廣州地鐵十八號線隴枕停車場混凝土結(jié)構(gòu)壽命預期可靠度分析

王康

（中鐵十一局集團第六工程有限公司）

0 引言

為了緩解因城市快速發(fā)展造成的交通擁擠，地鐵已經(jīng)發(fā)展成為一、二線城市公共客運交通網(wǎng)絡(luò)的骨干。地鐵交通系統(tǒng)大多數(shù)建在地下，地下水以及土壤中含有的有害離子會對結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響，所以實際地鐵工程的建設(shè)過程中須對其混凝土結(jié)構(gòu)進行全方位的耐久性質(zhì)量控制[1-2]。大量的研究發(fā)現(xiàn)氯離子對鋼筋的腐蝕作用是導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的最主要因素之一[3-4]。鋼筋混凝土中的氯離子濃度超過某一定值時能夠?qū)︿摻町a(chǎn)生離子的去極化作用和導電作用，破壞鋼筋表面的保護層使其產(chǎn)生銹蝕，鋼筋銹蝕與混凝土的裂縫能夠相互促進，加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的失效[5-6]。

針對以上問題，本項目結(jié)合廣州地鐵18 號線在建地鐵項目，研究地鐵服役環(huán)境中氯離子因素影響下混凝土的耐久性。在此基礎(chǔ)上將氯離子滲透模型與可靠度理論相結(jié)合對廣州地鐵十八號線地鐵隴枕停車場鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命預期可靠度分析。

1 工程概況

廣州市軌道交通十八號線隴枕停車場為民用建筑，為十八號線的運營車輛停車、日常保養(yǎng)檢修、洗車、試車以及人員辦公、生活的區(qū)域。廣州市軌道交通十八號線隴枕停車場占地約19.87 萬m2，場址位于廣州市番禺區(qū)。根據(jù)工程勘查資料可知，建筑物區(qū)域控制中心所處的地下水以及土壤環(huán)境中存在對鋼筋混凝土具有腐蝕作用的氯離子、硫酸根離子和鎂離子等。對混凝土結(jié)構(gòu)具有腐蝕性，個別部位具有強腐蝕性。

2 試驗

2.1 用材料及試件制作

試驗所用材料為：金隅混凝土有限公司提供的商品混凝土。在澆筑現(xiàn)場對強度等級為C30、C35、C40、C60 的混凝土拌合物取樣和成型，混凝土的配合比如表1 所示。每種配比的試件成型尺寸為150mm×150mm×150mm以及100mm×100mm×100mm 兩種，其中150mm×150mm×150mm 用于混凝土抗氯離子遷移系數(shù)實驗，100mm×100mm×100mm 用于硬化混凝土氯離子含量測試。成型（24±2）h 后拆模，然后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗要求的齡期。

表1 混凝土配合比（kg/m3）

2.2 試驗測試方法

⑴混凝土拌合物氯離子含量實驗

根據(jù)相關(guān)的檢測標準[7]，對澆筑現(xiàn)場的混凝土取樣，過5mm 的篩，篩除石子，利用便攜式氯離子含量測試儀（DY-2501A）檢測砂漿的氯離子含量。

⑵硬化混凝土氯離子含量實驗

采用自動電位滴定法，對不同強度等級預留成型的100mm×100mm×100mm 的硬化混凝土立方體樣品，進行水溶性氯離子含量和總氯離子含量測試[8]。

⑶混凝土抗氯離子滲透性實驗

采用快速氯離子遷移系數(shù)的方法對混凝土的抗氯離子滲透性能進行實驗。實現(xiàn)前7 天先對預留的邊長150mm 的立方體進行鉆芯切割加工成φ100mm×50mm的圓柱體。加工好的圓柱體繼續(xù)標準養(yǎng)護至齡期28d，進行混凝土抗氯離子滲透性試驗[9]。

2.3 預期壽命可靠度分析模型

杜巖豐、Han 等[10-11]在進行混凝土結(jié)構(gòu)工作壽命預測中，以氯離子侵入深度等于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計保護層厚度，將氯離子侵入混凝土的侵蝕過程與可靠度理論相結(jié)合，建立了相應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù)。具體表達式如下：

