受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析.pdf
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1、第 3 5卷 第 6期 2 0 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 5 N O 6 De c 20 1 3 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 1 3 受力状态下 混凝土材 料劣化模 型 与可靠性分析 李英民 , 周 小龙 , 谭 潜 ( 重庆 大学 a 土木工程 学院; b 山地
2、城镇建设与新技 术教育部重点实验 室, 重庆 4 0 0 0 4 5 ) 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
3、 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 : TU3 1 2 文 献标 志码 : A 文 章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 8 2 0 7 De t e r i o r a t i o n M o d e l a n d o n Co n c r e t e M a t e r i a l Re l i a bi l i t y An a l y s i s a t S t r e s s S t a t e s Li Y
4、 i n g mi n。 Zh o u Xi ao l o n g。 T a n Qi an。 ( a Sc hoo l of Ci v i l En gi ne e r i ng:b Ke y La b or a t or y of Ne w Te c hn ol o gy f or Co ns t r uc t i o n o f Ci t i e s i n Mo u n t a i n Ar e a ,M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n,Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y,Ch o n g q i n g 4 0
5、 0 0 4 5 ,P RCh i n a ) Ab s t r a c t : Ac c or d i n g t o t h e a n a l y s i s o f e x i s t i ng t e s t d a t a,t he s t r e s s i nf l u e nc e c o e f f i c i e n t a n d wa t e r c e m e nt r a t i o i nf l u e nc e c oe f f i c i e nt i n t h e e x i s t i ng c o n c r e t e c a r bo n a t
6、 i o n de pt h f o r e c a s t i ng mo de l s a r e m o d i f i e d a n d i m p r o ve dBa s e d o n t h e r e l i a bi l i t y a na l y s i s ,t h e r ul e o f d e t e r i o r a t i o n l i f e i s p r e s e nt e d The a n a l ys i s s h o ws t ha t t he r a t e o f c a r b o na t i o n o f c on c
7、r e t e i S a c c e l e r a t e d o r r e s t r i c t e d a t t h e s t a t u s o f t e ns i l e o r c o m pr e s s i v e s t r e s s,r e s pe c t i v e l y Es p e c i a l l y wi t h t he i nc r e a s e o f t he l e v e l of t e n s i l e s t r e s s , t he c a r bo n a t i o n r a t e o f c o nc r
8、e t e wi l l be c o m e f a s t e r a nd f a s t e r Ac c o r di n g t o t h e r e s ul t s of r e l i a b i l i t y a na l ys i s,t h e r e l a t i o n be t we e n p r ob a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t he c on c r e t e d e t e r i o r a t i o n i s o n e t o o ne c o r r e s po ns
9、 i v e,me a nwh i l e,t h e c on c r e t e c o ve r t h i c k ne s s e s a n d s t r e s s l e ve l s h a v e g r e a t i nf l u e n c e s o n t he du r a bi l i t y l i r e o f c on c r e t e s t r uc t ur e s And wi t h t he s a m e r e l i a bi l i t y,t he t i me o f d e t e r i o r a t i o n o
10、f c o nc r e t e d e c r e a s e s wi t h a hi g he r s t r e s s 1 e v e l s a nd a l e s s c ov e r t hi c kn e s s Ke y wo r d s: c a r bo n a t i o n;s t r e s s l e ve l ;d e t e r i or a t i o n m o d e l ;r e l i a bi l i t y;c on c r e t e s t r u c t u r e s 碳 化深 度是 一般 大气 环境 下衡量 混 凝 土结 构材 料
11、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 , 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 , 也 统 一 规 定 拉 应 力影 响 系数 取 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 4 2 5 基金项 目: 国家科技支撑计划 ( 2 o o 9 B AJ 2 8 B O 1 0 2 ) ;
12、 中央高 校基本 科研业 务费 ( C D J X S 1 1 2 0 1 1 6 7 ) ; 重庆 市科技 攻关计 划 ( 20 11 GGB12 7 ) 作者简 介 : 李英民( 1 9 6 8 一 ) , 男 , 教 授 , 博 士生 导 师 , 主要 从 事地 震 工程 与 工程 抗震 、 抗震 鉴定 与 加 固等 研究 , ( E - ma i l ) l i y i n g mi n c q u e d u e n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李英 民 , 等 : 受 力状 态下混 凝 土材料 劣化模 型 与 可靠性分 析 8 3
