第47卷第10期2014年10月
土木工程学报
CHINA CIVIL ENGINEEＲING JOUＲNAL
Vol．47Oct．No．102014
基金项目：澳大利亚研究理事会基金项目（DP1093787）作者简介：彭里政俐，博士研究生收稿日期：2013-09-11气候变化对中国钢筋混凝土基础设施
彭里政俐
Mark G．Stewart
优盘启动（澳大利亚纽卡斯尔大学基础设施性能与可靠度研究中心，纽卡斯尔2308，澳大利亚）
摘要：气候变化会使大气中CO 2浓度和温度升高，改变相对湿度，因此会改变混凝土基础设施的周围环境。尤其在气候变化的长期作用下，混凝土结构的安全性、适用性和耐久性都会加速衰减。文中描
述在气候变化影响下，两个典型城市厦门和韶关的混凝土基础设施在2010 2100年间的碳化损伤研究。两城市大气CO 2浓度、
温度和相对湿度的预测均基于代表性浓度途径（ＲCPs ）。采用蒙特卡洛模拟进行时效分析，考虑结构尺寸、材料特性、气候预测和预测模型的不确定性。混凝土结构的腐蚀破坏风险由保护层严重开裂的概率表示。结果表明，至2100年气候变化可使平均碳化深度增加达8mm ；同时也可造成温热地区的混凝土建筑物的碳化腐蚀破坏概率增加12% 19%。此研究可为将来气候变化对土木设施的影响和气候适应策略提供参考依据。关键词：风险；结构耐久性；碳化；腐蚀；混凝土；气候变化中图分类号：TU503
文献标识码：A
文章编号：1000-
131X （2014）10-0061-09Climate change effects on carbonation-induced corrosion and
damage risks of ＲC infrastructure in China
Peng Lizhengli
Mark G．Stewart
（Centre for Infrastructure Performance and Ｒeliability ，The University of Newcastle ，NSW 2308，Australia ）
Abstract ：Climate change may increase atmospheric CO 2concentration and temperature ，change relative humidity （ＲH ），and consequently change ＲC infrastructures ’surrounding environment．Especially in the long run ，the decline of the safety ，serviceability and durability of ＲC structures may be accelerated．Carbonation induced corrosion damage of ＲC infrastructure in Xiamen and Shaoguan under a changing climate is investigated for time period 2010 2100．The projection of atmospheric CO 2concentration ，temperature and ＲH in both cities are based on the representative concentration pathways （ＲCPs ）．The time-dependent reliability analysis was conducted by Monte Carlo simulation and includes the uncertainty of dimensions ，material properties ，climate projections ，and predictive models．The corrosion damage risks of ＲC structures are represented by the probability of severe cracking of concrete cover．Ｒesults show that climate change may increase mean carbonation depth by 8mm by 2100．Moreover ，carbonation-induced damage risk for ＲC buildings in temperate areas can be increased by 12% 19%．This research provides a reference for impacts of future climate change on ＲC structures and development of climate adaptation strategies．Keywords ：risk ；structural durability ；carbonation ；corrosion ；concrete ；climate change E-mail ：lizhengli．peng@uon．edu．au
