受SO2腐蚀的钢筋混凝土结构的服役特征.pdf

2 0 1 1年 第 3期 总 第 2 5 7 期 Nu mb e r 3 i n2 01 1 T o t a l No ．25 7 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ．2 0 1 1 ． 0 3 ．0 1 1 受 S O 2 腐蚀的钢筋混凝土结构的服役特征 闫运起 ’ ，尹一涵 。周佳俊 2 1 ．辽宁省建筑标 准设计研究院 ，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 3 ；2 ． 东北大学 资源与土木工程学院 ，辽宁 沈 阳 l 1 0 0 0 4 摘要 鉴于现阶段酸性气体作用对受力混凝土工作性能影 响研究 的匮乏 ， 分 析了酸性侵蚀气体对服役钢筋混凝土结构可靠度的影响 ， 给出了混凝土中和高度 、 混凝土损伤高度 和截面尺寸的时变规律及其与时变可靠度指标的关系。 并与一般大气环境条件对 比， 得到了酸性 侵蚀介质对受力混凝土结构产生加剧腐蚀 的定量结论。 对侵蚀介质环境下的建筑结构可靠性设计提供 了建设性理论指导 。 关键词 i 酸性气体 ；钢筋混凝土结构 ；时变 ；可靠度 中图分类号 T U5 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 1 0 3 0 0 3 5 0 3 Se r vi c e c ha r ac t e r o f r e i nf or c ed c on c r e t e s t r uctur e i n a ci d g as e s SO2 Y AN 一 ， Y I N Y i - h a n2 , Z HOUJ i a -j u n 1 ． L i a o n i n g I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S t a n d a r d De s i g n a n d R e s e a r c h ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f R e s o u r c e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ， No r t h e a s t e rnUn i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ， C h i n a Abs t r a ct Co ns i d e rin g s h o r t o f wo r k i n g p e r f o r ma n c e r e s e a r c h o f l o a d i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r t h e i n flu e n c e o f a c i d g a s e s ．I n flu e n c e o f the a c i d c o r r o s i o n g a s e s o nthe r e l i a b i l i t y o fEx i s t i n gRC s t r u c tur ewa s a n a l y z e d ． Ti me - d e p e n de n t r u l e s o ft h e c o n c r e t e ’ Sn e u t r a l i z i n gh e i t ， d a ma g i ng h e i g h t ， s e c t i o n a l d i me n s i o n a n d the r e l a t i o n s hip b e t we e n t i me d e pe n d e n t r e l i a b i l i t y i n d e x we r e g i v e n ． T he q u a n t i t a t i v e c o n c l u s i o n s wh a t a c i d c o r - r o s i o n me d i u m b r i n g s e r o s i v e d e t e r i o r a t i o n f o r l o a d i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e we r e o b t a i n e d b y c o n tr a s t wi th th e g e n e r a l a i r e n v i r o n m e n t ．I t p r o v i d e s t h e c o n s t r u c t iv e t h e o r e t i c d i r e c t i o n for r e l i a b i l i ty d e s i g n o f s t r u c tur e s in c o r r o s i o n me d i u m e n v i r o n me n t ． Key wor d s a c i d g a s e s ； r e i nf o r c e d c o n c ret e s t r u c tur e； t i me de p e n d e n t ； r e l i a b i l i ty 0 引言 与～般大气环境条件相比， 处于侵蚀介质使用环境中的服 役结构 ， 其结构抗力随服役时间的推移而明显衰减 ， 动态可 靠度显著下降， 使其在确定的设计基准期内难以完成预期设 计使用功能。 