方法模拟海洋混凝土结构的剩余使用寿命

文摘

摘要现有的钢筋混凝土结构的使用寿命设计的海洋环境。条件评估的一般过程的剩余寿命估算结构之前修复措施。剩余使用寿命的评估结构已进行了修复措施简化双层系统中氯离子扩散的数学模型。计算概率初步证明了各种条件对剩余使用寿命的影响。首先研究氯离子扩散的双层系统使用有限元法进行。提出了长期接触测试的结果来说明两种不同的维修材料的性能。分布的残余氯化物后修复材料的应用是在实验室调查研究。从混凝土层残留的氯离子迁移到新图层后立即修复材料已应用于混凝土构件。剩余氯化物的内容和梯度,厚度和耐氯进入其余和封面的新图层,将决定修复结构的剩余使用寿命。

1。介绍

混凝土结构在海洋环境中,如锁,水坝和桥梁受到广泛的退化现象。Chloride-induced腐蚀是决定性的方面在这种结构的耐久性。钢筋腐蚀是启动时一个关键氯化物含量达到表面的钢筋。氯含量高于临界值可能导致保护被动层的破坏,导致钢筋的腐蚀。启动腐蚀取决于所需的时间,除了一些环境因素,混凝土的特性,特别是其抗氯离子扩散。

第二阶段,传播时期,指的是不同形式的恶化的进化腐蚀后启动(开裂、剥落、钢筋之间的债券的损失,和减少混凝土和钢筋截面)。尽管结构的使用寿命这两个时期的总和,在大多数情况下,启动周期定义了使用寿命,因为传播周期可能很短。

传统和可行的修复方法包括移除chloride-contaminated混凝土层和替换删除卷由水泥基修补砂浆或混凝土。这一措施的目的是维持现有的被动的钢筋剩余使用寿命或恢复的被动加固。

近年来使用寿命概率设计模型已经发展为新结构,使用时间模型来描述混凝土氯离子进入。除了经验模型、扩散的菲克第二定律也与一些修改应用扩散是最活跃的机制在混凝土氯运输。修复结构,传输模型首先必须适应一个两层的模型,不仅考虑了层修复材料和剩余的混凝土层还认为它们的接口。在剩余的混凝土氯离子存在层,扩散进入维修阶段的可能性以及进一步扩散的内部结构都必须考虑。

2。使用寿命设计Chloride-Induced(新)混凝土结构的腐蚀

为了满足要求的混凝土结构耐久性deemed-to-satisfy条款,这是基于实践经验,必须遵守。这些规则是在目前的标准和指导方针。作为一个标准的规范的方法相比,基于绩效的概率设计模型正在开发中。“撒小谎模型代码使用寿命设计”1)提出了一个完整的概率概念无裂缝的混凝土结构的使用寿命设计chloride-induced腐蚀的情况。这个概念是基于以下几点:(我)极限状态的定义,(2)模型能够描述时间运输和恶化机制,(3)统计行为的定义,(iv)测量和统计量化建筑组件电阻,(v)假设容许失败概率。

的极限状态是由钢筋开始腐蚀,当超过临界氯化物含量在钢筋表面,扰乱被动层保护钢筋。的起始时期,没有corrosion-induced恶化将会发生在结构。高腐蚀率一般在海洋环境观测到的恶化期比较短。此外,然而没有常用的模型来描述钢筋腐蚀的机理及其对结构的影响。因此恶化时期忽视这个概念和使用寿命被认为是启动时期。

评估起始时期,数学模型,(1),用于估计时间与深度有关的氯离子浓度,混凝土,基于菲克第二定律的误差函数解一维扩散的形式。这diffusion-controlled评估氯入口只是一种简化自其他运输机制参与了氯离子进入到混凝土,特别是毛细吸收和渗透。然而,在结构混凝土保护层的深度大于大约30 mm,扩散成为最有效和重要机制对于混凝土结构的腐蚀起始。考虑 在哪里是初始氯化物含量(wt. - % / c),是深度的氯化物含量和一个特定时间点的相对于环境(wt. - % / c),的深度对流区(混凝土层的氯化过程中渗透扩散的不同于菲克第二定律)(毫米)氯化物的深度与相应的内容吗(毫米)时间(年),是明显的氯离子扩散系数(m²/ s)。

