基于耐久性指標的橋梁承載能力檢測評定研究

申磊 馬磊磊

1 河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司（450006）2 鄭州市市政工程管理處（450001）

基于耐久性指標的橋梁承載能力檢測評定研究

申磊1馬磊磊2

1 河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司（450006）2 鄭州市市政工程管理處（450001）

對影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標進行分析研究，論述了耐久性指標（鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、碳化、鋼筋保護層厚度、氯離子含量及混凝土強度）的無損檢測方法、抽檢數(shù)量及測試原理，并分析了耐久性指標的影響因素和不確定性。

承載能力；無損檢測；耐久性指標；隨機性；不確定性

0 引言

在役橋梁承載能力基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行檢測評定，從原來《公路舊橋承載能力鑒定辦法（試行）》[1]中由專家經(jīng)驗確定的舊橋檢算系數(shù)到現(xiàn)在采用基于檢測結(jié)果定量化的分項檢算系數(shù)進行修正極限狀態(tài)設(shè)計表達式。

承載能力惡化系數(shù)是評定期內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀態(tài)衰退惡化對結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)產(chǎn)生不利影響的修正系數(shù)[2]。惡化狀態(tài)評定的耐久性指標權(quán)重及檢測測區(qū)數(shù)量如表1所示。

表1 耐久性指標權(quán)重及檢測測區(qū)數(shù)量

1 鋼筋銹蝕電位檢測方法與隨機性分析

混凝土中鋼筋銹蝕電位檢測宜采用半電池電位法，參考電極可采用銅/硫酸銅半電池電極，依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 152-2008）[3]進行檢測。

半電池電位法，通過測定鋼筋/混凝土作為一個電極與在混凝土表面的Cu+CuSO4飽和溶液參考電極之間的電位差，評定鋼筋的銹蝕狀態(tài)[4]。Cu+CuSO4飽和溶液參考電極結(jié)構(gòu)圖和測試系統(tǒng)示意圖分別如圖1、2所示。

圖1 銅/硫酸銅參考電極結(jié)構(gòu)圖

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

混凝土中鋼筋銹蝕是一個復(fù)雜的電化學過程，是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，實際工程中通常測量鋼筋的銹蝕電位來反映銹蝕程度。但在鋼筋銹蝕電位測量中，鋼筋、混凝土和檢測儀器共同組成一個電路系統(tǒng)，其檢測結(jié)果受到諸多因素的綜合影響，如環(huán)境濕度、水灰比、保護層厚度、氯離子含量、混凝土表面狀況以及鋼筋間距等。因此，對同一構(gòu)件測出的鋼筋銹蝕電位不是一個確定的值，而是具有一定波動的隨機變量。目前有關(guān)鋼筋銹蝕狀況以及電位的概率分布特征的研究還比較少，并且沒有一致的結(jié)果。

2 混凝土電阻率檢測方法與隨機性分析

混凝土電阻率測試采用基于Wenner法[5]的四電極電阻率測試儀，探頭間距50 mm，測試示意圖如圖3所示。在混凝土表面等間距接觸四支電極，兩個內(nèi)側(cè)電極為電壓電極，兩個外側(cè)的電極為電流電極，通過檢測兩個電壓電極間的電阻即可獲得混凝土結(jié)構(gòu)的電阻率。

式中:V為電壓電極間所測電壓；I為電流電極通過的電流；a為電極間距。

圖3 混凝土電阻率測試技術(shù)示意圖

混凝土電阻率是研究鋼筋混凝土耐久性重要指標之一，也是反映混凝土中鋼筋腐蝕速度的重要因素。一般而言，對在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電阻率的檢測除受檢測方法、環(huán)境條件、施工工藝質(zhì)量影響外，還受混凝土材料組成有關(guān)，如水灰比、凝膠材料種類、水泥用量、礦物摻合料等。這些影響因素本身具有一定的隨機性和不確定性，可能導(dǎo)致現(xiàn)場對混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件電阻率檢測結(jié)果不是一個確定的值，而是一種具有一定概率特征綜合隨機變量。

3 混凝土碳化檢測方法與隨機性分析

混凝土碳化是周圍環(huán)境中的CO2滲入到混凝土內(nèi)部,與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程。配筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋在堿性混凝土環(huán)境的保護作用下處于鈍化狀態(tài)，而碳化會使鋼筋失去堿性環(huán)境的保護，鋼筋就易發(fā)生銹蝕。混凝土碳化深度結(jié)合鋼筋保護層厚度，可評判混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響。

混凝土碳化狀況可采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反應(yīng)厚度的方法測定，依據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）[6]對構(gòu)件碳化深度值進行測量。

混凝土碳化與混凝土自身質(zhì)量，如混凝土水灰比、可碳化物質(zhì)含量，強度等級及混凝土密實程度等；同時也與混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境和荷載作用有關(guān)，如環(huán)境的溫度與濕度、CO2濃度、荷載作用方式及大小等。由于材料的因素、環(huán)境的變化、荷載作用因素有很大的隨機性，因此混凝土碳化深度中也存在大量不確定性以及分布的不均性，應(yīng)用統(tǒng)計的方法分析在役混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度較為合理。

