馮家山灌區郭家莊渡槽碳化壽命預測探析

王勇斌

(陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西 寶雞 721000)

1 概 述

渡槽是水工建筑物中常見的跨越山沖、道路、谷口的架空輸水建筑物。渡槽一般建在地形條件復雜、環境條件比較惡劣的山區溝壑中，因此施工條件、養護條件、溫度濕度作用、大氣條件等因素對渡槽的耐久性的影響比較明顯，砼的碳化就是這些因素對渡槽耐久性影響的最直觀表現。砼碳化是大氣中的CO2不斷通過砼中的毛細孔或小裂紋向砼中擴散，在濕度適宜情況下與砼中的堿性水化物相互作用生成中性碳酸鈣的現象。砼碳化一般不會影響砼強度等性能，反而會提高砼的密實性和強度。但是碳化反應降低了砼的堿性，當碳化達到一定程度時會引起鋼筋表面鈍化膜的破壞，使鋼筋與空氣中的水分發生反應引起鋼筋的銹蝕，發生體積膨脹引起砼脹裂而破壞結構，降低建筑物的使用壽命。本文結合馮家山水庫灌區郭家莊渡槽的碳化實測數據，建立碳化模型預測渡槽的壽命，建議性指導渡槽加固。

2 碳化模型建立

2.1 工程概況

馮家山灌區郭家莊渡槽全長257.5m，為東西走向，槽身為U型C20砼預制吊裝，墩臺和鋼筋砼排架均為C20現澆鋼筋砼。渡槽所在地多年平均氣溫為13.2℃，相對濕度70%，空氣中CO2濃度約為0.03%。運行多年后，渡槽出現諸多砼病害現象，鋼筋砼(槽箱、鋼筋砼排架、墩臺等)表面均存在不同程度的碳化，砼局部出現脹裂現象。為了更加準確對渡槽碳化破壞程度進行研究，根據《水工砼試驗規程》(SL 352-2006)對渡槽槽箱、鋼筋砼排架、墩臺的碳化深度進行檢測，得到的實測數據見表1。

表1 郭家莊碳化實測數據 /mm

2.2 數據處理

依據郭家莊渡槽的實測數據，對碳化深度和保護層厚度的數據進行處理。根據碳化深度及保護層厚度的隨機模型理論[1]，計算得出郭家莊渡槽的砼碳化深度和保護層厚度均符合正態分布，數據整理結果見表2、表3。

表2 郭家莊渡槽碳化深度數據處理結果

表3 郭家莊渡槽保護層厚度數據處理結果

由表2、表3結果可得，郭家莊渡槽的墩臺、槽內側壁、鋼筋砼排架的碳化深度變異系數差異較大。其中，槽內側壁和T鋼筋砼排架的變異系數均大于0.4，說明渡槽的各檢測部位的密實性存在差異；而渡槽各檢測部位的保護層厚度的變異系數均小于0.17，說明其保護層厚度離散性較小。

2.3 隨機模型的建立

2.3.1 隨機模型基本原理

砼碳化是一個復雜的物理化學過程，根據國內外大量數據統計可知砼的碳化深度服從正態分布，砼的一維概率密度函數可以表示為：

式中：t為碳化時間；μx(t)及σx(t)分別為混凝土碳化深度的平均值函數和標準差函數。

結合工程實況并根據Fick第一定律及砼碳化的隨機模型基本原理，建立碳化深度隨機模型為：

在砼碳化深度各影響因子中，砼強度影響系數對碳化的影響較為明顯，依據許多學者根據實驗和工程數據建立的砼強度碳化模型的經驗進行線性擬合。

2.3.2 最小二乘法線性擬合

根據郭家莊渡槽碳化數據測量結果發現，碳化深度與強度相關性較強。采用最小二乘法對碳化系數kf與砼強度fcuk進行線性擬合，得到不同砼強度下砼強度影響系數kf數值，見表4。

表4 擬合數據表

圖1 擬合結果

該曲線擬合的相關系數為0.998 6，相關性良好。由擬合結果可得強度影響系數公式為：

綜上可得，建立在隨機模型基礎上的砼碳化深度預測模型為：

2.3.3 碳化模型驗算

為了驗證該碳化模型的可靠性，查詢另外3座外界環境與本渡槽相近的渡槽在不同年限的碳化深度數據，并對數據進行整理。運用該碳化模型對3座渡槽的碳化深度進行預測，并與實測數據進行對比，計算結果和對比結果見表5。

表5 不同年份渡槽校驗結果

由表5結果可以看出，運用該模型計算的不同年份、不同強度砼碳化深度與實測數據的差值百分比均小于11.3%，說明該模型的計算結果與實測數據相差不大，模型能夠比較真實反映砼碳化深度與各影響因子之間的關系。

3 碳化壽命預測

目前，在耐久性研究方面，許多理論把碳化深度達到鋼筋表面的所用時間定義為鋼筋開始銹蝕時間。國內學者根據碳化殘量與保護層厚度及砼強度變化散點圖的變化趨勢并參考已有實驗結果，通過對實際工程的檢測結果擬合分析，給出碳化殘量的計算公式：

x0=4.86(-RH2+1.5RH-0.45)(c-5)×(Lnfcu.k-2.3)

式中：c為砼保護層厚度，是隨機變量；RH為環境相對濕度；fcu.k為砼抗壓強度。

隨著碳化深度的不斷加深，砼碳化速率會變得緩慢。當碳化深度到達碳化殘余界面時，鋼筋開始發生銹蝕。而鋼筋銹蝕又是極為復雜的變化過程，國內諸多學者已經給出許多有關鋼筋銹蝕量與時間、砼強度等的關系[3]。根據砼耐久性失效原理將碳化深度到達碳化殘量作為砼耐久性失效的極限狀態，并可定義其表示方程為：

Z(t)=c-x0-X(t)=0

表6 碳化過程計算結果及壽命預測結果

4 結 論

本文根據馮家山灌區郭家莊渡槽工程的實測數據，建立適合郭家莊渡槽的碳化深度研究模型，根據該模型和碳化深度極限理論計算郭家莊渡槽的墩臺、槽內側壁、鋼筋砼排架的碳化壽命，計算結果見表6。在2004年，也就是郭家莊渡槽使用滿25年之際，依據模型預測的壽命周期針對郭家莊渡槽墩臺和槽身沿砼鋼筋出現的脹裂、蜂窩進行加固維修，加固采用環氧厚漿涂料對裂縫、蜂窩和麻面進行處理，達到保護砼減慢砼碳化給結構帶來的影響。維修至今渡槽已經運行5年左右，狀況良好，為渡槽下游農作物的生長以及農民增收提供了可靠的保障。本文的計算方法和思路希望能給其它渡槽的碳化研究和加固維修提供借鑒和思路。