关键词：寿命预测 耐久性 预测模型 进展
中图分类号：TU 528
Research Progress in Service-life Prediction Model for the Concrete
Abstract: An overview on the research of the life prediction of concrete, the latest development of the service life prediction of concrete under single factor and combined action of durability factors were presented, and the carbonation model、sulfate attack model and chloride ion penetration model were particular described. The shortage of the existing prediction model were analyzed. The problems in future research were brought forward for the building of the life precision prediction of concrete.
Key words: service-life prediction ; durability; prediction model; development
前言
吴中伟院士曾提出：经妥善设计和优质施工的HPC结构的安全使用期应不低于100年，在正常环境中使用的结构的安全使用期应达200年，特殊重要工程在采取必要措施后的安全使用期应达300年。然而，如果对高性能混凝土寿命没有一个较为准确的估计，耐久性良好的高性有混凝土建筑过早地拆除，势必造成大量资源的浪费，与“绿色混凝土”这一称谓背道而驰。另一方面，混凝土建筑超期服役会造成严重的安全隐患。
为了既能确保混凝土结构使用的安全，又能保证耐久性良好的混凝土建筑可以充分发挥其功能、最大限度地利用资源，使建筑业管理、规划、设计与使用部门做到有的放矢，对混凝土进行寿命评估显得异常重要。
混凝土的使用寿命受多种因素影响，其中包括力学因素、环境因素及材料因素等，其中环境因素里又分为二氧化碳、硫酸盐、、冻融循环等不同的侵蚀环境。对于混凝土寿命的评估主要从这些影响因素出发，根据不同环境中相关的侵蚀机理建立对应的数学模型，从而对混凝土的寿命进行预测。
1 单因素混凝土寿命预测模型
对于单因素影响下混凝土的寿命预测，主要集中在从环境因素出发做出的混凝土寿命的预测，主要包括了碳化模型、硫酸盐侵蚀模型、氯离子侵蚀模型等几大类型。
1.1碳化模型
混凝土层碳化后失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀导致混凝土膨胀而开裂。到目前为止，基本上是以混凝土碳化深度达到钢筋表面作为钢筋开始锈蚀的标志[6]，苏联有关标准[7]也以混凝土碳化深度到达钢筋表面的时间作为混凝土结构的寿命。因此，碳化深度的预测可以作为混凝土寿命评估的参考。
近几十年来，混凝土的碳化一直是混凝土耐久性领域研究的热点问题，国内外学者也提出了许多的碳化模型，成果颇丰。
前苏联学者阿列克谢耶夫（1991）等人基于Fick第二扩散定律及二氧化碳在多孔介质中吸收的特点提出了经典的碳化深度预测模型：
时间。希腊学者Papadakis等[9]（1991）基于混凝土碳化的物理化学过程，用化学反应动力学方法研究了水泥水化和碳化的速率，并根据碳化反应过程中二氧化碳、氢氧化钙及水化硅酸钙的质量平衡条件推导得到数学模型：
日本学者岸谷孝一[10]基于快速碳化试验和自然暴露试验结果，提出了碳化深度预测公式。Lesahe de Contenay C（1995）研究了混凝土外加剂、混凝土材性和暴露条件对碳化对影响，提出了与混凝土强度相关的碳化深度模型。 国内的学者对混凝土碳化也进行了深入研究，同时也提出了相关的模型。 黄士元等[12]（1991）应用国内外有关混凝土碳化的研究成果，在分析碳化影响因素的基础上，回归给出了预测混凝土碳化深度的模型。同济大学张誉和蒋利学[1996，1998）基于混凝土碳化机理，建立了水灰比、水泥用量等混凝土碳化主要影响因素与理论模型中有效扩散系数及单位体积混凝土的CO2吸收量之间的定量关系，推导得出了一个混凝土碳化深度实用数学模型。
