钢筋腐蚀的价值与应对之策

  2. 奥地利自然资源与生命科学大学，土木工程与自然灾害系，结构工程研讨所，

  一直以来，钢筋混凝土凭仗其耐久性和相对较低的维护本钱，成为民用基础设施（例如桥梁）的首要建筑资料。可是近年来有依据标明，钢筋混凝土实践的维护和修补本钱较高。

  氯化物引起的腐蚀是钢筋混凝土劣化的首要原因之一。2002年，美国腐蚀工程师协会（NACE）和美国联邦公路署(FHWA)指出，由于钢筋腐蚀，美国约有13.4万座桥梁存在结构缺点。因而，研讨人员和有关组织机构已致力于开发、改进氯化物的导入模型。研讨中运用的模型得到了世界结构混凝土联合会（fib）欧洲混凝土规范Model Code 2010(MC2010)，fib公告34 (fibBulletin 34)，fib公告59 (fibBulletin 59)和fib公告76 (fibBulletin 76)的支撑。

  丈量和监测氯含量的技能，以及将相关数据用于贝叶斯统计法决议方案的研讨，也引起了广泛重视。此外，COST举动TU1402“量化结构健康监测（SHM）的价值”（2014-2019）在贝叶斯决议方案理论方面做出了巨大贡献，共有来自我国、美国、澳洲等29个国家的学术界、混凝土职业、基础设施业主、运营方和政府的人士参加。这一举动侧重于在贝叶斯决议方案理论的结构下，拟定信息价值（VoI）剖析，从而做出最优决议方案。

  钢筋腐蚀的进程能够粗略地分为引发阶段和后续进程。混凝土中碱性物质在钢筋表面上形成了氧化层，使钢筋处于钝化状况。当碱度超越氯化物阈值时，氧化物层溶解，导致钢筋去钝化。此刻，腐蚀开端延伸，呈现各种劣化状况，如混凝土开裂、分层、钢筋-混凝土黏结丢失，以及钢筋截面面积丢失。这些要素会影响结构的耐久性和生命周期功能，导致很多的修补和维护本钱。

  因而，对立钢筋腐蚀应优选防备战略。也就是在腐蚀仍处于萌发阶段，没有可见损坏的状况下，对遭受氯离子浸入的钢筋混凝土结构进行维护/修正。因而，应丈量氯化物的含量。可是，这样的丈量会产生本钱，且测验的精确性并不确认。所以，在无可见的危害中，VoI的数值可协助判别测验和丈量是否具有本钱效益。

  决议方案树如图1所示。假如进行丈量,可在必定程度上显现钢筋是否产生去钝化。在检测到去钝化的状况下,不管起伏巨细,都应进行修正。此外,在没有进行任何丈量或丈量标明没有去钝化的状况下,钢筋仍存在去钝化的或许。

  图1 决议氯化物丈量信息值的决议方案树，其间(a)表明决议方案树中的事情；(b)表明产生的概率和相关本钱。

  决议方案树得出了9种或许的成果。其间，本钱标记为Ui，如图1。氯化物丈量和混凝土修补的本钱取决多个参数，如丈量办法、修补类型、商场状况等。因而，丈量和修补本钱是相对的，继而产生本钱比率。表1给出了图1中的事情及其产生概率。

  为找到丈量最具本钱效益的最大丈量本钱，决议方案树的两边有必要处于平衡状况，得出等式(1)：

  将每个特定成果量化为或许产生的本钱总和，乘以产生概率（在此标记为Ei和Ej）。表2列出了九种或许成果的量化办法。

  本文运用的氯化物腐蚀模型依据菲克第二分散规律，其间混凝土中氯化物首要受分散控制。

  其间Φ(u)是正态散布函数，给出了规范正态变量选用区间[0, u]中值的概率。

  实验室测验技能包含快速氯化物渗透性测验（RCPT）、非稳态分散测验、沉陷测验、电搬迁测验等。实验室测验一般用于确认有关氯化物腐蚀的混凝土功能，例如非稳态分散测验被认为是覆盖面最广的实验室测验。现场测验技能能够分为损坏性技能（在提取的岩心上进行）和非损坏性技能。损坏性技能是从执役结构中取样，并经过物理（如定量X射线衍射剖析）或化学（如Volhard法——电位评价）实验室技能确认氯化物散布。相反，非损坏性技能（NDT）不会改动丈量资料未来的实用性。

  最常见的丈量技能是现场损坏性测验，即电位计和Volhard法。这些技能关于短期决议方案（如修补或维护）很有价值，能够用于模型更新，但也存在由于操作原因导致的差错和过错问题。腐蚀的概率表明为临界浓度和实践浓度间余量的函数，即C(t)–Ccrit 。关于0.0001（以混凝土重量计）的安全系数而言，发现的概率约为87％。

  此外，丈量的不确认性还取决于空间可变性、丈量的数量等。因而，选用精准的本钱和精确性来包含一切或许的丈量办法是不或许的。一起，核算最大本钱（指定为Cmeas）与自动和被迫修正本钱休戚相关。如前所述，四个不同的场景中体现出了丈量的不确认性，即P(DdepTno))、P(Dno-depTno)、 P(DdepTyes)和P(Dno-depTyes)，如表1所示。

