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【摘 要】 伴随着时代的进步，经济的发展，我国桥梁工程也有了空前的发展。然而，随着桥梁建成投入使用一段时间后，相当一部分桥梁不可避免地出现各种损伤和缺陷，这将导致结构承载能力和耐久性降低，使其运营状况不能满足社会的需求。目前，我国桥梁工程主要采用钢筋混凝土结构，混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素。本文就混凝土保护层碳化对钢筋腐蚀进行分析，进而通过模型预测其对桥梁耐久性的影响，以供参考。
【关键词】 混凝土保护层；碳化；钢筋腐蚀；桥梁耐久性
引言：
混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素，在一般大气环境下，混凝土碳化是混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。早期混凝土其PH值一般大于12.5，在这样高碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽沿混凝土表面空隙进入混凝土内部，与混凝土中碱性材料中和，就会导致混凝土PH值下降，这种现象就成为混凝土碳化。当混凝土完全碳化后，就会出现PH<9，在这种环境下，钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，钢筋就会发生锈蚀。
一、混凝土碳化深度预测模型
近30多年来，国内外学者已经提出了很多碳化预测模型。这些模型基本上可以归纳为三种类型：基于扩散理论建立的理论模型、基于碳化试验的经验模型和基于扩散理论与试验结果的碳化模型。
（一）理论模型
苏联学者阿列克谢耶夫等人基于Fick第一扩散定律及CO2在多孔介质中扩散和吸收的特点，给出了预测混凝土碳化深度的数学模型
国内外的大量碳化试验与碳化调查结果均表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比，这与式（1）的关系是一致的。式（1可改写成：
式中：k——碳化系数，是反映碳化速度快慢的综合参数。
（二）经验模型
中国建筑科学研究院的邸小坛通过对大量混凝土碳化长期观测结果的统计分析，提出了以混凝土抗壓强度标准值为主要参数，考虑环境修正、养护条件修正和水泥品种修正的碳化计算公式
式中：——混凝土抗压强度标准值（MPa）；
——养护条件修正系数；
——水泥条件修正系数；
——环境条件修正系数。
二、预测混凝土碳化深度的随机模型
（一）基于扩散理论与试验的碳化模型
根据混凝土碳化的影响因素，从碳化理论入手，以工程实用为目的，提出了以环境条件与混凝土质量影响为主，并考虑碳化位置、混凝土养护浇筑面，工作应力修正的预测混凝土碳化深度的多系数随机模型如下：
式中：——角部修正系数
——CO2的浓度影响系数
——浇注面修正系数
——工作应力影响系数
—环境因子随机变量，主要考虑环境温度与相对湿度对碳化的影响；
——混凝土质量影响系数；
——计算模式不定性随机变量，主要反映碳化模型计算结果与实际测试结果之间的差异。
文献[4]在未考虑计算模式的不定性下，分析了环境变异对碳化深度标准差的影响，根据分析结果可以得出，环境因子变异对碳化深度标准差影响甚小，因此，在式中可以将环境因子作为确定性变量处理。
1.混凝土质量影响系数按下式确定：
式中：——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；
2.环境因子随机变量的确定
式中：——环境年平均温度（℃）；
RH——环境年平均相对湿度（%）。
（二）混凝土碳化深度的随机模型
综上所述，混凝土碳化深度的随机模型可以表示为
式中：——混凝土立方体抗压强度（MPa），是随机变量；
——混凝土立方体抗压强度平均值与标准值之比值。
碳化深度的平均值函数和标准差函数为
式中：——碳化系数均值
—碳化系数标准差，利用误差传递公式可求得为
式中：——碳化深度计算模式不定系数的平均值和标准差；偏导数在碳化系数平均值处取值。文献[4]通过收集了全国各地工程实测碳化数据几十组进行验证，建议取碳化预测模型计算模式不定性随机变量的平均值标准差。
三、混凝土结构碳化寿命分析
混凝土中的钢筋锈蚀是电化学腐蚀，钢筋锈蚀的前提条件是钢筋表面的钝化膜破坏，而一般大气环境下使钢筋钝化膜破坏的主要原因是混凝土保护层碳化，文献[2]指出，混凝土碳化至钢筋表面之后，钢筋钝化膜溶解，钢筋即发生锈蚀，碳化达到钢筋表面的时间为：
式中：c——混凝土保护层厚度
——混凝土碳化速度系数。
然而，大量工程调查和试验结果表明，并不是碳化深度达到钢筋表面钢筋就开始锈蚀，因此，建立合理的钢筋开始锈蚀条件将是确定钢筋开始锈蚀时间的关键。
（一）碳化残量
日本学者岸谷孝一研究混凝土碳化深度与钢筋锈蚀之间的关系，提出了“碳化残量”的概念，定义碳化残量为在钢筋开始锈蚀时用酚酞试剂测出的碳化前沿到钢筋表面的距离。
文献[5]通过实际工程检测结果，给出了碳化残量的计算公式：
式中：RH——环境湿度（%）
——混凝土抗压强度标准值（MPa）；
——混凝土保护层厚度（mm），当>50mm时取=50mm.