⑴滲透模型表達式

3 混凝土試驗結(jié)果以及壽命預期可靠度分析

3.1 實驗結(jié)果

圖1 為不同強度等級混凝土拌合物氯離子含量測試結(jié)果。從圖中可知現(xiàn)場澆筑的強度等級為C30、C35、C40、C60 混凝土氯離子含量測試結(jié)果在0.020%～0.026%之間，測定結(jié)果遠遠小于《混凝土質(zhì)量控制標準》GB50164－2011[13]規(guī)定的限值0.2%。

圖1 不同強度等級拌合物混凝土氯離子含量測試結(jié)果

圖2 為不同強度等級的混凝土在不同齡期水溶性氯離子含量測試結(jié)果。由圖可知不同強度等級的混凝土水溶性氯離子含量在整個測試齡期內(nèi)游離氯離子含量在0.007%～0.025%之間變動，且養(yǎng)護齡期對硬化混凝土水溶性氯離子含量沒有明顯的影響。圖3 為不同強度等級硬化混凝土總氯離子含量測試結(jié)果，由圖可知混凝土中的總的氯離子含量分別為0.026%、0.021%、0.029%、0.022%。氯離子含量遠遠小于國標《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010－2010[14]規(guī)定的限值0.06%。

圖2 不同強度等級不同養(yǎng)護齡期時水溶性氯離子含量測試結(jié)果

圖3 不同強度等級硬化混凝土總氯離子含量測試結(jié)果

圖4 為不同強度等級混凝土在28 天齡期抗氯離子遷移系數(shù)測試結(jié)果，由圖可知隨著強度等級的提高抗氯離子遷移系數(shù)逐漸變小，其中C30、C35、C40、C60 抗氯離子遷移系數(shù)分別為5.94×10-12m2/s、4.29×10-12m2/s、4.10×10-12m2/s、2.79×10-12m2/s。《混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476－2019[15]規(guī)定，對于設(shè)計使用年限100年，環(huán)境作用等級為D 的混凝土構(gòu)件，其28d 齡期氯離子擴散系數(shù)均應(yīng)不大于7×10-12m2/s。本試驗數(shù)據(jù)滿足該要求。

圖4 不同強度等級混凝土28 天抗氯離子遷移系數(shù)測試結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)壽命預期可靠度分析

以計使用年限100 年的廣州地鐵是八號線隴枕停車場主控室為例計算其結(jié)構(gòu)在100 年時的可靠度以及失效概率。以鋼筋表面氯離子最大濃度(Ccrit=0.07%)為失效條件，Csa為0.35%，C0為0.029%由現(xiàn)場取樣測試得到硬化混凝土氯離子含量得到。從結(jié)構(gòu)安全的角度考慮混凝土抗氯離子遷移系數(shù)DRCM.28為5.94×10-12m2/s。將混凝土抗氯離子遷移系數(shù)衰減時間的分界點定在10 年[10]，10 年后其值保持不變，穩(wěn)定時混凝土抗氯離子遷移系數(shù)Da為：

通過查正態(tài)分布表由所求得的可靠度β 值可對應(yīng)找到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效概率為8.23%，即說明廣州地鐵隴枕停車場混凝土結(jié)構(gòu)在鋼筋保護層厚度為50mm 的情況下，服役期達到100 年時，結(jié)構(gòu)發(fā)生鋼筋銹蝕失效的概率為8.23%。

根據(jù)ISO2394 中對于使用極限狀態(tài)，可靠度β 應(yīng)控制在0～1.5 范圍內(nèi)[10]，本文計算模型在使用壽命100年時，計算所得的可靠度β=1.394，滿足該使用極限狀態(tài)下的規(guī)定。

4 結(jié)論

針對以上實驗結(jié)果分析以及模型計算結(jié)果分析總結(jié)如下：

⑴隴枕停車場主體混凝土的混凝土拌合物、硬化混凝土的氯離子含量以及28 天抗氯離子遷移系數(shù)均符合相關(guān)國家標準規(guī)定的限制要求。

⑵在使用壽命100 年時，計算所得的可靠度β=1.394，在該可靠度下結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的概率為8.23%，滿足ISO2394 中對于使用極限狀態(tài)下可靠度的規(guī)定。