通過理論分析和試驗驗證，大氣環(huán)境下碳化深度、碳化速度系數(shù)和結(jié)構(gòu)服役時間三者的關(guān)系為[7-9]:

4 鋼筋保護層厚度檢測方法與隨機性分析

混凝土對鋼筋的保護作用主要有兩個方面，一是高堿性的混凝土在鋼筋表面形成鈍化膜，二是阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣、水分等的滲入。第二種作用主要取決于保護層的厚度和混凝土的密實度。鋼筋保護層厚度依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 152-2008）[3]可采用電磁檢測方法進行無損檢測。

由于施工誤差以及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用過程中保護層不可避免受到磨損和剝落等損傷，與設(shè)計混凝土保護層厚度相比實際保護層厚度有較大的變異，甚至超過了規(guī)范規(guī)定。因此，混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度并不是一個確定值，而是一個具有一定變異性的隨機變量。

5 氯離子含量檢測方法與隨機性分析

氯離子通過混凝土的毛細孔隙進入混凝土內(nèi)部時，會與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)而破壞鋼筋的鈍化膜,是誘發(fā)鋼筋銹蝕的重要因素，為了避免鋼筋過早銹蝕，需要對混凝土原材料中氯離子的含量進行嚴格地控制。

混凝土中氯離子含量，可采用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上鉆取不同深度的混凝土粉末樣品的方法通過化學分析進行測定。依據(jù)《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 322-2013）[10]，對既有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件鉆取混凝土芯樣,并對混凝土中的氯離子含量進行測試。

混凝土中的氯離子主要由兩部分組成:一部分是混凝土組成材料帶進混凝土的氯離子,如拌和水、水泥、細骨料、粗骨料、礦物摻和料以及各種外加劑等；一部分是通過混凝土保護層由外界環(huán)境侵入混凝土內(nèi)部的氯離子。目前，針對氯離子侵入混凝土的傳輸機理是十分復(fù)雜的,包括離子擴散作用、滲透作用、毛細作用、電化學遷移作用以及不同作用的組合[11]。對于這一過程，主要模型就是用Fick第二定律解釋，該模型主要采用隨時間變化的表面氯離子濃度和擴散系數(shù)。從而不可避免的要考慮各種因素對它的影響，包括混凝土材料自身性能、養(yǎng)護條件、環(huán)境的溫度和濕度及所受的荷載狀態(tài)等因素[12]。由于這些影響因素的隨機變異性決定了氯離子在混凝土中的擴散和積聚是一個隨機過程。

6 混凝土強度檢測方法與隨機性分析

對橋梁混凝土強度，應(yīng)在主要構(gòu)件或主要受力部位布置測區(qū)，采用回彈法、超聲回彈綜合法、取芯法等進行檢測。依據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）[6]對構(gòu)件布設(shè)測區(qū)回彈值測量。

影響混凝土強度因素很多,主要有骨料級配、水灰比、水泥強度等級、凝膠材料種類、外加劑、施工質(zhì)量以及養(yǎng)護條件等。由于這些因素具有很大的隨機性而引起混凝土強度變異，所以對于構(gòu)件不同部位混凝土強度不是一個確定的值，而是一個隨機變量。

根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計同一標準》（GB/T 50283-1999）[13]，通過對全國范圍內(nèi)重點橋梁工地和預(yù)制廠進行調(diào)查，同時收集已建橋梁存檔試驗數(shù)據(jù)，對取得接近3萬各級強度數(shù)據(jù)，經(jīng)參數(shù)估計和概率分布的假設(shè)檢驗，表明結(jié)構(gòu)中混凝土強度滿足不拒絕正態(tài)分布。

7 結(jié)論

通過對影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標分析研究，得到以下結(jié)論:

1）選取耐久性指標（鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、碳化、鋼筋保護層厚度、氯離子含量及混凝土強度）適宜的無損檢測方法。

2）影響橋梁承載能力檢測評定的耐久性指標具有一定的隨機性和不確定性，是具有一定概率特征綜合隨機變量。

3）混凝土強度滿足不拒絕正態(tài)分布。

[1][(88)公路技字11號].公路舊橋承載能力鑒定辦法（試行）[S].北京:人民交通出版社,1989.

[2]JTG/T J21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3]JGJ/T 152-2008,混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4]杜朝偉,趙卓,尚剛,等.在役橋梁結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2013.

[5]趙卓,蔣曉東.受腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測診斷[M].鄭州:黃河水利出版社,2006.

[6]JGJ/T 23-2011,回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[7]趙尚傳,趙國藩.混凝土結(jié)構(gòu)碳化壽命的概率模型研究[J].四川建筑科學研究,2002,1(28):24-26.

[8]劉志勇,孫偉.多因素作用下混凝土碳化模型及壽命預(yù)測[J].混凝土,2003,12(3):3-7.

[9]朱民安.混凝土碳化與鋼筋混凝土耐久性[J].混凝土,1992, (6):18-22.

[10]JGJ/T 322-2013.混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[11]張奕.氯離子在混凝土中運輸機理研究[D].浙江:浙江大學,2008.

[12]AD AM N EV I LL E.Ch1oride attack of reinforced concrete:an overview[J].Materia1s and Structures,1995,28: 63-70.

[13]GB/T 50283-1999,公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計同一標準[S].北京:中國計劃版社,1999.