冯家山灌区郭家庄渡槽碳化寿命预测探析

王勇斌

(陕西省宝鸡市冯家山水库管理局，陕西 宝鸡 721000)

1 概 述

渡槽是水工建筑物中常见的跨越山冲、道路、谷口的架空输水建筑物。渡槽一般建在地形条件复杂、环境条件比较恶劣的山区沟壑中，因此施工条件、养护条件、温度湿度作用、大气条件等因素对渡槽的耐久性的影响比较明显，砼的碳化就是这些因素对渡槽耐久性影响的最直观表现。砼碳化是大气中的CO2不断通过砼中的毛细孔或小裂纹向砼中扩散，在湿度适宜情况下与砼中的碱性水化物相互作用生成中性碳酸钙的现象。砼碳化一般不会影响砼强度等性能，反而会提高砼的密实性和强度。但是碳化反应降低了砼的碱性，当碳化达到一定程度时会引起钢筋表面钝化膜的破坏，使钢筋与空气中的水分发生反应引起钢筋的锈蚀，发生体积膨胀引起砼胀裂而破坏结构，降低建筑物的使用寿命。本文结合冯家山水库灌区郭家庄渡槽的碳化实测数据，建立碳化模型预测渡槽的寿命，建议性指导渡槽加固。

2 碳化模型建立

2.1 工程概况

冯家山灌区郭家庄渡槽全长257.5m，为东西走向，槽身为U型C20砼预制吊装，墩台和钢筋砼排架均为C20现浇钢筋砼。渡槽所在地多年平均气温为13.2℃，相对湿度70%，空气中CO2浓度约为0.03%。运行多年后，渡槽出现诸多砼病害现象，钢筋砼(槽箱、钢筋砼排架、墩台等)表面均存在不同程度的碳化，砼局部出现胀裂现象。为了更加准确对渡槽碳化破坏程度进行研究，根据《水工砼试验规程》(SL 352-2006)对渡槽槽箱、钢筋砼排架、墩台的碳化深度进行检测，得到的实测数据见表1。

表1 郭家庄碳化实测数据 /mm

2.2 数据处理

依据郭家庄渡槽的实测数据，对碳化深度和保护层厚度的数据进行处理。根据碳化深度及保护层厚度的随机模型理论[1]，计算得出郭家庄渡槽的砼碳化深度和保护层厚度均符合正态分布，数据整理结果见表2、表3。

表2 郭家庄渡槽碳化深度数据处理结果

表3 郭家庄渡槽保护层厚度数据处理结果

由表2、表3结果可得，郭家庄渡槽的墩台、槽内侧壁、钢筋砼排架的碳化深度变异系数差异较大。其中，槽内侧壁和T钢筋砼排架的变异系数均大于0.4，说明渡槽的各检测部位的密实性存在差异；而渡槽各检测部位的保护层厚度的变异系数均小于0.17，说明其保护层厚度离散性较小。

2.3 随机模型的建立

2.3.1 随机模型基本原理

砼碳化是一个复杂的物理化学过程，根据国内外大量数据统计可知砼的碳化深度服从正态分布，砼的一维概率密度函数可以表示为：

式中：t为碳化时间；μx(t)及σx(t)分别为混凝土碳化深度的平均值函数和标准差函数。

结合工程实况并根据Fick第一定律及砼碳化的随机模型基本原理，建立碳化深度随机模型为：

在砼碳化深度各影响因子中，砼强度影响系数对碳化的影响较为明显，依据许多学者根据实验和工程数据建立的砼强度碳化模型的经验进行线性拟合。

2.3.2 最小二乘法线性拟合

根据郭家庄渡槽碳化数据测量结果发现，碳化深度与强度相关性较强。采用最小二乘法对碳化系数kf与砼强度fcuk进行线性拟合，得到不同砼强度下砼强度影响系数kf数值，见表4。

表4 拟合数据表

图1 拟合结果

该曲线拟合的相关系数为0.998 6，相关性良好。由拟合结果可得强度影响系数公式为：

综上可得，建立在随机模型基础上的砼碳化深度预测模型为：

2.3.3 碳化模型验算

为了验证该碳化模型的可靠性，查询另外3座外界环境与本渡槽相近的渡槽在不同年限的碳化深度数据，并对数据进行整理。运用该碳化模型对3座渡槽的碳化深度进行预测，并与实测数据进行对比，计算结果和对比结果见表5。

表5 不同年份渡槽校验结果

由表5结果可以看出，运用该模型计算的不同年份、不同强度砼碳化深度与实测数据的差值百分比均小于11.3%，说明该模型的计算结果与实测数据相差不大，模型能够比较真实反映砼碳化深度与各影响因子之间的关系。

3 碳化寿命预测

目前，在耐久性研究方面，许多理论把碳化深度达到钢筋表面的所用时间定义为钢筋开始锈蚀时间。国内学者根据碳化残量与保护层厚度及砼强度变化散点图的变化趋势并参考已有实验结果，通过对实际工程的检测结果拟合分析，给出碳化残量的计算公式：

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

式中：c为砼保护层厚度，是随机变量；RH为环境相对湿度；fcu.k为砼抗压强度。

随着碳化深度的不断加深，砼碳化速率会变得缓慢。当碳化深度到达碳化残余界面时，钢筋开始发生锈蚀。而钢筋锈蚀又是极为复杂的变化过程，国内诸多学者已经给出许多有关钢筋锈蚀量与时间、砼强度等的关系[3]。根据砼耐久性失效原理将碳化深度到达碳化残量作为砼耐久性失效的极限状态，并可定义其表示方程为：

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

表6 碳化过程计算结果及寿命预测结果

4 结 论

本文根据冯家山灌区郭家庄渡槽工程的实测数据，建立适合郭家庄渡槽的碳化深度研究模型，根据该模型和碳化深度极限理论计算郭家庄渡槽的墩台、槽内侧壁、钢筋砼排架的碳化寿命，计算结果见表6。在2004年，也就是郭家庄渡槽使用满25年之际，依据模型预测的寿命周期针对郭家庄渡槽墩台和槽身沿砼钢筋出现的胀裂、蜂窝进行加固维修，加固采用环氧厚浆涂料对裂缝、蜂窝和麻面进行处理，达到保护砼减慢砼碳化给结构带来的影响。维修至今渡槽已经运行5年左右，状况良好，为渡槽下游农作物的生长以及农民增收提供了可靠的保障。本文的计算方法和思路希望能给其它渡槽的碳化研究和加固维修提供借鉴和思路。