前进行的锈蚀率试验都 反映出了同样的情况。 从机理上来说 ， 其中的主要原因在于以下 几个作用因素的影响： 已形成的锈蚀层会直接影响未锈部分 表面的水分与氧气供应状况； 周围混凝土的部分孔隙会被铁 锈填充从而影响外部氯离子、 二氧化碳和氧气等的进入 ； 锈 胀出现后会直接改变周围混凝土的受力状态， 造成微裂缝的扩 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 展， 改变混凝土的密实度等【2 - 】 。 这些影响因素也具有明显的不 确定性 ， 因此造成锈蚀率的变化过程比较复杂 ， 实测的锈蚀速 率数据具有很大的随机性。 2 基 于随机理论的研 究方法 钢筋锈蚀速率的变化可以说是一个具有随机性的复杂非 线性过程。 由表 3 还可知该过程显然不是一个平稳随机过程 ， 也不具备各态历经性 ， 难以对整个发展过程， 也就是锈蚀量进 行预测。 2 1 将非平稳过程平稳化的计算方法 为了计算的简化， 并考虑实用性 ， 将以上非平稳过程平稳 化。 即假定锈蚀速率 ( f ) 可以表示为嗍 ： 式中： r ( t ) 一确定性函数， 可称为锈蚀速率变化系数； 。( ) 平稳随机过程 。 由于平稳随机过程的数字特征均与计算的时间起点无关 ， 所以可将 。 ( ) 取为初始的锈蚀速率( 即时间点 1 时的锈蚀速 率) ， 记为 。 ， 凰 是一个随机变量。 于是有 ： ( t ) = r ( ) 。 ( 2 ) 由式( 2 ) 可知某时刻 t 的锈蚀速率的随机性与初始锈蚀速 率的随机性直接相关， 并且概率分布类型保持不变 ， 因此均值 嘲 ) ( ) 。 r ( t ) 反映了上述的一些复杂的非线性机理 ， 实际上是一个 随机过程， 将其视为确定性函数只是一种近似的处理方法。 根据表 3的数据， 认为每组试块 3 个数据的平均值为均值 ， ( f ) = = r ( ) ( t ) ( 1 ) 计算均值如表 4 ， 数据点图如图 1 所示。 表 4 均值计算表 mm 年 0 O 1 5 O 0 1 0 0 0 0 5 表 5 系数计算表 得到 3种试块对应情况下的锈蚀速率均值预测式如下( 保 护层厚度均为 3 0 m n ， t 的单位为 d ， 表面氯离子浓度为 8 ) ： 对 C 2 0的混凝土、 直径 1 0to n i 的钢筋： 胁 1 8 7 x 1 0 - 5 t 2 _ 7 4 7 3 x 1 0 4 t + O 0 1 5 ( 4 ) 对 C 3 0的混凝土、 直径 1 4 r l l l T l 的钢筋： 4 4 ,x ( t)=7 5 7 4 x1 0 - 4 1 ,8 5 x 1 0 - 4 t + 9 3 x l O 。 ( 5 ) 对 C 4 0的混凝土、 直径 1 8 i n to的钢筋： 1 3 4 9 x l O - T t - 1 3 2 x l O - 4 t + 4 1 9 6 x 1 0 ( 6 ) 按以上的方法 ， 在积累更充分的试验数据之后 ， 即可建立 钢筋锈蚀速率的随机预测表达式。 由于考虑了不同忽视的随机 性， 精度必然比现有的一些建立在不充足的宏观数据基础上的 预测公式精度高。 2 2 均值的分析与计算 由于数据量的有限， 以上对某个时间点直接取了 3个数据 的平均值作为均值， 这显然并不准确。 应当积累相当数量的数据 ， 然后应用数理统计的方法来确定其分布和均值。 考虑到锈蚀速 率的变化过程很复杂 ， 而且实际需要的往往是用锈蚀量来衡量 锈蚀状况 ， 下面结合中国建筑科学研究院翻 的试验数据， 来给出 锈蚀量均值计算与分析过程： 1 8个试件强度均为 C 2 5 ， 采用直径为 1 2 r l l l T l 的光圆钢筋 ， 在室外自然环境中放置了 8 5年后实测钢筋的锈蚀失重率。 数 据样本为( O 9 0 8 ， 0 4 3 6 ， 0 7 7 4 ， 0 4 8 1 ， 0 4 1 8 ， 0 1 3 4 ， 0 5 5 6 ， 0 5 9 9 ， 0 7 0 2 ， 0 4 6 7 ， 0 8 4 4 ， 0 5 5 6 ， 0 3 4 0 ， 0 2 8 4 ， 1 442 ， 0 6 4 3 ， 1 5 6 0 ， 0 3 0 6 ) 。 经计算， 样本均值 = O 6 3 6 ， 样 本标准差 S = O 3 6 3 。 ( 注： 为了计算的方便， 以下将失重率的数 据都放大了 1 O s 倍) 。 先假设该样本服从正态分布。 对正态分布来说， 其均值 和 标准差 o r 的极大似然估计分别是样本均值 和样本标准差 s 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将 的值域分为 4个区间， 设 是总体 的样本落在区间 ( 。 ， o d( k = l ， 2 ， 3 ， 4 ) 的频数 ， 总体落在该区间的概率估计值可 用式( 7 ) 计算 ： = ( 竽H ) ( 7 ) 将试验数据代人， 可得计算结果如表 6 所示。 表 6 概率估计值计算表 然 后 计 算 3 9 6 。 对a = O 0 2 5 、 自 由 度( r -一3 = 1 ) n 1 Pk 查 分布表碍 ( r _ _ 3 ) = 5 0 2 4 。 因为 3 9 6 5 0 2 4 ， 所以可认为总 体服从正态分布。 