它可以得出结论:氯化物的速度渗透混凝土的扩散系数是由混凝土(材料)和氯浓度负荷(环境)。

虽然在理论上是一个时间变量,它将被视为长期有效的为简单起见。

明显的氯离子扩散系数,(m²/ s),被认为是与时间有关的,是确定的(2) 在哪里温度系数(K),是参考温度(用于实验室检测)(K),是结构元素或环境空气的温度(K),是氯离子迁移系数(m²/ s),是传输参数(= 1)(-),是时间的参考点,然后呢是老化指数(-)。

由于近地表的断续润湿和干燥层(大约在20毫米),特别是在潮汐和飞溅区,这一层的传输机制大大不同于菲克扩散定律。因此造型进行替代表面氯离子浓度,无视对流区中的数据,。

和老化指数,是管理参数的描述材料属性。而仅仅是由快速氯离子迁移(RCM)测试方法2,3),老化指数,经营的减少()随着时间的推移,是依赖于材料和接触,不能仅由实验室测试。确定老化因素,长期的行为()现有的结构必须随着时间的推移被氯化处理配置文件。Gehlen [4量化老化指数的统计分布的混凝土组成的三种不同类型的水泥,同时考虑氯分析数据几个现有的结构和RCM在参考时间测试结果(28天),。

通过比较获得的极限状态方程计算混凝土保护层中氯化物含量(钢筋的位置),和氯化的关键内容,:

虽然只有自由氯离子在混凝土孔隙溶液的溶解导致钢筋脱钝,氯的整体内容包含在模型很难确定自由混凝土中氯化物含量。氯化关键内容,,是量化统计和插入模型。在[1),一些随机的输入参数推荐值(例如,图1 (b))。执行可靠性分析的极限状态方程(3),通过指定一个最小的可靠性指数,。有一个可靠性指标之间的相关性,失败的可能性,。EN 19905)和ISO 2394 (6,7]给出的建议正常使用极限状态的可靠性指数根据所需的支出减少的风险来。

图1可靠性分析的一个例子是用来预测一个结构元素的使用寿命(以前普通混凝土海洋结构元素组成:杰姆III /(水泥矿渣微粉),,毫米)。一个目标可靠性指标(%)预计在14年时间的暴露于严重的潮汐/启动条件。一个较低的目标可靠性指标(%)预计在一个30年的时代。输入参数见图1 (b)。

该模型应用在新结构的设计阶段插入输入参数的材料属性,覆盖深度和行动的(3)。

模型还可以用来评估现有结构的耐久性,并预测其剩余寿命通过确定当前的材料特性和实际行动统计并将它们插入到模型(见部分3)。然而,一些修改以便于模型修复后的剩余使用寿命的设计措施,例如,应用修复迫击炮,因为氯进入模型首先必须适应双层模型考虑修复和剩余的混凝土层和他们的接口。

3所示。条件评估和剩余使用寿命的评估之前执行修复措施

大多数的活动关注建筑业的现有结构。大部分的这些结构没有设计时考虑到他们的使用寿命;在许多情况下,混凝土的组成和设计的细节是未知的。估计他们的耐久性的第一步是确定什么条件。目视检查不有用的在考虑chloride-induced腐蚀钢筋开始腐蚀,这是决定性的寿命模型认为,不会引起任何可见的损坏结构。结构与可见的腐蚀损害已达到的使用寿命(起始时间)。结构的进一步研究可以提供信息的程度,强度和腐蚀过程的发展和后续影响。

