沈海高速公路辽宁段沿线桥梁混凝土碳化概率特征研究

贡金鑫++王振吉++马丽娜++赵艳华++彭建

摘要：对沈海（沈阳—海口）高速公路辽宁段沿线混凝土桥梁的碳化实测数据进行了统计分析，建立了以混凝土抗压强度和时间为主要参数的不同地区桥梁和单个桥梁混凝土碳化深度的随机过程模型。将混凝土碳化到钢筋表面的状态作为大气环境中的耐久性极限状态，分析了沿线上海湾大桥不同服役时间的耐久性失效概率。结果表明：混凝土碳化深度随混凝土抗压强度的增大而减小，但受多种复杂因素影响，混凝土碳化深度离散性很大；混凝土碳化系数计算模型的不确定性系数服从对数正态分布；海湾大桥混凝土使用到第100年时的耐久性失效概率小于10%。

关键词：混凝土桥梁；混凝土碳化；概率模型；高速公路；离散性

中图分类号：U444 文献标志码：A

0 引 言

混凝土碳化是大气中的二氧化碳进入混凝土孔隙，与孔隙水形成碳酸并与混凝土中的碱物质发生中和反应，降低混凝土碱性的过程。碱性的降低使混凝土失去了对钢筋钝化膜的保护能力，可诱发混凝土结构中钢筋锈蚀，而锈蚀产物膨胀会引起混凝土保护层开裂甚至剥落，对混凝土结构的耐久性具有很大的影响。因此，研究和建立混凝土碳化深度的预测模型对评价混凝土结构的耐久性寿命具有重要意义。

根据确定碳化模型中碳化系数方法的不同，混凝土碳化模型可分为根据室内试验建立的理论模型和基于工程实测数据建立的实用模型[1]。理论模型是以混凝土组成和环境为影响参数的模型，如肖佳等[2]、龚洛书等[3]和许丽萍等[4]考虑不同材料的模型，陈树亮[5]综合考虑不同材料、环境及保护层厚度的模型，牛荻涛等[68]考虑不同矿物掺和料的模型；实用模型是以混凝土抗压强度为影响参数的模型[910]。此外，部分学者[1113]研究了混凝土在不同应力状态下的碳化规律，建立了多因素耦合作用下混凝土的碳化模型。理论模型的优点在于模型中各参数的物理意义明确，但由于考虑因素较多，实际应用中有些参数很难确定，因此不便于工程应用[14]；另外，实验室条件往往与实际结构的现场条件差别很大，预测结果误差较大。根据实际工程数据建立的实用模型综合反映了结构所处环境条件、材料性能、结构施工因素、养护因素及其他多种难以单独考虑的各种复杂因素的影响[15]，虽然离散性比较大，但能够反映实际情况，具有较好的实用性[16]。

本文对沈海高速公路辽宁省境内沈大（沈阳—大连）段沿线桥梁的混凝土碳化特征进行了统计分析。沈大段高速公路全长348 km，沿线共455座桥梁，其中沈阳段6座，辽阳段32座，鞍山段63座，营口段138座，大连段216座。目前，沈大段高速公路已运营25年，辽宁省高速公路管理局分别于2011年，2012年，2013年对沿线桥梁进行了3次检测。本文对混凝土碳化深度检测结果进行了统计分析，将不同地区的公路段视为不同的环境条件，建立了不同公路段桥梁的混凝土碳化预测模型。另外，也建立了沿线数据比较多的海湾大桥碳化概率模型，并计算了不同服役时间的碳化失效概率。

参考文献：

References：

[1] 韩建德，孙 伟，潘钢华.混凝土碳化反应理论模型的研究现状及展望[J].硅酸盐学报，2012，40（8）：11431153.

HAN Jiande，SUN Wei，PAN Ganghua.Recent Development on Theoretical Model of Carbonation Reaction of Concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，40（8）：11431153.

[2]肖 佳，勾成福.混凝土碳化研究综述[J].混凝土，2010（1）：4044，52.

XIAO Jia，GOU Chengfu.Overview of the Research for Concrete Carbonation[J].Concrete，2010（1）：4044，52.

[3]龚洛书，苏曼青，王洪琳.混凝土多系数碳化方程及其应用[J].混凝土，1985（6）：1016.

GONG Luoshu，SU Manqing，WANG Honglin.Application of Multicoefficient Carbonated Equation[J].Concrete，1985（6）：1016.

[4]许丽萍，黄士元.预测混凝土中碳化深度的数学模型[J].上海建材学院学报，1991，4（4）：347357.

XU Liping，HUANG Shiyuan.The Mathematical Model of Predicted Carbonation Depth in Concrete[J].Journal of Building Materials，1991，4（4）：347357.