G B 5 0 2 1 2 9 l 建筑防腐蚀工程施工及验收规范 和 G B 5 0 0 4 6 --9 5 业建筑防腐蚀设计规范 主要是从被动 的防腐蚀和增加钢筋保护层厚度等构造要求方面来处理腐 蚀问题， 而受腐蚀结构与普通建筑结构在设计理论上却没有 本质 区别 ， 这 显然 是不 科 学 的【 】 ] 。 我 国是 酸雨 比较 严 重 的 国 家 ， 由于酸雨 或酸性 气体对 混凝土腐 蚀所造 成 的损 失 的严 重 性 ， 使得混凝土结构的腐蚀问题已引起了世界范围内的广泛 关注。 但令人遗憾的是， 迄今在国内外与混凝土耐久性研究有 关 的报道 中， 主要关注的是氯化物 对混凝土 的腐蚀 问题 ， 而对 于酸雨或酸性气体的影响较少涉及I 2 _ ， 相关文献仅局限于数 学预测模型 Me h t a整体模型【 3 J 、 S a e t t a有限元模型[4 j 、 试验研 究方 法I 】 、 以及 测试 手段 A u t o c l a m 法 _7 _ 、 Ul t r a s o n i c p u l s e v e l o c i t y me a s u r e me n t [ ] 等方面的研究， 而酸性气体与受力混凝 土作用的报道几近空白。 基于此， 本研究针对酸性侵蚀气体 S O 作用下服役钢筋混凝土结构可靠度随时间的变化规律 即时 变可靠度 进行了有益的探讨。 1 理 论 与 方 法 1 ． 1 钢 筋特 性的 改 变 文献 [ 9 ] 通过试验研究了铜一 镍冶炼厂钢筋混凝 土构件在酸 性气体侵蚀介质 S O 含量为 1 5 - 2 0 0 MF ／ M。 影响下， 混凝土和 钢筋的力学性能及材料强度损伤规律如下所述 1 钢筋在腐蚀介质中锈蚀深度6由式 1 确定 。 。 a I c -- I 1 ete -- tt 1 式 中 n 经验系数 ， a -- t g a， 钢构件 a 0 ． 2 5 ； O - t 从开始使用到锈蚀开始时间； t c -- t 混凝土中和的时间。 2 时变钢筋截面面积可表示 为 A 1 d - 2 8 。 2 3 受腐蚀钢筋不仅截面面积发生变化， 而且其机械及力 学性能也发生了变化 ， 影响构件的承载力 。 钢筋屈服强度的损失 率为f v l 一 ‘ 3 式中 、 s 试验常数 ， k 1 ． 0 9 ， s 一0 ． 1 ； d 钢筋的设计直径； d 。 锈蚀钢筋除锈后 的实际直径。 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 2 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 7 8 0 6 5 ； 中央高校基本科研业务费项目 N 0 9 0 4 0 1 0 0 9 ； 国家大学生创新性实验计划项目 1 0 0 1 2 2 35 4 当最大混凝土中和高度等于保护层厚度时， 钢筋开始 锈蚀 。 钢筋锈蚀开始 时间为 1 5 ‘ 4 ’ 式 中 c 保护层厚度 。 1 ． 2 混凝 土特 性 的改 变【 q 1 二氧化硫等腐蚀性气体对混凝土强度的影响则比二氧 化碳大的多， 易造成混凝土剥落。 混凝土受腐蚀的过程是侵蚀介 质与混凝土的中性化过程。 中和高度随时间以指数变化 h U - 1 2 0 e 5 式中 跨中混凝土中和高度， mm； f 服役时间。 2 混凝土损伤高度的变化规律为 8 8 5 e 一 6 混凝土损伤高度和中和高度有如下关系式 1 ．4 h p 7 3 当混凝土破坏高度 8 时， 混凝土开始破坏。 则混凝土 开始破坏的时间为 ￡ 等 8 I n 1 ． 3 时变可靠度 考虑时间因素在内的可靠度分析模型为结构的时变可靠 度分析模型， 求得的可靠指标为时变可靠指标， 可表示为 式 中 ￡ 、 结构构件时变抗力的平均值和标准差 ； ／ Z s 、 o r 结构构件荷载效应的平均值和标准差。 当R， S 两个基本变量不按正态分布时， 应首先将其当量正态化。 2 算例 与分析 处于酸性气体侵蚀介质中的钢筋混凝土轴心受压柱 ， 截 面 初始宽度和高度均为 1 0 0 0 mi n ， 混凝土等级为 C 3 0 ， 保护层厚度 为 2 5 I I U l I ， 受力纵筋 1 6 2 5 。 恒载、 活载均值和标准差分别为 t z N -- 9 4 5 0 k N ， ／ x y L 1 6 0 0 k N ； c r N o 6 6 0 k N ， O N L 4 8 0 k N 。 试对其进行时变可靠性分析 。 2 ． 1 时变计算抗力 轴心受压构件 的时变计算抗力表达式为 R ￡ 6 h t f 。 E t 1 材料强度和截面尺寸的统计参数。 C 3 0混凝 土 1 ．4 1 ， 6 ‘ 0 ． 1 9 ； 2 0 Mn S i 钢筋 1 ． 1 4 ， 6 ‘ O ． 0 7 ； 钢筋截面面积 ／x n A 1 ． 0 ， 6 A O ． 0 8 ； 计算模式 1 ． 0 ， 8 a p 0 ． 0 5 。 2 材料强度和截面尺寸 的标准值。 f 2 0 MP a f y k 3 3 5 MP a b k hk l 0 0 0 r nlT l A 7 8 56 i nll l 2 ． 