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碳化作用下安全殼混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

文檔作者：孔祥龍，廖開星。湯志杰，李毅，違文新文檔來源：蘇州熱工研究院有限公司壽命管理技術(shù)中心老化管理研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月22日
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2015 年第3 期( 總第305 期)
Number 3 in 2015(Total No．305)
混 凝 土
Concrete
理論研究
THEoRETICAL RESEARCH
doi：10．3969／j．issn．1002-3550．2015．03．006
碳化作用下安全殼混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究
孑L祥龍，廖開星。湯志杰，李毅，違文新
(蘇州熱工研究院有限公司壽命管理技術(shù)中心老化管理研究所，江蘇蘇州215004)
摘要：安全殼混凝土結(jié)構(gòu)因其特殊性，對其耐久性方面研究成果較少，而碳化作用作為混凝土老化的主要機理之一，應(yīng)進行重
點研究。對安全殼混凝土試塊進行快速碳化試驗，取得不同齡期下安全殼混凝土碳化深度的變化規(guī)律；基于此規(guī)律，結(jié)合安全殼
的實際環(huán)境因素，得出安全殼碳化深度隨機預(yù)測模型。以碳化深度到達(dá)保護層厚度作為失效標(biāo)志，使用Monte Carlo模擬得到不
同服役年限下安全殼的失效概率，并擬合得出安全殼碳化失效隨機概率預(yù)測模型。
關(guān)鍵詞：安全殼；碳化；失效概率；預(yù)測模型
中圖分類號：TU528，01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002—3550(2015)03—0021一o2
Study on durability of containment concrete structure under the action of carbonation
KONG Xianglong，LIAO Kaixing，TANG~ijie，LI Yi，TI Wenxin
(Department of Ageing Management，Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou 215004，China)
Abstract：The research achievements of containment concrete structure durability is less due to its particularity，and carbonation should
be focused on as is one of the main mechanism of concre~ aging．The change regulation of concretc carbonation depth at different ages
was obtained by the fast carbonization ~sting on containment coflcre~ specimens，based on this mgulation，combining the actual envi—
ronmental factors of containm ent，the random prediction model of containment carbonization depth was obtained．Making the carbonation
depth reaches the protection layer thickness as a failure indicate，the failure probabifity of containm ent at diferent service life was respec—
tively given by Monte Carlo simulation and the random prediction model for containment carbonization failure was obtained by fitting．
Key words：containment；carbonation；failure probability；prediction model
0 引言
安全殼是繼核燃料包殼、一回路壓力邊界之后核反應(yīng)
堆的第三道也是最后一道安全屏障，其功能是當(dāng)一回路管
道發(fā)生破裂、造成失水事故時，將事故中的裂變產(chǎn)物限制
和消除在其內(nèi)部。由于其不可更換，其安全狀態(tài)直接決定
