混凝土结构使用寿命预测模型研究综述.pdf
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1、混凝土结构使 用寿命预测模型研 究综述 何文敏 1 4 1 混凝土结构使 用寿命预测模型研 究综述 何 文敏 , ( 1 陕西铁路工程职业技术学院,渭南 7 1 4 0 0 0 ; 2 长安大学材料科学与工程学院, 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 纵观当前混凝土结构使用寿命预测模型的研究, 分别从基于碳化的寿命预测模型、 基于氯离子扩散导 致钢筋锈蚀的寿命预测模型及基于混凝土损伤的寿命预测模型 3 方面介绍了该领域的研究进展 , 提出在实际使用期 内, 结构往往要经历小修、 中修或大修使得结构可靠度相应提高或结构劣化速度减缓, 因此建筑结构的寿命预测还应 考虑 维修 历史和效果。 关键
2、词 混凝土结构使用寿命预测模型 St a t e o f S e r v i c e Li f e Pr e di c t i o n M o d e l s o f S t r u c t u r a l Co nc r e t e HE W e nmi n , ( 1 S h a a n x i I n s t i t u t e o f Ra i l wa y En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y ,W e i n a n 7 1 4 0 0 0 ; 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e
3、 a n d En g i n e e r i n g, Ch a n g a n Un i v e r s i t y,Xi a n 7 1 0 0 4 6 ) Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s t a t e o f s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n mo d e l s o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e ,t h e d e v e l o p me n t o f t h e s e r v i c e l i f e p r e d i
4、 c t i o n mo d e l s o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e i s i n t r o d u c e d t h r o u g h t h r e e a s p e c t s wh i c h a r e b a s e d o n t h e c a r b o n i z a t i o n t h e o r y mo d e l s ,c h l o r i d e d i f f u s i o n mo d e l s a n d d a ma g e t h e o r i e s mo d e l s S
5、e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n s h o u l d c o n c e r n o f t h e h i s t o r y a n d e f f e c t o f r e s t o r a t i o n a s t h e s t r u c t u r a l c o n c r e t e wo u l d b e r e p a i r e d mo r e o r l e s s d u r i n g t h e s e r v i c e a b l e l i r e Ke y wo r d s s t r u c
6、t u r a l c o n c r e t e ,s e r v i c e l i f e ,p r e d i c t i o n mo d e l s 混凝土的耐久性是其抵抗大气影响、 化学侵蚀和其他劣 化过程而长期维持其性能的能力。在结构设计 中, 耐久性被 看成是结构所需的一种功能而不是其固有的内在性 能, 所以 耐久性又被定义为结构及其部件在各种可能导致材料性 能 劣化的外加 因素作用下 、 并在预期的使用年限内维持其所需 功能的能力 。而结构及其部件的使用年限( 或工作 寿命 ) 则 是建造完工或生产制成 以后 , 在预定 的使用和维修条件下 , 所有功能均满足预定要求的期限
7、 1 。 如何对混凝土进行寿命预测及评估是一个 尚未解决 的 国际重大科技问题, 实现混凝 土的寿命预测、 评估 以及耐久 性设计必将有力推动混凝土科技的发展。为此, 国内外学者 在混凝土寿命预测领域进行 了广泛深入的研究。 1 混凝土寿命预测模型 近年来许多学者尝试建立各种破坏因素导致混凝土劣 化和钢筋锈蚀的定量关系 , 以此作为建立混凝土使用寿命预 测模型的方法和手段 , 从而在混凝土耐久性定量化研究和使 用寿命预测 中取得 了很大进展 。目前单 因素作用下混凝 土 使用寿命的预测模型主要有碳化模型和氯离子扩散模型 , 经 过几十年的研究 , 已基本形成了统一 的理论体系, 并具有 了 一
8、 定 的应用价值。混凝土的耐久性试验方法及其 寿命预测 模型必须与使用环境相似或相同才具有较高的预测精度和 可靠性 , 正确评估和准确预测混凝土在特定环境下的使用寿 命已成为混凝土耐久性研究的热点 , 特别在冻融、 盐冻、 硫酸 盐、 碱骨料反应、 应力等双重和多重破坏 因素共 同作用下的 混凝土耐久性与寿命预测等方面已有许多创新性研究成果。 1 1 基于碳化的寿命预测模型 2 O 世纪 6 0 年代, 国际上一些发 达国家就开始对混凝土 的碳化进行了大量的试验研究及理论分析 。国内则从 2 O世 纪 8 O 年代开始了混凝土 的碳化和钢筋锈蚀研究 , 通过快速 碳化试验研究 、 长期暴露和工
9、程调查 , 研究 了混凝土碳化 的 影响因素与碳化深度预测模型。 当前关于混凝土碳化寿命预测模型 , 主要是基于 F i c k 定 律的推 导, 即碳 化深度 与碳 化时 间的平 方根成 比例 D n ; 基于长期试验和快速试验 , 牛荻涛等 3 “ 对其进行 了 修正 , 即 D a t 。 此外 , 中国建科院建立了综合考虑水泥用量、 水灰 比、 粉 煤灰掺量 、 水泥品种、 骨料品种、 养护方法的多系数碳化深度 预测公式 , 即: D k c k & k k k a , ( 1 ) 式中: k 为水泥用量影响系数; 是 为水灰比影响系数 ; k 为粉 煤灰取代量影响系数 ; 忌 为水泥