图的流程图2,从撒小谎公报59 [8),显示了一个过程评估现有结构的使用寿命。的过程需要考虑成员未经修理这上面提出的寿命模型设计的新结构可以应用。

混凝土保护层的氯化物含量的发展必须由适当的取样,必须混凝土保护层的厚度如果未知。具体的成分(粘结剂的类型和内容,w / b比率)必须保守取决于采样和实验室测试如果没有可用的信息。服务寿命预测必须首先制定的具体成分或估计,使用现有的混凝土保护层,可靠性的发展指数,随着时间的推移,必须确定。

氯概要支持条件评估,这是与一定程度的不确定性,需要改进。然而,也有一定程度的不确定性的检验数据,更新预测的概率格式使用贝叶斯定理(9)的不确定预期值(先验模型)是由真实的数据确定的结构,从而转化为后验模型。贝叶斯定理使先前计算水平的可靠性和故障概率更新。

条件评估已经更新后,可以确定剩余寿命。根据可靠性水平的实现也会有必要制定计划后检查或进行进一步的调查等措施,维修,甚至减少预期的安全水平。

根据可用的信息结构,可能有一个较低的或更多的模型的输入参数的不确定性比的情况下使用寿命设计新结构(不同的统计量化)。例如,实际的混凝土保护层可以确定详细量化统计,在模型中使用。

在图3 (b),更新后的可靠性指数的发展说明了结构元素使用氯概要文件之后28年德国的波罗的海沿岸的敞口(见图3(一个))。更新后的跑动展品在检验时间先验的价值高于设计,但需要更多的回归。假定目标可靠性指标例如1.5使用寿命为40年,预计将比预计更由先天设计(14年)。拟定下一个检查(例如,10年后)在这种情况下将是一个可行的规定。

4所示。修复后的剩余寿命估计

使用寿命设计上面提到的模型需要修改之前,可用于修复成员氯运输在这种情况下发生在两层不同的材料组成。

4.1。氯离子渗透在双层系统的数学描述

三种不同的情况下进行维修时需要考虑涉及的替换部分混凝土修补砂浆或混凝土。

案例1。混凝土保护层是彻底删除了,取而代之的是一种修复材料。背后的剩余层混凝土钢筋不受氯离子的影响。
在这种情况下,设计一个结构的使用寿命对chloride-induced钢筋的腐蚀是基于一个通用1-layer系统。设计模型中描述的部分2可用于确定混凝土氯离子渗透和计算剩余寿命的结构元素,说明修复材料的特点。

例2。混凝土保护层是只有部分拆除,代之以一种修复材料。剩下的在背后的封面和钢筋混凝土层不受氯离子的影响;参见图4(一)。
在这种情况下,混凝土保护层由两层不同的材料特征:一个新图层“新”,其余层“保持”。起始时间取决于氯两层的渗透行为。氯离子的渗透行为的数学模型在这样一个远离火源可以确定如下使用扩散方程组由Carslaw和Jeager [10,11]: 与 在哪里互补的误差函数吗。氯离子浓度层修复材料,(()描述使用(4),剩余的混凝土层,((使用()),5)。新层的边界条件是一个常数表面氯离子浓度(= const。),界面的平衡浓度,()。图4 (b)图显示了一个典型的发展氯浓度在双层系统中,在这种特殊的情况下经过30年的风险。

任何在修复材料/混凝土层界面阻力是无视。造成的界面电阻可以不连贯两种材料的孔隙结构(孔隙阻塞)和不透水的大部分聚集在剩余的层。在这种情况下,边界条件的平衡浓度界面不满意在上面的方法。

