沿海水閘混凝土碳化壽命的可靠度分析

黃文濤

[摘要]沿海水閘靠近海洋環境，混凝土結構長期受到氯離子侵蝕和碳化共同作用，其耐久性問題更為突出。在菲克穩態擴散定律的基礎上，在獲得現場實測的小樣本數碳化數據后，采用可靠度分析方法，預測混凝土結構的剩余壽命。結果表明檢測的水閘碳化深度小于保護層厚度，且預測剩余壽命非常樂觀。

[關鍵詞]沿海；水閘；混凝土碳化；可靠度

文章編號：2095-4085（2017）01-0089-02

混凝土碳化是空氣中的酸性氣體CO₂與混凝土中的堿性物質相互作用，致其成分、組織和性能發生變化，并使其技能下降的一種復雜變化。碳化引起混凝土的堿度降低，進而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，繼而導致混凝土鋼筋銹蝕，甚至導致混凝土結構提前發生耐久性失效。沿海水閘不僅要起到防洪排澇作用，同時也要承擔擋潮的任務，運行環境相對惡劣，其混凝土結構的耐久性問題普遍突出。除此之外，水閘靠近海洋環境尤其海洋大氣環境，空氣CO₂和氯離子濃度更高，結構長期受到氯離子侵蝕和碳化的共同作用，加劇了結構的耐久性破壞。

結構壽命是指結構在使用過程中滿足既定功能的使用年限。混凝土碳化是衡量工程中鋼筋混凝土結構可靠度的重要指標，如何預測沿海水閘在多目標、復雜環境條件下運行的剩余壽命，充分挖掘鋼筋混凝土結構的使用潛力，是本文著重探討的問題。

因此，碳化使得混凝土逐漸中性化，降低環境的堿性，這樣就給“有害物質”提供了便利，進而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去了對鋼筋的保護作用，又在水分和氧氣的綜合作用下，鋼筋開始銹蝕。同時，碳化還會加劇混凝土的收縮，使得結構產生拉應力作用而逐漸開裂，甚至結構的整體破壞。

氯離子的存在會加劇混凝土的碳化，更容易導致結構的退化。研究發現經NaCl溶液浸泡后，混凝土的抗碳化能力下降，而且粉煤灰、礦渣雙摻混凝土的抗碳化能力低于普通混凝土，粉煤灰含量越多，抗碳化能力下降越明顯。當氯離子侵入后，氯鹽晶體填充結構孔隙，同時氯離子的侵入也會形成弗雷德鹽，當水閘在洪水和潮水漲落的工況中運行，易出現干濕交替的情況，會使得混凝土結構發生鹽脹而產生微裂紋，加劇碳化作用。

2.混凝土結構碳化壽命模型

相關工程實踐表明，鋼筋一旦開始銹蝕，只要不大的銹蝕量和不長的試件，就足以導致混凝土開裂。開裂后的銹蝕又受到更多不確定因素的影響，難以對其作出定量的估計。目前，大多數混凝土結構都以碳化深度達到鋼筋表面作為鋼筋銹蝕的標志，并以此作為預測碳化壽命的準則。

3.工程算例

本文選取寧波甬新閘的碳化檢測結果，甬新閘承擔甬江流域防洪排澇兼擋潮的任務，工程等級為Ⅱ等，其主要建筑物水閘為2級，次要建筑物為3級，該工程已經運行11年。本次檢測對象包括水閘閘門板、閘墩、胸墻、檢修橋板、工作橋橋板及啟閉機房立柱等部位的混凝土，考慮到不同構件運行環境的惡劣情況及結構重要性，選擇其中碳化較為嚴重的胸墻和工作橋板作為研究對象。胸墻和工作橋板保護層厚度分別服從正態分布N（44.3，3.82），N（33.5，2.82），碳化深度檢測數據如表1所示。

4.結語

本文根據菲克穩態擴散定律的碳化模型，并采用可靠性計算方法預測沿海水閘的剩余使用壽命。本次檢測結果表明各構件實測混凝土碳化深度均小于鋼筋保護層厚度實測值，而且剩余壽命也非常樂觀。