10、品种影响系数 ; 为骨料影响 系数 ; 忌 为养护方法影响系数; 模型给出各种系数经验取值 。 黄土元等_ 5 考虑水泥用量、 水灰 比建立了碳化预测模 *陕西铁路工程职业技术学院科研基金( 2 O O 8 一 Z K 0 1 2 ) ;陕西省教育厅 自然科学专项基金( O 9 J K 3 8 5 ) 何文敏: i - , 1 9 7 8 年生, 博士研究生, 讲师, 主要从事材料工程教学与研究工作 E - ma i l : 2 2 2 1 5 0 4 6 q q c0m l 4 2 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 1 年 8月( 上) 第 2 5卷第 8期 型 : z 一 1 0 4 k
11、 鳄 忌 ,( w c O 6 ) ( 2 ) 一 7 3 5 4 k 走 ” , 7,( w c O时, 钢筋处于 钝化状态 ; 反之, 则钢筋开始锈蚀。 此外, E n r i g h t 等【 9 进一步考虑到保护层厚度、 氯离子扩 散系数 、 混凝土表面氯离子浓度和 临界氯 离子浓度 的变异 性 , 并以以上 4个量为随机变量 , 以 F i c k 第二定律为基础建 立了寿命预测模型 。 S t e w a r t 等 还考虑了腐蚀 电流密度、 局部腐蚀影响因 子 、 最大裂纹宽度 、 临界裂纹宽度等 , 基于时变可靠度以及时 变可靠度的全寿命经济分析 , 建立了寿命 预测模型。此外
12、 , M S C h e u n g等口 也基于可靠度建立了混凝土的耐久性 与寿命预测模型。 1 3 基于混凝土损伤的寿命预测模型 针对混凝土损伤 , 一些研究者对其寿命预测做了一些探 讨。A t k i n s o n等_ 2 使用于湿循环制度和长期浸泡制度 , 得出 了快 试验 的等效 系 数。G e r d e s等 2 朝 研 究 了水 泥净浆 在 6 0 、 8 O 弯曲荷载作用下并浸在 1 O 硫酸氨溶液中的弯曲 强度和断裂能 , 并提出预测水泥浆体在应力腐蚀下 的弯曲强 度损伤发展律的经验公式。U S c h n e i d e r 等 基于硫酸氨腐 蚀实验建立 了强度损伤与腐蚀
13、时间的关系。 关宇刚 2 依据损伤以及多元 We i b u l 1 分布, 建立了可适 用于多边界条件 以及多重破坏 因素复合作下 的混凝土寿命 预测模型, 并设计了相应 的数值算法 。通过冻融+硫酸氨腐 蚀以及荷载+冻融双重 因素实验 , 得到了一定 的模 型参数 , 为实际工程中混凝土 的寿命预测提供了一种新思路和新方 法 运用该模型预测混凝土寿命 , 需要结合现场条件测定具 体的模型参数 。 蒋金洋等 通过对疲劳损伤机理的分析 , 针对损伤发展 的第 2阶段 , 采用不同疲劳循环次数比对应的残余 拉应变与 疲劳破坏时对应 的极限残余拉应变 的比值来定义损伤变量 , 重点研究了疲劳载荷与
14、氯盐协 同作用下结构混凝土的耐久 性及其寿命预测方法 。 2结语 钢筋混凝土结构耐久寿命 目前 主要集 中在混凝土腐 蚀 机理研究 、 在役结构的健康状况评价和剩余寿命预测、 结 构 性能的防护措施研究等方面。但在实际使用期 内, 结构往往 要经历小修 、 中修或大修, 使得结构 可靠度相应提高或结 构 劣化速度减缓 , 因此也可以认为建筑结构的寿命终结还与维 修历史和效果有关 。而关于 已修复后钢筋混凝土结构耐久 性寿命预测却鲜见。相信 随着人们 对混凝土耐久性研究的 不断深化、 工程实践经验的持续增加和相关学科的不断引进 和发展, 混凝土的耐久性研究和使用寿命预测技术将 日益成 熟, 按照
15、指定使用寿命对混凝土结构进行耐久性设计 的目标 必将能实现 。 参考文献 1 陈肇元 混凝土结构的耐久性设计方法 J 建筑技术 , 2 0 0 3 , 3 4 ( 5 ) : 3 2 8 2 C l i f t o n J R P r e d i c t i n g t h e s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e J AC I Ma t e r J , 1 9 9 3 , 9 0 ( 6 ): 6 1 1 3 金伟良 混凝土结构耐久性I M 北京 : 科学出版社, 2 0 0 2 : 2 4 4 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京: 科
16、学出版 社 , 2 0 0 3 : 1 0 5 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, 1 9 9 1 ( 4 ) : 1 0 6 Pa p a d a k i s V G,Va y e n a s G,F a r d i s M N Fu n d a me n t a l mo d e l i n g a n d e x p e r ime n t a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e c a r b o - n a t i o n J AC I Ma t e r J , 1 9 9 1 , 8
17、 8 : 3 6 3 7 刘志勇, 孙伟 多因素作用下混凝土碳化模型及 寿命预测 J 混凝土, 2 0 0 3 , 1 7 0 ( 1 2 ) : 3 8 S o n g H W ,Ki m H J ,Kwo n S J , e t a 1 Pr e d i c t i o n o f s e r v i c e l i f e i n c r a c k e d r e i n for c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o c h l o r i d e a t t a c k a n d c a r
18、b o n a t i o n c P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ce me n t Co mb i n a t i o n s f o r Du r a b l e C o n c r e t e , 2 0 0 5 : 7 6 7 9 刘志勇 基于环境的海工混凝土耐久性试验与寿命预测方 法研究 D 南京: 东南大学, 2 0 0 6 1 O金祖权西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测 D 南京 : 东南大学, 2 0 0 6 1 1蒋金洋, 孙伟 , 金祖
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