2 时变计算抗力的统计参数 1 时变计算抗力 的均值 。 ／ x R t t ￡ ￡ t “f a t ‘ b k h k t z n f A sI t 3 6 2 时变计算抗力 的方差。 i ≠ ￡ R2 2 f f ￡ 6 l t 3 时变计算抗力 的变异系数 。 今 2 ． 出 f - ／ z h t p 4 t 强 f 坠 2 2 2 2 2 盟2 2 ． 3 时变抗力的统计参数 1 时变抗力 的均值。 丽 2 时变抗力 的方差。 6 ￡ 、 ／ 6 1 s 。 ￡ b k t k ￡ b k - 2 h A sk t 1 ／ 4 n n “ d k 一 式 中 n 纵筋根数。 2 ． 4 计算结果分析 通过上述分析， 分别计算了处于一般大气环境下和酸『生气体 中的钢筋混凝土轴心受压构件的时变可靠度， 见图 1 。 由计算可 得 钢筋锈蚀开始时间t o 2 2年； 混凝土开始破坏的时间t c 2 8 年。 混凝土中和高度及混凝土损伤高度与时变可靠度的关系， 见图2 , 3 所示 。 构件截面尺寸 、 可靠度与服役时间的变化规律见图 4 所示。 服 役 时 间 ／ 年 图 1 时变可靠指标对比 1 从图 1 可知 与一般大气环境下对比， 在侵蚀介质作用 下， 构件受腐蚀导致损伤程度加剧， 其抗力水平 、 时变可靠指标 下降的幅度明显增大。 因此 ，结构的设计可靠度指标必须考虑 外界侵蚀环境因素的综合影响。 耩 制 苫 躲 甘 曹 混 凝土 中和高度 ／ m m 图 2 混凝土 中和高度与时变可靠度 混凝土损伤高度／ mm 图 3 混凝土损伤高度与时变可靠度 2 混凝土作为一种碱性物质， 当遇有酸性侵蚀介质时， 即 会发生混凝土与侵蚀介质的中性化过程。 由图2 ～ 3可知 受酸性 侵蚀介质作用 ， 随着服役时间的推移 ， 混凝土中和高度及混凝 土损伤高度均不断增大， 当达到混凝土开始破坏时间 2 8 年 后 ， 构件安全性有明显降低。 0 图 4 时变截面尺寸与时变可靠度 3 从图 4 可知 随着服役时间的增长， 伴随着构件混凝土 中和高度及损伤高度的增加， 构件截面尺寸不断减小 ， 导致刚 度不断降低。 由于混凝土脱落， 钢筋失去保护层而继续腐蚀， 且 内部} 昆 凝土受到侵蚀进一步产生剥落， 竖向承载力大幅度降低， 最终导致构件破坏。 4 钢筋由于保护层削蚀而继续腐蚀且内部混凝土受到侵 蚀而产生剥落时， 侧向箍筋作用减弱， 构件承载力降低 ， 易造成 结构混凝土侧向崩裂而最终导致构件的破坏。 因此，对于受压 构件应主要考虑混凝土截面的损失对竖向承载力的影响。 3结 论 与一般大气环境条件相比， 侵蚀性介质对服役结构有很强 的腐蚀作用， 对其强度和刚度可靠性均有显著影响。 以受腐蚀的 钢筋混凝土受压构件为例， 分析了酸性侵蚀气体对服役结构构 件可靠度的影响， 给出了混凝土中和高度、 混凝土损伤高度和 截面尺寸的时变规律以及与时变可靠度的关系。 得到了酸性侵 蚀介质对受力混凝土产生加剧腐蚀的定量结论。 参考文献 ⋯ 1 郭院成， 李厂慧， 曾力， 等． 受腐蚀结构设计可靠度的实用决策方法L 刀 ． 上接第 2 7页 [ 4 J T R A I NA L A， MAN S O U R S A ． B i a x i a l s t r e n g t h a n d d e f o r m a t i o n a l b e h a v i 0 r o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r c o n e r e t e [J ] ．A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l 1 9 9 1 ， 8 8 4 3 5 4 -3 6 2． [ 5 ]P O L AK M A， V E C C H I O F J ． N o n l i n e a r a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e l l s [ J ] ．J o u rna l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 3 ， 1 1 9 1 2 3 4 4 0 3 4 6 2 ． [ 6 ]H a Wa n g s o n g ， S a n g H y o ． F a i l u r e a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e l l s t r u c t u r e s u s i n g l a y e red s h e l l e l e me n t w i t h p r e s s u r e n o d e [ J ] J o u rna l o f S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 ， 1 2 8 5 6 5 5 6 6 4 ． [ 7 】D I S h e n g l i n ， C H E U N G Y K ． N o n l i n e ar a n a l y s i s o f R C s h e l l s t r u c t u r e s u s i n g l a m i n a t e d e l e m e