西安建筑科技大学的牛荻涛（1999）从碳化理论模型出发，用大量工程实测结果和气象调查资料，建立了以混凝土立方体抗压强度标准值为主要参数，考虑环境影响（环境温湿度）和CO2浓度影响的平均碳化深度预测模型，并进一步考虑碳化过程的随机性，提出了预测混凝土碳化深度的随机模型。
大连理工大学的赵国藩等[16]（2000）根据碳化速度系数序列自相关函数和偏相关函数截尾和拖尾的变化规律，对水灰比0.40~0.65的混凝土碳化深度采用随机时间序列方法进行分析，确定了碳化深度的ARIMA（1，1，0）模型。
同济大学屈文俊等（2007）在分析影响混凝土碳化因素的基础上，依据工程现场实测和实验室试验数据建立了碳化速度系数的概率模型，经检验皆服从正态分布，依此建立了混凝土碳化的随机过程模型。
1.2硫酸盐侵蚀模型
硫酸盐侵蚀是环境中的硫酸根离子渗入混凝土内部与水泥水化物发生反应，使混凝土产生膨胀、开裂、剥落等现象，并更丧失强度和粘性。
加拿大国家研究委员会材料实验室的Peter J. Tumidajski和G. W. Chan等人[18]（1995）利用菲克第二定律建立了一个浓度与扩散深度及时间关系的理论模型：
西班牙加泰罗尼亚理工大学的Casanova 等人[19-20]（1996，1997）利用热力学平衡方程进行模拟硫酸盐侵蚀反应，用球形几何模型硫酸盐对混凝土的腐蚀程度。他们将硫酸盐侵蚀混凝土膨胀过程分为两个阶段，第一阶段的膨胀是由于水化硫酸盐的生成所造成；第二阶段的膨胀是由于和 渗入到材料中的毛细孔溶液中，进而与胶凝体发生化学反应生成石膏、单硫型铝酸盐和钙钒石。最终得到膨胀量与反应速度的关系式：
加拿大拉瓦勒大学的J Marchand等人（2001）分析了低浓度的硫酸钠溶液对混凝土耐久性的影响，考虑离子和流体的扩散，同时也考虑固相的化学平衡，提出了一个在饱和系统中的数字模型：STADIUM。这一有限元软件可以解决湿度及八种离子的联结扩散问题。它考虑了九种不同固体状态的化学平衡，因此它可以用来预测水化水泥系统在经受各种侵蚀情况下的耐久性。他们将此模型的预测与实验结果进行对比，发现吻合性良好。
我国西北农林科技大学的杜应吉与李元婷（2004）根据南京地铁工程高性能混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的试验研究结果,初步建立了基于混凝土衰变规律的抗硫酸盐侵蚀耐久寿命模型：
1.3侵蚀模型
氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀从而使混凝土膨胀破坏，目前大部分研究都将氯离子侵蚀到钢筋表面作为混凝土结构氯离子侵蚀耐久寿命终结的标志。
意大利的Collepardi（1972）基于Fick第二定律，提出了氯离子扩散系数的计算方法，该方法能较直观地体现混凝土结构在受氯离子侵蚀环境中的耐久性。但由于混凝土中氯离子的侵蚀不是一个简单的理想化Fick扩散过程，还有许多物理、化学机理影响其渗透扩散速度和不同混凝土深度内氯离子的浓度，因此该方法数学解与实际试验结果相差较大。为了反应各种因素对氯离子扩散的影响，有许多学者提出基于各种相关因素的修正模型。 Funahashi M（1990）利用有限差分法建立了一个氯离子浓度随时间化的预测模型，模型中考虑了混凝土孔隙率、温度、氯离子与混凝土的结合作用、环境中氯离子的浓度变化等因素。
瑞典查尔姆斯理工大学的Tang和Nilsson（1993）建立了考虑氯离子结合及氯离子扩散系数时间、空间、温度依赖性的数学模型，其中氯离子结合量按照Freundlich等温吸附方程计算。
英国贝尔法斯特皇后大学的Basheer等人（1996）采用郎缪尔（Langmuir）等温线方程提出了有关系氯离子扩散的模型。
韩国亚洲大学的Chee Burm Shin等人（2002）考虑孔隙水中氯离子的扩散、混凝土氯离子吸附和解吸附作用、氯离子与混凝土的化学反应等影响因素，建立了氯离子扩散的数学模型，并采用有限元方法进了数值分析。