（二）钢筋开始锈蚀时间的确定
根据大气环境中钢筋开始锈蚀的条件，以及以上结论，可以得到钢筋开始锈蚀时间的计算公式为：
——混凝土碳化速度系数。
（三）混凝土碳化耐久性分析 混凝土碳化耐久性失效，及钢筋发生锈蚀的极限状态方程为：
钢筋发生锈蚀的概率为
与结构可靠度定义类似，为了对结构的耐久性进行度量，与混凝土碳化耐久性失效准则相应的耐久度为碳化耐久度，可以表示为：
相应的可靠指标为：
根据可靠度理论可以建立碳化耐久性失效的功能函数为
文献[4]并未给出碳化指标与时间的具体表达式。
可靠指标为结构服役时间t的函数，为了预测结构的碳化寿命，还必须给出允许的钢筋锈蚀概率。
混凝土碳化目标可靠指标的设定，不仅要考虑建筑物的技术状况，还需要考虑建筑物的重要性，这是一个极为复杂的大系统问题。《建筑结构可靠度设计统一标准》并未给出钢筋开始锈蚀的概率，文献[4]将混凝土构件分为预应力构件和非预应力构件，建议了钢筋开始锈蚀的允许概率和碳化目标可靠指标，如表1所示。
根据表1给出的碳化目标可靠指标和碳化可靠指标与时间的关系，就可以求得混凝土结构碳化寿命及剩余碳化寿命。
四、结束语
本文主要概述了几种碳化深度预测模型及其优缺点，考虑到混凝土碳化深度具有很大的随机性，所以碳化模型因该考虑碳化过程的随机性，而以往的理论模型以及经验公式，几乎采用碳化深度的平均值，所以与工程实际不符，并不能很好的反映工程实际情况。通过比较，指出预测混凝土碳化深度的随机模型能很好符合碳化过程的随机性，并且能适用于不同的工程情况，且参数易于确定，有很高的适用性。最后，利用该模型以及引入的耐久性实效准则，结合可靠度理论，推得了可靠指标与时间的关系，说明了利用碳化可靠指标求得混凝土碳化壽命的方法。
参考文献：
[1]王小惠.锈蚀钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力的研究[J].混凝土与水泥制品，2006.
[2]吴瑾.钢筋混凝土结构锈蚀损伤检测与评估[M].北京：科学出版社，2005，P94～98.
[3]阿列克谢耶夫著，黄可信，吴兴祖等译.钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护.北京：中国建筑工业出版社，1983
[4]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].科学出版社
[5]王艺霖.钢筋与混凝土粘结性能的若干问题研究[硕士学位论文]华中科技大学，2005.4.13.
【关键词】 混凝土保护层；碳化；钢筋腐蚀；桥梁耐久性
引言：
混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素，在一般大气环境下，混凝土碳化是混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。早期混凝土其PH值一般大于12.5，在这样高碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽沿混凝土表面空隙进入混凝土内部，与混凝土中碱性材料中和，就会导致混凝土PH值下降，这种现象就成为混凝土碳化。当混凝土完全碳化后，就会出现PH<9，在这种环境下，钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，钢筋就会发生锈蚀。
一、混凝土碳化深度预测模型
近30多年来，国内外学者已经提出了很多碳化预测模型。这些模型基本上可以归纳为三种类型：基于扩散理论建立的理论模型、基于碳化试验的经验模型和基于扩散理论与试验结果的碳化模型。
（一）理论模型
苏联学者阿列克谢耶夫等人基于Fick第一扩散定律及CO2在多孔介质中扩散和吸收的特点，给出了预测混凝土碳化深度的数学模型
国内外的大量碳化试验与碳化调查结果均表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比，这与式（1）的关系是一致的。式（1可改写成：
式中：k——碳化系数，是反映碳化速度快慢的综合参数。
（二）经验模型
中国建筑科学研究院的邸小坛通过对大量混凝土碳化长期观测结果的统计分析，提出了以混凝土抗壓强度标准值为主要参数，考虑环境修正、养护条件修正和水泥品种修正的碳化计算公式
式中：——混凝土抗压强度标准值（MPa）；
——养护条件修正系数；
——水泥条件修正系数；
——环境条件修正系数。
二、预测混凝土碳化深度的随机模型
（一）基于扩散理论与试验的碳化模型
根据混凝土碳化的影响因素，从碳化理论入手，以工程实用为目的，提出了以环境条件与混凝土质量影响为主，并考虑碳化位置、混凝土养护浇筑面，工作应力修正的预测混凝土碳化深度的多系数随机模型如下：
式中：——角部修正系数
——CO2的浓度影响系数