了核反應(yīng)堆服役壽命。
核電站安全殼混凝土結(jié)構(gòu)因其對安全性、整體性及密
封性等方面的考慮，在材料、結(jié)構(gòu)及功能上均有別于普通
混凝土結(jié)構(gòu)，有必要對其耐久性進行單獨重點研究，取得
安全殼混凝土結(jié)構(gòu)在碳化、氯離子侵蝕等因素作用下性能
劣化的規(guī)律，為預(yù)測安全殼失效概率乃至剩余壽命提供依
據(jù)。碳化作用是引起混凝土性能劣化最為普遍和重要的因
素之一，本研究在對安全殼混凝土試塊進行快速碳化試驗
的基礎(chǔ)上，開展安全殼混凝土結(jié)構(gòu)碳化失效規(guī)律的研究。
1 快速碳化試驗
1．1 試驗材料及配合比
為了盡可能模擬某核電廠安全殼混凝土的真實情況，
試驗用混凝土的配制強度為C50，原材料除生產(chǎn)場地不同
收稿日期：2014—08—28
基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA050901)
外，其余規(guī)格都相同：水泥采用珠江粵繡P·Ⅱ42．5級水
泥；粉煤灰為珠江電廠商品I級粉煤灰；粗骨料分別采用
粒徑5-16 rnln和16～31。5 mlTl的連續(xù)級配的小石和大石；
細(xì)骨料采用粒徑0．16～5 rain的中砂；外加劑采用江蘇博
特公司生產(chǎn)的JM —VIII。試驗采用150 mm x 150 mlTl X
150 rllnl的立方體試件，水膠比為0．41，坍落度為14 cm。
混凝土配合比見表1。
表1 C50混凝土配合比 ／m
水 水泥 粉煤灰 砂 小石 大石 外加劑
174 375 50 680 460 680 4．04
1．2 試驗結(jié)果
根據(jù)擴散理論，混凝土碳化過程遵循Fick第一擴散定
律，理論上計算混凝土碳化深度的計算式為 ]：
X =√／2 Dco Cco (1
M co
= ／—_ ．— f ( )
^√
X： (2)
式中：x—— 碳化深度；
D 。 ——c0：在混凝土中的有效擴散系數(shù)；
C 。
，
— — 混凝土表面CO2濃度；
· 21·
M 。 ——單位體積混凝土吸收CO：的量；
卜一碳化時間；
— — 碳化系數(shù)，反映碳化速度綜合參數(shù)。
從混凝土碳化機理和理論計算式(1)可以看出，混凝
土的碳化速度主要取決于二氧化碳的擴散速度和二氧化
碳與混凝土中可碳化物質(zhì)的反應(yīng)性，其影響因素可歸結(jié)為與
環(huán)境相關(guān)的外部因素和與混凝土本身相關(guān)的內(nèi)部因素 J。
而快速碳化試驗是在短時間內(nèi)研究后者的一個重要途徑。
依據(jù)GB／T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐
久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對試驗試塊進行快速碳化試驗，取
得不同碳化齡期下混凝土試塊的碳化深度，對曲線依據(jù)
式(2)進行擬合，得出碳化系數(shù)O／：2．016，如圖1所示。
X=2．016~f (3)
童
圖1 碳化深度擬合曲線
2 碳化深度隨機預(yù)測模型
大量試驗表明，混凝土快速碳化和自然碳化之間存在
一定關(guān)系，在相同碳化深度x ： 下，碳化時間與二氧化
碳濃度呈反比 ，即：
=
C2
t2 C (4)
l
式中：t —— 混凝土快速碳化試驗期，1／365年；
t2—— 自然碳化齡期，年；
C，—— 快速碳化時二氧化碳濃度，mg／L；
C —— 自然環(huán)境下二氧化碳濃度，mg／L。
根據(jù)收集的某南方核電站大氣二氧化碳濃度為C2=
390 mg／L，而快速試驗用二氧化碳濃度為C。=0．2 mg／L，
則基于快速試驗的自然碳化深度預(yù)測模型為：
■—一
2‘。 ^√f ● 365 (5)
X=1．7 (6)
例如，電站已服役20年，則X=1．7× 0=7．6 mm。
3 碳化失效隨機概率預(yù)測模型
3．1 碳化失效隨機概率
混凝土結(jié)構(gòu)因碳化作用而失效大致可分為兩個階段，
一是碳化發(fā)展階段，混凝土碳化深度從表面發(fā)展到鋼筋表
面，鋼筋失去堿性環(huán)境保護而脫鈍化；二是鋼筋銹蝕破壞
階段，鋼筋脫鈍化后開始發(fā)生銹蝕到混凝土保護層銹脹開
裂、剝落破壞階段。第二階段相對第一階段來說，是很短的
一段時間，因此可將第一階段即碳化深度到達(dá)鋼筋保護層
厚度作為混凝土碳化失效的標(biāo)志。
對某南方核電站安全殼保護層厚度的實際檢測數(shù)據(jù)
進行概率統(tǒng)計，得出其服從正態(tài)分布，記為x～Ⅳ(58，9 )，
其直方分布圖和正態(tài)擬合曲線如圖2。
0．2O
0．15
褂
鬈0．10
0．05
O
U ZU qU 6U U iUU
鋼筋保護層厚度d／mm
圖2 安全殼保護層厚度正態(tài)分布圖
在這里將結(jié)構(gòu)的保護層厚度作為結(jié)構(gòu)抗力R，服從正