例3。混凝土保护层是只有部分拆除,代之以修复材料。剩余的混凝土层包含氯化物(剩余)。同样的情况发生在受污染的混凝土保护层是留在地方,上面有一层修复材料。

在这种情况下,结果也是一个双层系统除了,相反情况2,剩余氯化物重新在新的图层,在结构元素除氯入口;参见图5。剩余的再分配氯化物无法描述的误差函数的数学菲克第二定律的扩散所需的一个常数边界条件在相界面浓度,,不再适用。扩散过程可以通过描述(8)如果在相界面浓度变化在一个已知的浓度变化率(见(7))(11]。考虑 在哪里虚数单位和吗是单位时间内浓度变化的速率。为了模型的再分配剩余氯化物,浓度变化的速率,因此,必须首先确定。明显残余氯化物的动员,引发的水分在新层,预计发生后直接修复材料的应用。剩余氯化物可以进一步迁移到剩余的混凝土层由于毛细管吸力或可以被淘汰和运输到新层。根据剩余的混凝土层的含水率,氯离子的传输到新层扩散也是可能的。这一重要问题目前正在进行实验室调查被调查是由作者(见部分4.5)。调查结果清楚地表明,大量的剩余氯化物转化层修复材料。

马丁的研究(12修复混凝土梁的氯化物污染也表明有大量残留氯化物运输到新层。最重要的运输残余氯化物进入一层一层的修复材料发生后不久被应用(第一测量2年之后应用程序)。后来diffusion-controlled运输氯化物(6年)后发生的速度慢得多。研究还显示梁内的残余氯化物(扩散12]。

一个数学模型来描述氯化渗透在双层系统剩余氯化物尚不存在。正在进行的研究处理氯的各种机制的描述和造型运输提出了双层系统部分4.5。

4.2。剩余使用寿命的近似计算

最重要的一个先决条件结构的使用寿命预测数学模型来描述的可用性相关的运输和/或恶化机制(见部分2)。然而,所需的模型计算修复结构元素的剩余使用寿命,如部分所述3,还不存在。主要问题是存在残余氯化物在剩余的混凝土层。尽管如此,剩余使用寿命可以近似最初通过下面描述的简化方法(参见[13])。

使用的数学模型是Carslaw和Jeager提出的方法(4)和(5))。剩余在钢筋表面的氯含量,(),确定/指定。极限状态采取的是在哪个点氯化物含量定义为关键的氯化物含量之间的差异()和残余氯含量()达到钢筋表面由于外部氯离子的入口。残余氯的梯度剖面及其再分配并不考虑。上面描述的过程如图6。

可靠性分析的极限状态方程,通过类比1-layer系统(见,(3)),如下:

可靠性分析的结果进行如上所示为一个典型的双层系统组成一个40毫米厚层修复材料制成的杰姆III / B混凝土(水泥矿渣微粉)和一个20毫米厚层剩余混凝土制成的杰姆我(OPC)具体如图7。残余氯含量表面的强化,是不同的,被送往是0,0.1或0.2 wt. - % / c。通过类比1-layer系统(1),β分布的平均值0.6 wt. - % / c被认为至关重要的氯化物含量。残余氯含量结果的变化在不同的使用寿命约为55岁,45岁和35年目标可靠性指数为1.5。

相比之下,计算不考虑层执行剩余的混凝土。1-layer系统,启蒙时期的基础上计算的一个关键氯化物含量0.6 wt。- % / c接口达成了剩余的混凝土层(毫米)。在这种情况下,使用寿命12年左右的决心。

分析的结果表明,钢筋表面的残余氯含量的剩余使用寿命具有十分重要的结构元素。无视的程度的梯度剩余氯化物和再分配影响尚未调查的结果。是否假设的结果在一个保守的计算的剩余使用寿命或相反的仍然没有回答。

使用STRUREL可靠性分析程序(14]。

在下一节中,剩余的再分配使用有限元方法数值研究了氯化物。

4.3。氯离子渗透在双层系统的数值调查

氯入口和再分配在双层系统研究利用COMSOL软件(多重物理量15]。在这种情况下,氯离子渗透被认为是通过扩散并使用菲克定律描述。机制建模程序中通过微分方程,解决了使用有限元方法(FEM)。本节计算由于平均值的方法;也就是说,。

