钢筋腐蚀的代价与应对之策

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作者：Ivan Zambon1,2,*, Monica Santamaria Ariza3,

José Campos e Matos3?and Alfred Strauss2

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1. FCP Fritsch，Chiari ＆ Partner ZT 有限责任公司，桥梁建设部，奥地利，维也纳；

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，结构工程研究所，

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3. 葡萄牙米尼奥大学土木工程系，

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* 通讯作者：Ivan Zambon，

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一直以来，钢筋混凝土凭借其耐久性和相对较低的养护成本，成为民用基础设施（例如桥梁）的主要建筑材料。然而近年来有证据表明，钢筋混凝土实际的养护和维修成本较高。

氯化物引起的腐蚀是钢筋混凝土劣化的主要原因之一。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陷。因此，研究人员和有关组织机构已致力于开发、改善氯化物的导入模型。研究中使用的模型得到了国际结构混凝土联合会（fib）欧洲混凝土规范Model Code 2010(MC2010)，fib公告34 (fib?Bulletin 34)，fib公告59 (fib?Bulletin 59)和fib公告76 (fib?Bulletin 76)的支持。

测量和监测氯含量的技术，以及将相关数据用于贝叶斯统计法决策的研究，也引起了广泛关注。此外，COST行动TU1402“量化结构健康监测（SHM）的价值”（2014-2019）在贝叶斯决策理论方面做出了巨大贡献，共有来自中国、美国、澳洲等29个国家的学术界、混凝土行业、基础设施业主、运营方和政府的人士参与。这一行动侧重于在贝叶斯决策理论的框架下，制定信息价值（VoI）分析，进而做出最优决策。

对抗腐蚀的成本效益

钢筋腐蚀的过程可以粗略地分为引发阶段和后续过程。混凝土中碱性物质在钢筋表面上形成了氧化层，使钢筋处于钝化状态。当碱度超过氯化物阈值时，氧化物层溶解，导致钢筋去钝化。此时，腐蚀开始蔓延，出现各种劣化情况，如混凝土开裂、分层、钢筋-混凝土黏结损失，以及钢筋截面面积损失。这些因素会影响结构的耐久性和生命周期性能，导致大量的维修和养护成本。

因此，对抗钢筋腐蚀应优选预防策略。也就是在腐蚀仍处于萌芽阶段，没有可见损坏的情况下，对遭受氯离子浸入的钢筋混凝土结构进行养护/修复。因此，应测量氯化物的含量。然而，这样的测量会产生成本，且测试的准确性并不确定。所以，在无可见的损害中，VoI的数值可帮助判断测试和测量是否具有成本效益。

决策树如图1所示。如果进行测量,可在一定程度上显示钢筋是否发生去钝化。在检测到去钝化的情况下,不论幅度大小,都应进行修复。此外,在没有进行任何测量或测量表明没有去钝化的情况下,钢筋仍存在去钝化的可能。

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图1 决定氯化物测量信息值的决策树，其中(a)表示决策树中的事件；(b)表示发生的概率和相关成本。

决策树得出了9种可能的结果。其中，成本标记为Ui，如图1。氯化物测量和混凝土维修的成本取决多个参数，如测量方法、维修类型、市场情况等。因此，测量和维修成本是相对的，继而产生成本比率。表1给出了图1中的事件及其发生概率。

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为找到测量最具成本效益的最大测量成本，决策树的两侧必须处于平衡状态，得出等式(1)：

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将每个特定结果量化为可能发生的成本总和，乘以发生概率（在此标记为Ei和Ej）。表2列出了九种可能结果的量化方法。

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本文使用的氯化物侵蚀模型基于菲克第二扩散定律，其中混凝土中氯化物主要受扩散控制。

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其中Φ(u)是正态分布函数，给出了标准正态变量采用区间[0, u]中值的概率。

测量技术的因素

实验室测试技术包括快速氯化物渗透性测试（RCPT）、非稳态扩散测试、沉陷测试、电迁移测试等。实验室测试通常用于确定有关氯化物侵蚀的混凝土性能，例如非稳态扩散测试被认为是覆盖面最广的实验室测试。现场测试技术可以分为破坏性技术（在提取的岩心上进行）和非破坏性技术。破坏性技术是从服役结构中取样，并通过物理（如定量X射线衍射分析）或化学（如Volhard法——电位评估）实验室技术确定氯化物分布。相反，非破坏性技术（NDT）不会改变测量材料未来的实用性。

文章来源：《腐蚀科学与防护技术》 网址: http://www.fskxyfhjszz.cn/zonghexinwen/2021/0326/577.html