n t [ J ] ． J o u r n a l o f S t r u e t u r a l E n gin e e r i n g ， 1 9 9 3 ， 1 1 9 7 2 0 5 9 2 0 7 3 ． [ 8 】MI C H E L P， J AC Q U E S M， R I C HA R D P ． F r o s t r e s i s t a n t c o n c r e t e [ J ] ． C o n ～ s t rnc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 5 3 3 9 3 4 8 ． [ 9 ] 邹超英， 赵娟 ， 梁锋 ， 等． 冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律【 J J ． 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 0 1 1 7 1 3 8 ． [ 1 0 】 邹超英， 赵娟， 梁锋， 等． 冻融环境下混凝土应力一 应变关系的试验研 究[ J 1 ．哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 9 2 2 2 9 2 3 1 ． 【 1 1 】 郑晓宁， 刁波 ， 孙洋， 等． 混合侵蚀与冻融循环作用下混凝土力学性 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 1 1 5 3 ～ 5 5 ． [ 2 】蓝俊康 ， 王焰新． 酸性气体对混凝土耐久性的影响及研究进展[ J 】 ． 地 质灾害与环境保护 ， 2 0 0 2， 1 3 3 2 2 2 4 ． 【 3 】ME H T A P K ． C o n c r e t e t e c h n o l o g y a t t h e c r o s s ma d s - p r o b l e m s a n d o p p o - r t u n i t i e s ， c o n c r e t e t e c h n o l o gy p a s t ， p r e s e n t a n d f u t u r e [ C ] ／ ／ K u ma r ． P， E d i t o r Me h t a P r o c ． ， V．Mo h a n， Ma l h o t r a S y mp o s i u Ma r c h ． ACI ， S P1 4 4， 1 9 9 4 1 0 ． 【 4 ]S A E T F A S A V， S C HR E F L E R B A， V I T A L I A N I R V．C a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e a n d t h e me c h a n i s m o f mo i s t u r e ． h e a t a n d c a r h o n d i o x i d e fl o w t h r o u g h p o r o u s m a t e ri a l 4 J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 3 ， 2 3 4 7 61 7 7 2 ． [ 5 ]B I J E N J ， V A N S E L S T R ． E f f e c t s o f fl y a s h o n c a r b o n a t i o n o f c o n - c r e t e w i t h p o a l a n d b l a s t f u rna c e s l a g c e m e n t [ C ] ／ ／ E d ． b y V ． M． Malh o t r a ， D u r a b i l i t y o f Co n c r e t e ． S e c o n d I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e， Ame ric a n Co n c r e t e I n s ti t u t e ， D e t r o i t ， Mo n t r e al， C a n a d a ， MI ， 1 9 9 1 2 1 0 0 1 1 0 3 0 ． 【 6 】N A S S E R K W， G H OS H S ． D u r a b il i t y p r o p e i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u m e a n d l ig n i t e fl y ash [ C l ／ ／ E d ． b y V M Malh o t r a ． D u r a b i l i t y o f Co n c r e t e ，Pr o c e e d i n g s o f t h e Th i r d I n t e rn a t i o n al Co n f e r e n c e， he l d Ma y 2 2 -2 8， 1 9 9 4， Ni c e ， Fr a n c e； Ame ric a n Co n c r e t e I n s t i t u t e ， De t r o i t ， MI ． 