有限元模拟的结果呈现在图8。示例显示了一个结构元素的杰姆我具体修复经过10年的暴露在潮汐区(XS3接触类)。结构元素被部分切除修复60毫米厚混凝土保护层(平均覆盖深度XS3根据德国技术指导“ZTV-W磅215”(16]),取代杰姆III /混凝土。以下两个务实的标准被认为是消除混凝土保护层时为了避免残留氯化物腐蚀的风险。(1)关键的氯化物含量之间的距离和钢筋的表面必须至少10毫米。(2)最大残余氯含量不得超过2.0 wt. - % / c。在许多标准和指令,如RiLiSIB [17),平均临界氯化物含量()是0.5 wt. - % / c。为了符合这些标准,在这个理论,数值的调查后,混凝土保护层被准确的深度27毫米。因此剩余的混凝土保护层的厚度是33毫米,27毫米厚层的修复材料被应用。

在图8(一个)氯概要1 5,10,50年之后修复和外部氯接触与残余氯概要文件之前立即修复。图中显示了一个明确无误的“反向扩散”的残余氯离子进入一层一层的修复材料和再分配剩余的混凝土。关键的氯化物含量超过表面的强化经过一段时间的大约50年。

图8 (b)显示了残留氯离子的再分配没有外部供应的氯化物。图中可以清楚地看到,在钢筋表面的氯含量仍持续低于(60毫米的深度)在氯离子的再分配,从而证明符合标准关于剩余的混凝土的深度必须删除,以避免腐蚀的风险。

4.4。接触测试

虽然实验室检测形成发展中耐久性的基础模型,此类模型验证,校准,验证通过研究结构和实地测试。因此,模型是针对实践中存在的条件检查和修改。

在1991年,联邦水道工程研究院(弯曲)和建筑材料研究所(ibac)生产大型混凝土板(m³)涂上各种维修材料作为一个研究项目的一部分,研究修复材料在海洋环境中使用的耐久性(18]。板暴露在四个不同的地点,包括海洋结构在北海和波罗的海海岸。图9波罗的海海岸上显示了测试位置。石板盖三个接触区域:淹没(XS2),潮汐,飞溅(XS3)区。公开的石板对应情况2节3。

相关性的研究关注于调查的所有特征的耐久性八选择修复系统,如耐冻性、抗渗水和粘结强度。两个喷迫击炮(喷浆)被证明是合适的修复材料。他们的抵抗氯入口的行为类似于这些混凝土由杰姆III / B;这些都是喷砂浆”H“修改与微粒硅和聚合物改性喷砂浆(为何)”我”。氯资料这些材料后3、6和21年。他们获得的总氯含量的确定从地面钻核心板。混凝土是杰姆III / B具体的水/水泥比率为0.50。混凝土层和砂浆层120毫米和20毫米厚,分别。图10所示,通过一个例子,氯概要文件的混凝土板涂上喷洒迫击炮和那些裸板的潮汐区。

可以清楚地看到,经过21年的接触表面的氯含量的喷射混凝土是混凝土高出许多。然而,最初的高值减少到这样的程度在配置文件中的氯含量的混凝土涂层板低或裸板的相同。也可以看到,一个停滞的氯运输的外区(对流区)板没有迫击炮发生不对应于一个扩散的过程。这可能是由于切除(洗/反向扩散)氯离子的外层区域。因此喷砂浆和混凝土具有不同的长期行为由于氯进入它是不可能观察到早期的调查经过3和6年的风险。也有可能一个界面阻力造成毛孔阻塞导致的高氯浓度喷砂浆层(见部分3、案例2)。需要进一步调查这一效应。