[5]陈树亮.混凝土碳化机理、影响因素及预测模型[J].水利电力科技，2010，36（2）：1323.

CHEN Shuliang.The Mechanism，Influencing Factors and Forecast Model of Concrete Carbonization[J].Water Resources and Electric Power，2010，36（2）：1323.

[6]牛荻涛，李春晖，宋 华.复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2010，42（4）：464467，472.

NIU Ditao，LI Chunhui，SONG Hua.A Model for Predicting Carbonation Depth of Concrete with Multimineral Admixtures[J].Journal of Xian University of Architecture & Technology：Natural Science Edition，2010，42（4）：464467，472.

[7]宋 华，牛荻涛，李春晖.矿物掺合料混凝土碳化性能试验研究[J].硅酸盐学报，2009，37（12）：20662070.

SONG Hua，NIU Ditao，LI Chunhui.Carbonation Test of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，37（12）：20662070.

[8]李春晖，牛荻涛，宋 华.复掺矿物掺合料混凝土碳化试验研究[J].工程建设，2009，41（6）：711，18.

LI Chunhui，NIU Ditao，SONG Hua.Experimental Research of Carbonization of Concrete with Composite Addition of Mineral Admixture[J].Engineering Construction，2009，41（6）：711，18.

[9]曹明莉，丁言兵，郑进炫，等.混凝土碳化机理及预测模型研究进展[J].混凝土，2012（9）：3538，46.

CAO Mingli，DING Yanbing，ZHENG Jinxuan，et al.Overview the Mechanism and Forecast Model of Concrete Carbonization[J].Concrete，2012（9）：3538，46.

[10]张海燕，把多铎，王正中.混凝土碳化深度的预测模型[J].武汉大学学报：工学版，2006，46（5）：4245.

ZHANG Haiyan，BA Duoduo，WANG Zhengzhong.A Model for Forecasting Carbonization Depth of Concrete[J].Engineering Journal of Wuhan University：Engineering Science，2006，46（5）：4245.

[11]田 浩，李国平，刘 杰，等.受力状态下混凝土试件碳化试验研究[J].同济大学学报：自然科学版，2010，38（2）：200204，213.

TIAN Hao，LI Guoping，LIU Jie，et al.Experimental Research on Carbonation of Forced Concrete Specimens[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2010，38（2）：200204，213.

[12]卢朝辉，吴蔚琳，赵衍刚.混凝土及预应力混凝土结构碳化深度预测模型研究[J].铁道科学与工程学报，2015，12（2）：368375.

LU Zhaohui，WU Weilin，ZHAO Yangang.Prediction Models for Carbonation Depth of Reinforced and Prestressed Concrete Structures[J].Journal of Railway Science and Engineering，2015，12（2）：368375.

[13]杨林德，潘洪科，祝彦知，等.多因素作用下混凝土抗碳化性能的试验研究[J].建筑材料学报，2008，11（3）：345348.

YANG Linde，PAN Hongke，ZHU Yanzhi，et al.Experimental Study of Concretes Carbonization Resistance Under Combined Action of Factors[J].Journal of Building Materials，2008，11（3）：345348.

[14]NEVES R，BRANCO F，DE BRITO J.Field Assessment of the Relationship Between Natural and Accelerated Concrete Carbonation Resistance[J].Cement and Concrete Composites，2013，41：915.

[15]MONTEIRO I，BRANCO F A，DE BRITO J，et al.Statistical Analysis of the Carbonation Coefficient in Open Air Concrete Structures[J].Construction and Building Materials，2012，29：263269.

[16]曾胜钟.现场条件下混凝土碳化深度预测研究[D].长沙：中南大学，2013.

ZENG Shengzhong.Study on Concrete Carbonation Depth Forecast in Jobsite[D].Changsha：Central South University，2013.

[17]JGJ/T 23—2011，回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

JGJ/T 23—2011，Technical Specification for Inspecting of Concrete Compressive Strength by Rebound Method[S].

[18]张 誉，蒋利学，张伟平，等.混凝土结构耐久性概论[M].上海：上海科学技术出版社，2003.

ZHANG Yu，JIANG Lixue，ZHANG Weiping，et al.Durability of Concrete Structures[M].Shanghai：Shanghai Scientific & Technical Publishers，2003.

[19]牛荻涛，董振平，浦聿修.预测混凝土碳化深度的随机模型[J].工业建筑，1999，29（9）：4145.

NIU Ditao，DONG Zhenping，PU Yuxiu.Random Model of Predicting the Carbonated Concrete Depth[J].Industrial Construction，1999，29（9）：4145.

[20]GB/T 50746—2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].

GB/T 50746—2008，Code for Durability Design of Concrete Structures[S].