——浇注面修正系数
——工作应力影响系数
—环境因子随机变量，主要考虑环境温度与相对湿度对碳化的影响；
——混凝土质量影响系数；
——计算模式不定性随机变量，主要反映碳化模型计算结果与实际测试结果之间的差异。
文献[4]在未考虑计算模式的不定性下，分析了环境变异对碳化深度标准差的影响，根据分析结果可以得出，环境因子变异对碳化深度标准差影响甚小，因此，在式中可以将环境因子作为确定性变量处理。
1.混凝土质量影响系数按下式确定：
式中：——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；
2.环境因子随机变量的确定
式中：——环境年平均温度（℃）；
RH——环境年平均相对湿度（%）。
（二）混凝土碳化深度的随机模型
综上所述，混凝土碳化深度的随机模型可以表示为
式中：——混凝土立方体抗压强度（MPa），是随机变量；
——混凝土立方体抗压强度平均值与标准值之比值。
碳化深度的平均值函数和标准差函数为
式中：——碳化系数均值
—碳化系数标准差，利用误差传递公式可求得为
式中：——碳化深度计算模式不定系数的平均值和标准差；偏导数在碳化系数平均值处取值。文献[4]通过收集了全国各地工程实测碳化数据几十组进行验证，建议取碳化预测模型计算模式不定性随机变量的平均值标准差。
三、混凝土结构碳化寿命分析
混凝土中的钢筋锈蚀是电化学腐蚀，钢筋锈蚀的前提条件是钢筋表面的钝化膜破坏，而一般大气环境下使钢筋钝化膜破坏的主要原因是混凝土保护层碳化，文献[2]指出，混凝土碳化至钢筋表面之后，钢筋钝化膜溶解，钢筋即发生锈蚀，碳化达到钢筋表面的时间为：
式中：c——混凝土保护层厚度
——混凝土碳化速度系数。
然而，大量工程调查和试验结果表明，并不是碳化深度达到钢筋表面钢筋就开始锈蚀，因此，建立合理的钢筋开始锈蚀条件将是确定钢筋开始锈蚀时间的关键。
（一）碳化残量
日本学者岸谷孝一研究混凝土碳化深度与钢筋锈蚀之间的关系，提出了“碳化残量”的概念，定义碳化残量为在钢筋开始锈蚀时用酚酞试剂测出的碳化前沿到钢筋表面的距离。
文献[5]通过实际工程检测结果，给出了碳化残量的计算公式：
式中：RH——环境湿度（%）
——混凝土抗压强度标准值（MPa）；
——混凝土保护层厚度（mm），当>50mm时取=50mm.
（二）钢筋开始锈蚀时间的确定
根据大气环境中钢筋开始锈蚀的条件，以及以上结论，可以得到钢筋开始锈蚀时间的计算公式为：
——混凝土碳化速度系数。
（三）混凝土碳化耐久性分析 混凝土碳化耐久性失效，及钢筋发生锈蚀的极限状态方程为：
钢筋发生锈蚀的概率为
与结构可靠度定义类似，为了对结构的耐久性进行度量，与混凝土碳化耐久性失效准则相应的耐久度为碳化耐久度，可以表示为：
相应的可靠指标为：
根据可靠度理论可以建立碳化耐久性失效的功能函数为
文献[4]并未给出碳化指标与时间的具体表达式。
可靠指标为结构服役时间t的函数，为了预测结构的碳化寿命，还必须给出允许的钢筋锈蚀概率。
混凝土碳化目标可靠指标的设定，不仅要考虑建筑物的技术状况，还需要考虑建筑物的重要性，这是一个极为复杂的大系统问题。《建筑结构可靠度设计统一标准》并未给出钢筋开始锈蚀的概率，文献[4]将混凝土构件分为预应力构件和非预应力构件，建议了钢筋开始锈蚀的允许概率和碳化目标可靠指标，如表1所示。
根据表1给出的碳化目标可靠指标和碳化可靠指标与时间的关系，就可以求得混凝土结构碳化寿命及剩余碳化寿命。
四、结束语
本文主要概述了几种碳化深度预测模型及其优缺点，考虑到混凝土碳化深度具有很大的随机性，所以碳化模型因该考虑碳化过程的随机性，而以往的理论模型以及经验公式，几乎采用碳化深度的平均值，所以与工程实际不符，并不能很好的反映工程实际情况。通过比较，指出预测混凝土碳化深度的随机模型能很好符合碳化过程的随机性，并且能适用于不同的工程情况，且参数易于确定，有很高的适用性。最后，利用该模型以及引入的耐久性实效准则，结合可靠度理论，推得了可靠指标与时间的关系，说明了利用碳化可靠指标求得混凝土碳化壽命的方法。
参考文献：
[1]王小惠.锈蚀钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力的研究[J].混凝土与水泥制品，2006.
[2]吴瑾.钢筋混凝土结构锈蚀损伤检测与评估[M].北京：科学出版社，2005，P94～98.
[3]阿列克谢耶夫著，黄可信，吴兴祖等译.钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护.北京：中国建筑工业出版社，1983
[4]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].科学出版社
[5]王艺霖.钢筋与混凝土粘结性能的若干问题研究[硕士学位论文]华中科技大学，2005.4.13.