1 9 9 4 1 91 21 4． [ 7 】B AS H E E R P A M， L O N G A E， MO N T G OME RY F R ．T h e a o t o c l a m p e me a b i l i t y s y s t e m f o r me a s u rin g t h e i n - s i t u p e r me a t i o n p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e [C ]／ ／ N D T i n C i v i l E n n e e ri n g ， P r o c e e d i n g s o f t h e B ri t i s h I n s t i t u t e o f No n De s t r u c t i v e T e s t i n g l n t e r ma t i o n al C o n f e r e n c e Ap r i l 1 4 -1 6， 1 9 9 3 ， Un i v e r s i t y o f L i v e r p o o l ， UK； Ed ．b y J ．H． B u n g e y ； B rit i s h I n s t i t u t e o f NDT， No rt h a mp t o n， 1 9 9 3 2 3 5 - 2 6 0 ． [ 8 】S WA MY R N， WAN R M．U s e o f d y n am i c n o n d e s t ruc t i v e t e s t me th o d s t o mo n i t o r e o n c r e t e d e t e ri o r a t i o n d u e t o a l k a l i - s i l i c a r e a c t i o n [ J ] ． C e - m e n t C o n c r e t e a n d Ag g r e g a t e s ， 1 9 9 3 ， 1 5 1 3 2 4 9 ． [ 9 】C T K OB B的 ， I I ／ HB A HOHA M C， I I I y MH I K HH I O A， e t a 1 ．皿o J I F O B e q H O C T b K e J I e 3 06 e T O HH I X 6 e a a o x ne p e K p b l T r fft lq pO Mb I I l L rl e H Hb t X 3 Ⅱ a HH 贽 c o o p y , K e H np e a n pn a T H O p H J I b C K O F O r o p H o Me r a r o Wp r 一 ／ 4 “t I e C K O r O K O M 6 1 4 H a T a [ J ] ． 14 3 B ． u y 3 o B ． CT p O H T e l I D C T B O H a p x ．H T e x r y p a ， 1 9 8 4 1 2 1 - 4 ． [ 1 O ] 赵卓， 霍达， 赵J顺 波． 受腐蚀混凝土结构的随机腐蚀损伤【 J ] ． 中国港湾 建设 ， 2 0 0 1 1 2 3 2 5 ． 作者简介 闫运起 1 9 6 8 一 ， 男， 高级工程师， 从事混凝土结构研究。 联系地址 沈阳市和平区十一纬路 8 7 号 1 l O O O 3 联系电话 1 3 6 6 4 1 9 9 3 7 8 能劣化机理研究【 J ] ．建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 2 1 1 1 - 1 1 6 ． 【 1 2 ] 肖前慧， 牛荻涛， 赵口 日 ， 等． 冻融环境下引气混凝土力学性能研究f J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 9 ， 2 3 6 6 1 0 一 l 1 ． [ 1 3 ] 邹超英， 徐天水， 胡琼．应力状态对抗冻混凝土力学性能的影响[ J 】 ． { 氐 温建筑技术 ， 2 0 0 5 ， 1 0 8 6 6 - 7 ． 【 l 4 ] 祝金鹏， 李术才， 刘宪波， 等． 冻融环境下 建筑科学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 1 6 2 6 7 ． [ 1 5 剧咩 ， 刁波． 混合侵蚀与冻融环境下混凝土力学性能劣化试验[ J 】 ． 建 筑科学与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 2 4 1 4 4 ． [ 1 6 】 商怀帅， 宋玉普， 覃丽坤． 普通混凝土冻融循环后性能的试验研究f J ] ． 混凝土与水泥制品， 2 0 0 5 ， 1 4 2 2 9 - 1 1 ． 作者简介 联 系地 址 联 系电话 姚家伟 1 9 6 4 一 ， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事建筑结构 工程研究 。 大连市经济技术开发区辽河西 l 8 号 大连民族学院土木 建筑工程学院 1 1 6 6 0 0 - 1 3 9 4l 1 44 7 5 2 3 7