基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测

潘 竞 虎

(甘肃公航旅路业有限公司，甘肃 兰州 730300)

1 概述

作为重要的基础设施建筑物之一，隧道结构复杂，建设投资大，建设周期长，且所经区域大多地质条件复杂多样，面临的地质水文问题、环境保护问题、力学性能等也具有多样性和复杂性[1]。隧道结构自身所处的位置具有较强特殊性，但除此之外，隧道结构，尤其是衬砌结构仍然具有钢筋混凝土结构的一般特性，与其他钢筋混凝土结构和建筑物相同，隧道衬砌结构也具有服役寿命[2-4]。近年来，随着经济与科技不断发展，隧道建设事业稳步发展，而隧道结构尤其是衬砌结构的耐久性及寿命预测问题受到了国内外学者的普遍关注[3-6]。隧道结构与周围的岩体、地下水等介质紧密联系长期相互作用且暴露在大气环境中，因而隧道衬砌结构的耐久性和使用寿命受环境因素的影响。长期的研究表明，环境因素对公路隧道衬砌使用寿命的影响，主要体现在衬砌结构长期在大气中二氧化碳与汽车尾气综合作用下混凝土产生的劣化，尤其以混凝土的碳化过程为甚。当碳化进程达到一定程度时，就会引起衬砌内部钢筋的锈蚀，进而影响衬砌结构的耐久性和使用性能，缩短结构使用寿命[2-7]。因此，文章对基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测理论进行了研究，并以我国西南地区某一实际工程为例，对公路隧道钢筋无锈蚀阶段寿命进行了初步预测。

2 混凝土碳化对公路隧道衬砌寿命影响

2.1 混凝土碳化机理及影响因素

混凝土中的水泥在进行水化的过程中，由于该过程中水泥自身的化学收缩及混凝土内部的自由水蒸发的影响，会在不同位置出现大小、形状、密度等物理特征各不相同且又有毛细管相互联系的气泡和孔隙。这些气泡和孔隙中的水会与空气中的二氧化碳结合形成不稳定的碳酸，进而在混凝土内部与其他水化产物发生化学反应，并形成了新的产物，改变或削弱了混凝土的部分物理化学性能，该过程称为混凝土的碳化。这其中起主导作用的是二氧化碳与氢氧化钙发生的中和反应。混凝土碳化过程中发生的化学反应有[8]：

CO2+H2O→H2CO3,Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·4H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

混凝土发生碳化的过程较为复杂，无论是外界因素还是混凝土材料的物理力学性能，对于碳化都有较大影响。综合以往的研究结果[9-14]，影响混凝土碳化过程的主要因素包括混凝土自身配合比设计与强度、环境中二氧化碳浓度、环境湿度与温度等。其中，混凝土配合比与强度主要影响混凝土内部的气泡与孔隙数量，而环境中二氧化碳浓度、温度、湿度等影响碳化的过程和剧烈程度。

2.2 混凝土碳化对公路隧道衬砌影响

碳化过程发生的化学反应中，由于碳酸是后期空气中的二氧化碳与混凝土内部的水生成的酸，消耗了混凝土中原有的氢氧化钙，生成了新的物质碳酸钙，其不溶于水，会引起混凝土体积的膨胀，同时降低了混凝土自身的碱性，增强了混凝土的脆性，对于结构受力不利。此外，碳化对混凝土的主要危害，还是混凝土碳化过程引起的钢筋锈蚀，该过程对于混凝土与钢筋的结合性能不利，会加速混凝土内部钢筋的锈蚀。

钢筋锈蚀过程中发生的反应有：

Fe+Fe2+→2e-,Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+H2O→4Fe(OH)3,

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

钢筋锈蚀的种类属于电化学腐蚀，会极大的削弱钢筋的截面面积，对衬砌结构的耐久性和正常使用性能危害极大。

钢筋锈蚀对衬砌结构性能的影响，主要表现在三个方面：

首先，锈蚀会导致钢筋本身的物理力学性能下降，且极大地减小截面面积，降低钢筋自身强度；

其次，钢筋锈蚀后产生的物质，会造成钢筋体积极大的膨胀，使得混凝土保护层开裂，衬砌结构产生裂缝，在影响衬砌强度和耐久性的同时，也减小了混凝土截面的有效面积；

最后，钢筋的锈蚀会直接导致衬砌结构内部钢筋与混凝土粘结性能的降低，锚固力下降，使得衬砌结构在受力过程中力的传递过程受损，极大地削弱衬砌结构的力学性能。

2.3 衬砌混凝土碳化深度模型与碳化残量

混凝土碳化过程中，碳化深度的基本计算，可通过Fick第一扩散定律来进行模拟，其基本计算公式为：

其中，X为碳化深度；k为碳化系数；t为碳化时间。在此基础上，国内外不同学者分别提出了基于理论和实验的碳化深度计算模型。其中，最典型的理论模型是基于上述计算基本模型的数学模型，对碳化系数做了进一步的细化和考虑，其表达式为：

其中，DCO2为CO2的有效扩散系数；CCO2为混凝土所处环境中的CO2浓度；MCO2为单位体积的混凝土所能吸收的CO2量。

基于混凝土碳化深度的研究，为了表征混凝土结构内部钢筋锈蚀的发展历程与混凝土碳化深度之间的关系，日本学者安谷孝义首次提出了碳化残量的概念，并将其描述为：“实验中通过无色酚酞试剂所确定的混凝土碳化的前沿与开始发生锈蚀的钢筋表面之间的距离”。我国JTG F80/1—2017公路工程质量检验评定标准所采用的碳化残量计算公式为：