13、l _ 1 , 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 7 _ 8 _ , 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
14、 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 。 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 , 同时考 虑到 实 际 工程 中较少有混凝土构件承
15、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 1 2 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 。 区 区 、 土 , 图 1 混 凝 土 碳 化 试 验 加 载 示 意 图 试验条件和试件配制详见文献 1 2 。试验检测 数据如表 1 所示。 表 1 试验 室不 同应 力和水灰 比条件下混凝土试件的碳化深度 mm 学兔兔 w w w
16、.x u e t u t u .c o m 8 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 续 表 1 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
17、 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 1 2 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 E 1 2 3 中试 验 数据 , 选 用 多 条 曲线
18、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 。 混凝土碳化时间 d 注 : w c = 0 4 w c = o 4 8 w c = 05 5 一 x f O k x O ) 一 c ( a t + b 、 水 混凝土碳化时间, d 注 : wc =- O 4 w c =- O 4 8 w c = 0 5 5 一 x ( O = 4-t- = c ( a t 十 ) 图 3 o o 一 0 0 5 ( 压 ) 时 X( t ) 一 t 关 系曲线公式拟合 混凝土碳 化时 间, f
19、1 往 :口 w c = O 4 wc = O 4 8 w c =- O 5 5 一 x f j k - x (t ) : c ( a t 4 b 、 4 -t 图 4 o o 一 O 2 5 ( 拉 )时 X( t ) 一 t关 系 曲线 公 式 拟 合 3 5 g 3 0 奁 2 5 2 o 登 糍 1 0 霉5 O 混凝土碳化时问 d 沣 : 。w c = O 4 w c =- O 4 8 w , c = 0 5 5 一 一 = c (a t I 6 ) 图 5 一 0 7 ( 拉 )时 X( ) 一 关 系 曲线 公 式 拟 合 图 2 一 0时 X( t 卜t关系曲线公式拟合 合 的
20、 2 种 混凝 土 碳化 深 度 随 时 间变 化 的关 系 式 , 其 图 2 5给 出 了在 不 同条 件 下根 据试 验数 据 拟 中拟合公 式为 z ( f )一 是 时 , 参数 忌与真 实 值 的相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李英民, 等 : 受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析 8 5 关 系 数 为 分 别 为 ( 0 9 7 0 , 0 9 7 0 , 0 9 7 1 ) , ( 0 9 7 1 , 0 9 7 1, 09 7 0),( 0 9 7 O,09 71,0 97 2),(0 97 1, 0 9 7 0 , 0 9
21、 7 0 ) , 大于拟 合公 式为 ( ) 一 c ( a t +6 ) 时 的参数 a 、 b 、 c的相关 系数 ( 0 9 6 6 , 0 9 6 8 , 0 9 6 8 ) , ( 0 9 6 8 , 0 9 6 8, 0 9 6 8 ) ,( 0 9 6 9 , 0 9 6 8, 0 9 6 9 ) , ( 0 9 6 9 , 0 9 6 6 , 0 9 6 8 ) 。可见式 Iz ( ) 一k , 能更准 切的反映混凝土碳化深度的变化趋势 。考虑到碳化 深度为 z ( )一 忌 的预测公式具有一定 的理论依 据 , 选用 形如 z ( f )一 是 的预测 模 型来 修 正 和改
22、 进 考虑应力因素和水灰 比因素的碳化系数 愚值 。表 2 给 出 了混凝 土碳 化预测 公式 为 z ( ) 一 是 时公式 中 的 志值 。 表 2基于试验数据 的混凝土碳化模型碳化 系数值 水灰 比 应力水平 ( c , a 。 ) 0应力 0 0 0 0 应力水平 ( a a ) w c 一 0 40 2 0 6 3 C 一 0 48 2 1 4 0 w c 一 0 5 5 2 2 0 6 1 2 1 初 始模 型 选 定 和 改进影 响混 凝 土 碳 化 的 因素很多, 有外部环境因素 , 也有混凝土 内部材料性 质本 身 的影 响 因素 。为 了更 精确 的给 出碳 化深 度 的
23、预测 模 型 , 需 要 尽 可能 多 的考 虑 这 些 不 确 定 因 素 的 影 响 。考虑 到 目前 中国对混凝土碳化 因素研究 最全 面 的是西安建筑科 技大学牛荻 涛 的预测模型 6 。笔者在 其模型的基础上对其进行改进以考虑不同应力水平和 不同水灰 比条件下 的混凝土碳化深度预测模 型。 文献 6 中 的预测 模 型为 : z ( )一 2 5 6 KM c 点 1 尼 c o 。 志 p忌 T RH ( 1 一R H) ( 墅 m 一0 7 6 ) C UK 在其基础上, 考虑应力水平和水灰 比因素, 对该公 式加于改进得到新的碳化深度预测模型, 如式( 1 ) 所示: ( )一
24、 是 一 2 5 6 忌 i 尼 c o 。 是 忌 f 厂 ( , w c )T RH( 1 一 R H ) ( 1 ) 式 中 : 是为 混凝 土碳 化深 度影 响系数 ; 忌 为位 置影 响 系数 , 角部取 1 4 , 非角部取 1 0 ; 忌 。 为 C O 。浓度 影响系数, 尼 。 。 一 c 。 o 0 3 ; T为构件表面附近年 平 均温 度 ; RH 为 构 件 表 面 附 近 年 平 均 湿度 ; 忌 。为 浇筑面修正系数 ; 走 为混凝土质量影响因素, 愚 t一 5 7 9 4 f 一0 7 6 ; _厂 ( , W C )为综合考虑应力水平 和水 灰 比的影 响 系数
25、 ; t 为混凝 土碳化 时 间 , a 。 将试 验相 关参 数带 入式 ( 1 ) 可 得 : 厂( w c )一 足= : =0 6 5 0 8愚( 2 ) 1 2 2 不同应力水平对碳 化 深度 的影响 为充 分考 虑不 同应力水 平 和水灰 比对混 凝 土碳 化 深度 的影 响 程度 , 将表中同一水灰比时不同应力水平的 尼值与应 力水平为 0时的 志 值相比较, 其比值如表 3所示。 表 3不 同应力水平条件下应力 因素影响 系数值 水 灰 比 应力水平( ) d应力 0000 应力水平 ( a a ) c 一 0 4 0 w c 一0 4 8 w c 一0 55 平均值 从表 3
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- 状态 混凝土 材料 模型 可靠性分析
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