4.5。目前实验室调查

实验室调查目前正在进行观察和模型双层系统中氯离子传输机制。氯化复合标本包括混凝土层梯度和一层修复材料,见图11准备调查。入口、反向扩散和再分配机制的氯离子层的修复材料和混凝土在长期的实验室正在研究存储测试。存储测试不同类型的样本,总结在表的存储条件1。三种不同类型的混凝土(OPC(320公斤/ m³)与不同w / c比率:0.55,0.60,0.65,合计:砾石与分级AB 8)和一个修复材料(PCC:聚合物改性水泥混凝土,马克斯。晶粒尺寸2毫米)正在接受调查。

混凝土试样首先存储在3%的氯化钠溶液在280天(超过9个月)(单边接触)。氯化后的梯度在测试标本已经决定,后者是顶部设有一个修复砂浆(20毫米)。复合标本被存储在实验室20°C / 65% RH 28天。在这一点上,氯的变化梯度研究标本之前存储如表所示1。测试系列,复合标本保存在3%氯化钠溶液,以调查的每一个过程发生在远离火源氯运输系统。在测试系列2、复合标本保存在水为了观察再分配和反扩散通过修复层。系列3、复合标本没有氯化物在混凝土层存储在3%氯化钠溶液,以探讨氯扩散没有氯离子在混凝土层梯度的存在。最后一个测试系列4,具体标本与环氧树脂密封存储在氯化物溶液后280天,随后在干旱条件下存储在实验室20°C / 65% RH为了观察氯化物的再分配。

氯化物的可能的运输到剩余的混凝土层或到新层后修复层的应用程序已经在部分讨论4.1。effects-capillary吸、扩散和洗涤可以促进交通的氯化物。为了达到一个更好的债券之间的两层混凝土试样的表面首先立即喷砂前应用砂浆层。材料被平均深度约1毫米。具体测试标本被从3%氯化钠溶液在一天前半修补砂浆的应用和存储在干燥条件。新砂浆层的水分含量显著高于其余混凝土层。不同水分梯度最初似乎表明,水从砂浆层被运送到混凝土层毛细管吸力。这可能促进运输从试样表面的氯化物到里面的标本。然而,实验室测试的结果表明,有一个明显的氯化物的运输到新的砂浆层(见图12)。还需要进一步的观察来解释这种行为。

系列2中的实验室测试的结果在图所示12。明显的氯化物的运输到新的砂浆层后28天的应用砂浆可以观察到。氯概要文件获得试样后被存储在水35和91天,分别显示轻微交通氯化物的试样的内部向表面的混凝土和从那里到新的砂浆层。

PPC修复材料的粘结剂含量约为500公斤/ m³使粘合剂的氯化物含量按重量比例待定。为了建立氯概要文件,切片切了5毫米的间距两个标本的全部深度混凝土和随后的地面。其他氯概要文件计划在180 d, 365 d、550 d、730 d。

维修材料的长期耐氯入口的主题进一步调查。正如已经描述的部分2明显的氯离子扩散系数,随着时间的推移,减少。这一次使用老化指数依赖建模,,结构元素的主要影响使用寿命。对修复材料及其组合的长期行为也是未知的。然而,与混凝土与已知老化指数对比试验正在进行,以估计维修材料的老化指数尽管如此。

5。总结

的方法确定混凝土结构剩余使用寿命的元素之前和之后的修复措施基于现有的概念计算新的海洋混凝土结构的使用寿命被描述。氯离子扩散的过程发生在一个双层系统,讨论了这一过程的数学模型。剩余使用寿命的近似计算的修复提出了结构元素。剩下的再分配中残留的氯离子层的混凝土和修复层已经被执行示例演示了有限元数值计算。的影响的内容和梯度上的残余氯离子残余寿命的结构元素的例子所示。

分布的残余氯化物后修复材料的应用是在实验室调查研究。后立即修复材料的应用到具体的成员,剩余氯化物从混凝土层迁移到新层。实验室调查需要的机制研究氯离子运输双层系统和现场调查是必要的,使实验室调查的结果在实际应用的相关性进行评估。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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