(1)

其中，x0为碳化残量的计算值；c为结构混凝土的保护层厚度，mm，当c>50 mm时，取c=50 mm；fcuk为混凝土的抗压强度标准值；RH为混凝土结构所处环境的年平均相对湿度。

该公式的计算结果与工程实际吻合度较高，且考虑了环境湿度、混凝土抗压强度、混凝土结构的保护层厚度等因素，具有一定的富裕系数。文中做混凝土衬砌结构基于碳化过程的寿命预测时，采用该计算模式进行。

2.4 公路隧道衬砌寿命预测方法

根据上述分析，衬砌结构的全寿命工作分为两个阶段，混凝土的碳化以及混凝土碳化引起的钢筋锈蚀，这两个阶段在时间上紧密相连，也存在逻辑关系。因此，衬砌结构寿命预测的关键点，在于确定混凝土碳化至钢筋还未发生锈蚀时，衬砌内部钢筋的无锈蚀工作时间。而衬砌结构混凝土内部的钢筋锈蚀的主要影响因素是混凝土的碳化过程，其起始时间由碳化深度与混凝土碳化残量共同确定。

计算碳化深度时，国内较为全面且与工程实际结构较为吻合的碳化深度实验模型为西安科技大学牛荻涛教授等人结合碳化速率各个影响因素及工程实际中可能出现的参数，提出的碳化深度计算模型，其表达式为：

(2)

其中，Kmc为计算中出现的表征不确定性的随机变量；kj为结构角部修正系数；kCO2为二氧化碳浓度影响系数；kP为混凝土浇筑面的修正系数，衬砌结构浇筑面上取其数值为1.2；kS为衬砌结构工作应力修正系数，取其数值为1.1；T为衬砌结构工作环境对应的年平均温度，℃；RH为衬砌结构工作环境对应的年平均相对湿度；fcu为衬砌结构所使用混凝土的立方体抗压强度，MPa；mc为衬砌结构混凝土立方体抗压强度的平均值与标准值之间的比值；t为碳化时间。

碳化残量的计算，采用2.3中JTG F80/1—2017公路工程质量检验评定标准所推荐的碳化残量计算公式。根据以往的研究结果，当衬砌结构的混凝土保护层厚度与碳化深度碳化残量的和相等时，可认为衬砌结构内部钢筋开始发生锈蚀，在此过程中，钢筋无锈蚀工作时间的计算模式为：

(3)

根据上述理论，即可进行基于混凝土碳化过程的公路隧道衬砌寿命预测，其预测值为对应工作环境下，衬砌内部钢筋发生锈蚀所需要的时间。

3 公路隧道衬砌寿命预测实例

3.1 工程概况

该隧道位于我国西南某地山区，所属区域地质条件复杂，多山岭沟谷，节理裂隙较为发育，但整体透水性较差，富水性差且容易受季节变化的影响。地下水主要为基岩裂隙孔隙水，对混凝土的腐蚀性极弱，但是对钢材具有较弱的腐蚀性。洞身围岩主要为Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩，其中Ⅴ级主要分布在出口浅埋段，岩体破碎，稳定性较差。因此，基于上述地质条件，洞口浅埋段采用大管棚和双层小导管的方式对该段洞身进行超前支护进洞施工，洞口浅埋段和洞身主要部分采取台阶法开挖，部分地段稳定性较差，采用预留核心土环形开挖的施工方式进行。该隧道已于2011年年底正式通车，次年对隧道二衬进行缺陷检测，本研究基于检测结果，对隧道衬砌进行寿命预测。

3.2 基于混凝土碳化过程的公路隧道寿命预测

将实地检测的结果进行汇总并分析后得到以下数据：衬砌混凝土抗压强度平均值为35.02 MPa，混凝土强度的推定值为27.11 MPa，其值高于衬砌混凝土C25的设计强度。检测到洞内二氧化碳的浓度为14.39%，故而计算得到二氧化碳浓度影响系数为2.2；检测得到洞内环境温度为18.59 ℃，相对湿度为84.13%。将各参数代入式(1)计算得到隧道衬砌结构混凝土在对应工作环境下，碳化残量的估算值为：

x0=21.87 mm。

而根据碳化深度的计算式(2)及钢筋开始锈蚀的条件式(3)，有：

计算可得，T1=45.94。

因此，初步分析可以得到，在当前工作环境下，隧道衬砌内钢筋的无锈蚀工作寿命为46年，即从隧道建成开始，二衬内的钢筋在46年后便会开始锈蚀，要在该时段后注意检查隧道衬砌结构混凝土，确保运营安全，如有必要，采取相应的维修策略，延长隧道使用寿命。

4 结语

隧道结构所经区域大多地质条件、水文情况、环境问题等复杂多样，隧道衬砌结构的耐久性和使用寿命受环境因素的影响较大，主要体现在混凝土的碳化过程及其发展过程对衬砌内部钢筋锈蚀的影响，进而降低衬砌结构的耐久性和使用性能。本文的研究，通过分析公路隧道衬砌结构的碳化机理及影响因素如混凝土配合比设计、环境中二氧化碳浓度、环境湿度与温度等，进而讨论了混凝土碳化引起钢筋锈蚀后对公路隧道衬砌结构的影响，在总结衬砌混凝土碳化深度模型与碳化残量计算模式的基础上，论述了公路隧道衬砌寿命的预测方法。基于理论分析，结合我国西南地区某山区隧道的实际检测结果，对其钢筋无锈蚀情况下的使用寿命进行了初步计算和预测。本文的研究结果，对于同类型项目的实施提供了一定的指导和借鉴。