广州地铁十八号线陇枕停车场混凝土结构寿命预期可靠度分析

王康

（中铁十一局集团第六工程有限公司）

0 引言

为了缓解因城市快速发展造成的交通拥挤，地铁已经发展成为一、二线城市公共客运交通网络的骨干。地铁交通系统大多数建在地下，地下水以及土壤中含有的有害离子会对结构的耐久性造成影响，所以实际地铁工程的建设过程中须对其混凝土结构进行全方位的耐久性质量控制[1-2]。大量的研究发现氯离子对钢筋的腐蚀作用是导致混凝土结构耐久性劣化的最主要因素之一[3-4]。钢筋混凝土中的氯离子浓度超过某一定值时能够对钢筋产生离子的去极化作用和导电作用，破坏钢筋表面的保护层使其产生锈蚀，钢筋锈蚀与混凝土的裂缝能够相互促进，加速钢筋混凝土结构的失效[5-6]。

针对以上问题，本项目结合广州地铁18 号线在建地铁项目，研究地铁服役环境中氯离子因素影响下混凝土的耐久性。在此基础上将氯离子渗透模型与可靠度理论相结合对广州地铁十八号线地铁陇枕停车场钢筋混凝土结构寿命预期可靠度分析。

1 工程概况

广州市轨道交通十八号线陇枕停车场为民用建筑，为十八号线的运营车辆停车、日常保养检修、洗车、试车以及人员办公、生活的区域。广州市轨道交通十八号线陇枕停车场占地约19.87 万m2，场址位于广州市番禺区。根据工程勘查资料可知，建筑物区域控制中心所处的地下水以及土壤环境中存在对钢筋混凝土具有腐蚀作用的氯离子、硫酸根离子和镁离子等。对混凝土结构具有腐蚀性，个别部位具有强腐蚀性。

2 试验

2.1 用材料及试件制作

试验所用材料为：金隅混凝土有限公司提供的商品混凝土。在浇筑现场对强度等级为C30、C35、C40、C60 的混凝土拌合物取样和成型，混凝土的配合比如表1 所示。每种配比的试件成型尺寸为150mm×150mm×150mm以及100mm×100mm×100mm 两种，其中150mm×150mm×150mm 用于混凝土抗氯离子迁移系数实验，100mm×100mm×100mm 用于硬化混凝土氯离子含量测试。成型（24±2）h 后拆模，然后在标准养护室养护至试验要求的龄期。

表1 混凝土配合比（kg/m3）

2.2 试验测试方法

⑴混凝土拌合物氯离子含量实验

根据相关的检测标准[7]，对浇筑现场的混凝土取样，过5mm 的筛，筛除石子，利用便携式氯离子含量测试仪（DY-2501A）检测砂浆的氯离子含量。

⑵硬化混凝土氯离子含量实验

采用自动电位滴定法，对不同强度等级预留成型的100mm×100mm×100mm 的硬化混凝土立方体样品，进行水溶性氯离子含量和总氯离子含量测试[8]。

⑶混凝土抗氯离子渗透性实验

采用快速氯离子迁移系数的方法对混凝土的抗氯离子渗透性能进行实验。实现前7 天先对预留的边长150mm 的立方体进行钻芯切割加工成φ100mm×50mm的圆柱体。加工好的圆柱体继续标准养护至龄期28d，进行混凝土抗氯离子渗透性试验[9]。

2.3 预期寿命可靠度分析模型

杜岩丰、Han 等[10-11]在进行混凝土结构工作寿命预测中，以氯离子侵入深度等于钢筋混凝土结构设计保护层厚度，将氯离子侵入混凝土的侵蚀过程与可靠度理论相结合，建立了相应的极限状态函数。具体表达式如下：

⑴渗透模型表达式

3 混凝土试验结果以及寿命预期可靠度分析

3.1 实验结果

图1 为不同强度等级混凝土拌合物氯离子含量测试结果。从图中可知现场浇筑的强度等级为C30、C35、C40、C60 混凝土氯离子含量测试结果在0.020%～0.026%之间，测定结果远远小于《混凝土质量控制标准》GB50164－2011[13]规定的限值0.2%。

图1 不同强度等级拌合物混凝土氯离子含量测试结果

图2 为不同强度等级的混凝土在不同龄期水溶性氯离子含量测试结果。由图可知不同强度等级的混凝土水溶性氯离子含量在整个测试龄期内游离氯离子含量在0.007%～0.025%之间变动，且养护龄期对硬化混凝土水溶性氯离子含量没有明显的影响。图3 为不同强度等级硬化混凝土总氯离子含量测试结果，由图可知混凝土中的总的氯离子含量分别为0.026%、0.021%、0.029%、0.022%。氯离子含量远远小于国标《混凝土结构设计规范》GB 50010－2010[14]规定的限值0.06%。

图2 不同强度等级不同养护龄期时水溶性氯离子含量测试结果

图3 不同强度等级硬化混凝土总氯离子含量测试结果

图4 为不同强度等级混凝土在28 天龄期抗氯离子迁移系数测试结果，由图可知随着强度等级的提高抗氯离子迁移系数逐渐变小，其中C30、C35、C40、C60 抗氯离子迁移系数分别为5.94×10-12m2/s、4.29×10-12m2/s、4.10×10-12m2/s、2.79×10-12m2/s。《混凝土耐久性设计规范》GB/T50476－2019[15]规定，对于设计使用年限100年，环境作用等级为D 的混凝土构件，其28d 龄期氯离子扩散系数均应不大于7×10-12m2/s。本试验数据满足该要求。

图4 不同强度等级混凝土28 天抗氯离子迁移系数测试结果

3.2 结构寿命预期可靠度分析

以计使用年限100 年的广州地铁是八号线陇枕停车场主控室为例计算其结构在100 年时的可靠度以及失效概率。以钢筋表面氯离子最大浓度(Ccrit=0.07%)为失效条件，Csa为0.35%，C0为0.029%由现场取样测试得到硬化混凝土氯离子含量得到。从结构安全的角度考虑混凝土抗氯离子迁移系数DRCM.28为5.94×10-12m2/s。将混凝土抗氯离子迁移系数衰减时间的分界点定在10 年[10]，10 年后其值保持不变，稳定时混凝土抗氯离子迁移系数Da为：

通过查正态分布表由所求得的可靠度β 值可对应找到相应的结构失效概率为8.23%，即说明广州地铁陇枕停车场混凝土结构在钢筋保护层厚度为50mm 的情况下，服役期达到100 年时，结构发生钢筋锈蚀失效的概率为8.23%。

根据ISO2394 中对于使用极限状态，可靠度β 应控制在0～1.5 范围内[10]，本文计算模型在使用寿命100年时，计算所得的可靠度β=1.394，满足该使用极限状态下的规定。

4 结论

针对以上实验结果分析以及模型计算结果分析总结如下：

⑴陇枕停车场主体混凝土的混凝土拌合物、硬化混凝土的氯离子含量以及28 天抗氯离子迁移系数均符合相关国家标准规定的限制要求。

⑵在使用寿命100 年时，计算所得的可靠度β=1.394，在该可靠度下结构发生失效的概率为8.23%，满足ISO2394 中对于使用极限状态下可靠度的规定。