东南大学余红发和孙伟等人（2002）基于Fick第二定律，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，建立了用于预测混凝土使用寿命的氯离子扩散理化模型。
同济大学施惠生和王琼（2004）以Fick第二定律为基本模型，引入混凝土中氯离子扩散系数的时间、吸附、温度素、应力和裂缝状态等修正因素，结合可靠理论，建立了海工混凝土寿命预测模型及其计算软件SLPMC。
天津大学的王仁超等人（2004）基于Fick第二定律，推导出考虑综合影响机制的氯离子扩散理论迁移模型，确定了温度、时间以及结构劣化效应和混凝土结合作用与氯离子扩散系数的关系，并对各影响机制的内在相关性和重要性进行了敏感性分析。
华侨大学的施养杭和罗刚[34]（2004）综合考虑水泥品种、温度、湿度和时间等因素对氯离子扩散系数的影响，建立了基于有限差分法的氯离子侵入混凝土的计算模型。
2 多因素耦合作用下混凝土寿命预测模型
混凝土的耐久性并不只是受单一的环境因素影响，还包括力学因素、环境因素及材料因素等。孙伟院士也指出[2]：从众多工程过早损伤、劣化和失效的例子充分表明，对某一特定的工程而言，它在服役过程中往往是在力学因素（特别是静载变拉应力和动载疲劳应力）、环境因素（冻融循环、碳化、Cl-扩散、硫酸盐腐蚀及他有害物质的侵蚀、碱—集料反应、酸雨等）和材料因素（不同组成与结构、不同强度等级）的双重或多重损伤因素耦合作用下而服役的。
东南大学孙伟院士的科研团队对于双重、多重因素下混凝土的损伤机理及寿命预测进行了深入的研究。 慕儒 （1999）在对高强混凝土和钢纤维高强混凝土在荷载和硫酸盐侵蚀双因素作用下的性能变化规律进行了实验研究。结果表明，荷载的作用使硫酸盐侵蚀有加剧的趋势。
关宇刚（2001）结合可靠度与操作理论，提出了能适用于不同边界条件以及包括单因素和多因素复合作用下的有关混凝土寿命预测方面的普适多元Weibull分布模型，并为该模型提出了相应的算法和编制了对应的计算程序。
余红发 （2002）基于Fick第二扩散定律，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性、和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，得到了混凝土氯离子扩散理论基准模型：
子扩散理论模型；同时考虑混凝土表面剥落和冻融循环影响的混凝土冻融循环氯离子扩散理论模型；同时考虑混凝土表面剥落和冻融损伤影响的混凝土损伤氯离子扩散理论模型。
刘志勇 [39]（2003）在考虑了包括荷载、温度、湿度及碳化速率系数时间依赖性等因素，结合试验结果建立了包括荷载因素在内的多因素作用下的混凝土碳化模型。
金祖权[40]（2005）通过快速碳化试验，研究不同粉煤灰掺量、不同养护龄期、不同弯曲荷载率下混凝土的碳化，建立了综合考虑粉煤灰掺量、养护龄期、荷载率、环境温度、结合能力以及混凝土的CO2扩散系数时间依赖性的多因素寿命预测模型。
3结语
上述国内外文献报道增进了人们对于混凝土寿命评估的模型的认识，从单一因素的碳化预测模型、硫酸盐侵蚀预测模型及氯离子侵蚀预测模型到多因素混凝土寿命预测模型都有了较为深入的研究，并取得了一定的预测效果。
但是混凝土使用寿命因其与材料性能、细部构造、暴露状态、劣化机理等许多因素及其相互作用有关而甚难量化，其劣化过程也是多种因素综合作用的结果。由于综合作用的影响机理相关复杂且不明了，所以目前对混凝土使用寿命的预测还只能考虑其中一个或二个主要因素[6]。因此，过多的简化对现有预测模型的精度造成一定的影响。
混凝土寿命预测模型的建立是一个非常复杂的工作，如果预测模型要能较好地反映实际情况，还有如下方面亟待解决：
一、影响混凝土耐久性的因素众多，如何准确地确定力学、环境、材料等众多因素对混凝土耐久性影响的分布参数；
二、在众多影响因素同时作用的条件下，各种侵蚀同时进行，如何确定各因素对混凝土耐久影响的叠加效应，如何对各因素影响之间的关系进行定量；
三、在模型建立之后，模型的可靠度是人们关注的问题，如何对建立的模型系统进行统计分析和可靠度评估，从而得到随环境、荷载、材料变化和多因素作用下寿命预测的概率模型。