態(tài)分布；而碳化深度作為荷載效應(yīng) ，隨時間按照X：
1．7 的規(guī)律變化。當(dāng)R≤S時即認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效，定義結(jié)構(gòu)
失效極限方程Z=R—S，結(jié)構(gòu)失效隨機概率為P ，則有：
P =P(z≤0) (7)
3．2 碳化失效隨機概率預(yù)測模型
Monte Carlo模擬是一種通過隨機模擬和統(tǒng)計試驗來
求解數(shù)學(xué)或工程技術(shù)問題近似解的數(shù)值計算方法，基本原
理是某事件的概率可由大量試驗中該事件發(fā)生的頻率來
估算 。這里使用Monte Carlo模擬研究P 的分布規(guī)律。
從結(jié)構(gòu)抗力尺的正態(tài)分布函數(shù)中隨機抽樣N=50 000個
隨機變量，記N(z≤0)為z中小于等于零的個數(shù)，則：
P 一 ( r
‘f— N 、
依據(jù)此方法計算不同服役年限時的失效概率P ，得出
安全殼碳化失效隨機概率分布圖和擬合曲線如圖3所示，
碳化失效隨機概率預(yù)測模型如下，其相關(guān)系數(shù)R =O．997 78。
一 0 ，，
Y=69．2 (9)
1 t
由此分析可知，安全殼在服役100年內(nèi)因碳化失效的概
率均為0，因此在其設(shè)計壽期40年內(nèi)碳化對結(jié)構(gòu)耐久性影
響很小，基本不存在失效可能。但需特別指出的是，該失效
概率為一般情況下結(jié)構(gòu)整體上的失效概率，不排除某些敏感
區(qū)域(保護層厚度過薄、施工質(zhì)量不佳、人為破壞等)出現(xiàn)因碳
化而使鋼筋銹蝕并導(dǎo)致保護層開裂、錄4落而失效的現(xiàn)象發(fā)生。
褂
鞋
服役時間，年
圖3 安全殼碳化失效隨機概率分布曲線
· 下轉(zhuǎn)第30頁
準(zhǔn)混凝土JC相比，混凝土JC1、JC2、JC3含氣量每增加
1％，實際抗壓強度分別下降5．07％、5．62％、6．96％，說明隨
著含氣量的增加，抗壓強度降低速率增快，這主要是因為
加氣混凝土有效承載截面減小及受力時孔隙附近應(yīng)力集
中程度增大引起的。
3 結(jié)論
(1)在同一齡期下，引氣劑摻量越多，混凝土凈漿總孔
體積、總孔面積、孔隙率、孔的比表面積及骨架密度增大；
在同一含氣量下，隨著齡期的增長，其總孔面積、比表面積
增大，總孔體積、骨架密度減小。
(2)含氣量越大，混凝土平均孔徑及孔間距系數(shù)減小，
實際抗壓強度降低速率增快，混凝土每增加l％，實際抗壓
強度減少約5％-7％。
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· 上接第22頁
4 總結(jié)
(1)對安全殼混凝土試塊進行快速碳化試驗，取得不
同齡期下混凝土碳化深度的變化規(guī)律；基于此規(guī)律，結(jié)合安
全殼的實際環(huán)境因素，得出安全殼碳化深度隨機預(yù)測模型。
(2)使用Monte Carlo模擬得到不同服役年限下安全殼
的失效概率，并擬合得出安全殼碳化失效隨機概率預(yù)測模型。
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作者簡介
聯(lián)系地址
聯(lián)系電話
張凱(1988一)，男，碩士研究生，主要從事橋梁與隧道
方面的研究。
蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院3號實驗樓418室(730070)
18293191331
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作者簡介
聯(lián)系地址
聯(lián)系電話
孔祥龍(1987一)，男，碩士研究生，主要從事核電站混
凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究。
江蘇省蘇州市西環(huán)路1788號蘇州熱工研究院有限公
司(215004)
O512—65353597
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[-9-1 JGJ 101—96，建筑抗震試驗方法規(guī)程[s]．北京：中國建筑工業(yè)
出版社，1997．
作者簡介
聯(lián)系地址
聯(lián)系電話：
劉建民(1962一)，男，副教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)施
工、設(shè)計及抗震研究。
西安市長安區(qū)西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院
(710129)
13629272363

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