然后对 进行假设检验。 服从 N ( z ， 0 2 ) ， 根据正态总体统 计量的分布定理唰 ： 零 (8 ) ( ) 、 O r S 为修正样本标准差 ， s v n 一_ 1 = 3 7 3 o 9 5 a = 。 。 2 5 ， 对自由 度 n 一 1 查t 分布的临界值表 ， 得 t 。 ( n 一 1 ) - 2 1 0 9 8 o 令 等 、 - 2 1 0 9 8 ， 可 得 z - 4 5 0 。 如果需要确定 的话可以采用下述方法： 由于 不可能小 于 o ， 所以 取 0的概率应该为 0 ， 也就是说 应 一 3 9 ， 取 这样就确定了 和 值。 同 理 对某时刻锈蚀速率的数据 也可应用以上方法来处理。 3结语 本研究将随机理论引入了混凝土内钢筋锈蚀问题 的研究 之中， 为解决该问题提供了一个新的思路。 下一步工作的重点除 了应积累数据之外， 还应对锈蚀速率变化系数 r ( t ) 的随机过程 性质进行深入的研究。 参考文献： 1 】 沈汝伟 混凝土钢筋锈蚀量预测的智能模型及应用 J 】 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 3 7 3 9 2 耿欧 ， 袁迎曙， 蒋建华， 等 混凝土中钢筋锈蚀速率的时变模型 J 东 南大学学报 ： 自然科学版， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 2 9 3 1 2 9 7 3 3 姬永生， 袁迎曙 ， 李富民， 等 混凝土内钢筋锈胀力发展及钢筋锈蚀 速率的时变性 J 】 河海大学学报： 自然科学版 ， 2 o o 9 ( 4 ) ： 4 3 0 4 3 6 4 】S T E WA R T M G， RO S O WS K Y D V T i me - d e p e n d e n t r e l i a b i l i t y o f d e t e ri o r a t i n g r e i n f o r c e d C o n c r e t e b ri d g e s J S t r u c t u r a l S a f e t y ， A me s t e r - d a m， 1 9 9 8 ( 2 0 ) ： 9 1 1 0 9 5 5 丁威， 崔国惠大气条件下混凝土中钢筋锈蚀程度发展对保护层开 裂和钢筋力学性能影响的试验研究 J 结构工程师 ， 2 0 o o 0) ： 3 8 4 0 【 6 】 刘剑平， 陆元鸿 概率论与数理统计方法【 J 上海 ： 华东理工大学出版 社 。 2 0 0 1 ： 1 6 5 1 6 7 作者简介 ： 联 系地址 ： 边界值可解得 口 =l l 5 。 联系电话： 马中军( 1 9 7 2 一 ) ， 女 ， 在读博士， 副教授。 河南省南阳市长江路 8 O号 南阳理工学院土木工程系 ( 4 7 3 0 0 4 ) l 5 83 7 7 7 3 3 8 7 武汉专家研发混凝土植被三峡大坝终披绿衣 三峡大坝作为备受世界瞩目的大型水利水电工程， 其生态保护与水保建设一直为世人关注。1 3日， 记者从中国科学院武汉植物 园了解到， 由该园研发的混凝土“ 生态植被块” 经过近两年试验验证 ， 不仅可有效实现护坡固土的基本功能， 还为三峡坝区近 4公里 消落带营造出一道靓丽的绿色景观线。 ； 中国科学院武汉植物园总园艺师刘宏涛介绍 ， 由于水位涨落， 三峡库区消落带的治理被称为世界级的“ 生态难题” 。 无论是钢筋 混凝土做成堤岸的工程措施 ， 还是边坡栽种植被的植物措施 ， 虽然能达到一定程度护坡固土的目的， 但均存在水流长期冲刷导致坡 土空穴、 景观荒秃、 水土隔绝等弊端。 “ 现有的技术存在不足， 植物和建筑材料始终是 两张皮 ， 无法融合于一体。 ” 要解决三峡大坝消落带生态护坡固土这一难题 ， 让“ 钢筋混凝土里长出草， 且能不断生长” 成为关键。 刘宏涛率领研发团队进行各项技术攻关， 经过多次试验 ， 最终选定根茎发达且耐水性强的狗牙根草， 配合经特殊方式浇筑的混 凝土生态植被块， 通过技术手段在植被块中培植狗牙根草， 经人工铺设安装后 ， 植物根系穿透植被块预留的空隙， 扎根边坡土壤内， 实现持续生长。 “ 其创新之处在于生态植被块兼具了强度高、 孔隙率大、 连通孔隙分布合理的物理性能和植被建植的生物学性能， 这样植物与 建筑材料结合成了 一张皮 ， 彼此不可分割， 混凝土里长出草也变成了现实” ， 刘宏涛解释。 据了解 ， 自2 0 1 0 年 5 月， 三峡大坝升船机上引航道左侧高程 1 6 5 1 7 5 m间边坡及下游隔流堤已采用该项技术 ， 现已应用推广 4 万余 m 2 ， 历经大坝蓄水至 1 7 5 m及洪峰期内安全泄洪的考验， 目前各项性能参数良好， 达成了三峡航道边坡稳定及生态恢复的预 期目标。 刘宏涛介绍， 该项技术的固坡功能和草坪建植绿化功能， 可满足生态护坡需求， 尤其是对河岸、 湖岸、 渠道、 水库护坡固土优势 明显。下一步， 该园还将不断筛选植被种类， 改造生态植被块性状， 应用于城市建筑立体绿化等诸多领域。 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m