  依据欧洲混凝土规范Model Code 2010(MC2010)，维护包含保持结构或将结构康复到满意界说功能要求状况的一切办法。此外，维护办法是为了使结构满意其预期的运用寿命、延伸结构的方案运用寿命，或使其能够满意功能改变的要求（如改变的载荷）。本文所考虑的修补办法为使结构能够到达其预期的运用寿命。

  维护战略分为自动与被迫。自动维护战略依据防备性（或维护性）干涉办法，是经过在检测出损坏之前，施行处理或采纳办法，防止或最大程度地削减进一步恶化。本文剖析的重点是可用性极限状况（未观察到结构性损坏），因而仅考虑了修补办法，未考虑替换、撤除等。

  欧洲规范EN 1504总结了11条混凝土修补和维护准则，其间一些修补准则和特定办法既能够用作自动办法，也能够用作被迫办法，其他则能够作为弥补。这些办法中，每一种都有其特定进程和本钱，而本钱又在不同的区域有所差异。因而，本文未考虑修补办法的实践本钱，而是重视自动和被迫本钱间的份额。

  CONREP NET对修正后的混凝土结构进行了约230个事例研讨（这些事例坐落欧洲不同国家，其间约70％坐落北欧）。研讨显现，修正后的混凝土结构中，有50％产生了毛病。其间25％在前5年内产生劣化，75%在10年内劣化，95%在25年内劣化。

  图1中显现的决议方案树未考虑时刻要素。依据上述百分比，成功修正且在前五年内未劣化的百分比为Prep= 0.875。因而，将剖析中成功修正的概率设为Prep = 0.875，能够将其应用于每个个案研讨。

  笔者依据图1所示的决议方案树，对氯含量丈量的本钱效益进行了预后验剖析，列于表3中。

  针对不同的钝化概率Pdep（即Prep=0.2，Prep=0.4，Prep=0.6和Prep=0.8）进行核算，能够代表不同的混凝土混合物。假定产生去钝化导致损坏的概率P(DcrackDdep)设为80％。P(DcrackDdep)包含氯化物含量高于临界水平但不会引起去钝化的状况，或产生去钝化但不形成任何损坏的状况。成功修正的概率设置为Prep=0.875（请拜见“修正办法”一章）。假定实践的氯化物含量近似等于临界氯化物含量，这种假定导致测验的精确性为90％。此精度取决于所选的丈量办法，且在核算丈量的本钱效益方面起着重要作用。

  最大丈量本钱的比率Cmeas,max依然具有本钱效益，这是依据自动修补和被迫修补的本钱而核算的。图2显现了四种去钝化概率的自动本钱Crep,p，以及反响性修补本钱Crep,p与丈量最大本钱效益值Cmeas,max之比。

  图2 丈量的最大本钱效益值Cmeas,max，表明防备性和反响性修补的不同本钱。

  以上得出的Cmeas,max值在图2中以绿色显现。假如自动修补本钱为15000欧元，被迫修补本钱为60000欧元，那么依然具有本钱效益的最大丈量本钱分别为3400欧元、8000欧元、13100欧元，以及17900欧元。

  从图2中能够看出，跟着去钝化初始概率Pdep的添加， Cmeas,max会增高。可是，人们更希望跟着Pdep挨近1.0，Cmeas,max值下降。由于在去钝化简直清楚明了的状况下，信息的价值并不高。此现象能够经过以下现实来解说：剖析中考虑了一些下降丈量值的事情，即过错指示去钝化、精确指示去钝化之后没有产生损坏、修正不成功等。

  VoI剖析是依据决议方案理论结构进行的，该理论结构运用预后验剖析法，是COST举动TU1402“量化结构健康监测价值”中取得最新进展的一部分。依据此结构，基础设施管理者和运营商可量化生命周期进程中某个过程的价值和本钱效益。从取得的成果能够看出，跟着初始去钝化概率Pdep的添加，依然具有本钱效益的最大丈量本钱Cmeas,max会添加。

  本文的首要意图是提出一种用于定量剖析氯含量的VoI定量剖析全体程序。可是，要取得某个结构或结构元素的VoI，应采纳以下办法：研讨人员有必要了解、剖析、比较修补和丈量的实践本钱；关于切当方位的既定桥梁或桥梁元件，应依据实践露出等级、混凝土等级和水泥类型，确认取得去钝化概率的氯化物腐蚀模型参数Pdep；为确认所收集样本的最小数量，应知道丈量办法的精确性，并考虑空间变异性。

  此外，为扩展剖析规模并战胜本文提及的局限性假定，本文给出以下主张：应扩展剖析规模，包含因修补而导致结构不可用的直接费用，以及相关的环境和社会影响；应考虑到一切或许产生的恶化现象；图1中显现的决议方案树还能够扩展，包含传达阶段事情、或许导致结构损坏的缺点修正事情、不成功的反响性修正等。此外，为进一步研讨时刻对本钱功率的影响，能够考虑在决议方案树中引进和时刻有关的成分。