引言
混凝土结构是许多国家关键基础设施的主要结
构类型。氯离子引起的钢筋腐蚀是海岸与近海地区和冬季使用除冰盐的寒冷地区混凝土结构劣化的主因。而在其他地方，混凝土碳化引起的钢筋腐蚀将威
胁钢筋混凝土基础设施的耐久性，尤其在中国南方大部分地区，混凝土碳化导致的钢筋脱钝是重要问题
［1］
。
钢筋混凝土结构的劣化速度不仅取决于施工过
程和使用的建筑材料，还跟结构所处的环境相关。气候变化引起的大气CO 2浓度和温度升高及相对湿度的变化将会导致结构劣化加速，尤其在长期作用下，将加速降低混凝土基础设施的安全性、适用性和耐久性。据政府间气候变化专业委员会（IPCC ）预测，全球平均CO 2浓度将从2000年的369ppm 增加到2100年
·62·土木工程学报2014年
的936ppm，21世纪末时气温将因此增加4．0 6．1ħ［2］。升高的气温将提高碳化渗入速率及腐蚀速度，进而导致混凝土开裂，钢筋截面损失等腐蚀破坏。
尽管有许多关于混凝土结构劣化的研究，但是关于气候变化对结构劣化影响的研究则相对较少。Stewart等［3-4］提出了基于概率和耐久性的研究方法来预测气候变化对澳大利亚混凝土结构劣化的影响，以大气中CO
2
浓度和温度升高引起的钢筋腐蚀开始概率和腐蚀破坏概率的变化值来表示。结果表明：如果混凝土结构保持现有的设计要求和施工条件，A1FI （高）碳排放模式下的碳化腐蚀破坏概率将提高达16%。在实际中，意味着将有额外16%的混凝土表面破坏需要维护或修葺；Stewart等［5］使用简化的劣化模
型和IPCC第4次预测的全球CO
2
浓度和温度变化值评估了增加混凝土保护层厚度作为减小混凝土碳化效应适应策略的经济效益。初步
分析表明：若增加设计混凝土保护层厚度，其效能价格是不合算的，但结果对维修和使用者干扰损失费很敏感；彭建新等［6-7］使用简化的碳化模型进行了敏感性分析和全寿命预测。以上模型都是基于相对简洁的时效劣化模型，且没有考虑相对湿度的变化对劣化过程的影响。Talukdar等［8］预测了各碳排放模式下加拿大结构物的碳化深度，但使用的是确定性模型，且假设相对湿度不随时间变化。
本文描述了气候变化下混凝土碳化引起的钢筋混凝土结构劣化，并以温热地区两个典型城市厦门和韶关作为实例研究，改进的碳化模型考虑了相对湿度
的影响。两座城市大气CO
2
浓度、当地温度和相对湿度的预测均基于IPCC最新的碳排放模式“代表浓度过程”（ＲCPs）。基于规范的耐久性设计要求和各参数的统计特性，时效分析计算了2010 2100年间混凝土结构的碳化深度和碳化腐蚀破坏概率，考虑了气候预测、劣化过程、材料特性、结构尺寸和预测模型的不确定性和变异性。混凝土结构劣化由钢筋腐蚀破坏概率来表示。腐蚀破坏定义为钢筋腐蚀导致混凝土鼓胀开裂的裂缝宽度达1．00mm。由于导致混凝土加速
劣化的环境主因是CO
2
浓度、温度和相对湿度，因此本文的结果也可类似地反应全球其他地方混凝土基础设施的情况。
1碳化破坏的概率模型
1．1气候变化
未来的气候变化由碳排放的情况来定义，与人口、经济、科技、能源、土地使用和农业的变化相关。IPCC计划于2014年公布的第5次评估报告将使用一
系列ＲCPs来代表可能的气候变化趋势［9］。本文中，ＲCP8．5和ＲCP4．5分别代表高和中碳排放情况。图1是IPCC预测的全球平均大气CO
2
浓度，值得注意的是，近期的研究显示目前的碳排放稍微高于ＲCP
8．5［10］，这说明CO
2
浓度有可能在21世纪末时达到1000ppm。与IPCC第4次评估报告的预测值相比，ＲCP8．5和ＲCP4．5的预测结果与A1FI和550ppm相近［3］。假设图1所示的上下界分别是正态分布的第
90和第10的百分位，则CO
2
浓度的统计参数的均值
μCO
2
（t）为中值，标准差σ
CO2
（t）=（上界－下界）/
2．56。ＲCP8．5和ＲCP4．5的CO
2
浓度变异系数（COV）随时间增长到最大值约为0．06。而参考系（最
好）的碳排放情况基于2010年的CO
2
浓度389．1ppm
保持不变，因此参考系的μ
CO2
坏小孩结局（t）=389．1ppm，σ
CO2
（t）=
0。任何情况下，概率分布均截止于2010年的CO
2
浓度值。
为了考虑空间效应，未来各种情况的天气预测将使用基于大气环流与陆地、海洋和冰圈之间的能量传递机制建立地球气候模式（GCMs）。本文中，气候预测来自于6种气候模型：CSIＲO-Mk3．6．0（原有CSIＲO 模型的更新），ACCESS1．0（澳大利亚组），IPSL CM5A-LＲ（法国组），MIＲOC5（日本组），bcc-csm1-1（中国组）和CNＲM-CM5（欧洲组）［11］。每个独立的模拟都代表一种可能的天气，而使用多个模型则是出所有可能值范围的一种方法。由于厦门和韶关常年气候温暖潮湿，受碳化腐蚀影响大，故选作研究对象。厦门和韶关的6种GCM温度和相对湿度预测如图2和图3所示。显而易见，各GCM模型的温度和相对湿度的预测值变异性很大，这是由于大气环境系统非常复杂，且现阶段各气候模型的分辨率水平较低，对于区域气候的模拟存在局限性和较大的不确定性，这也使得气候预测非常具有挑战性
。
图1预测的CO
2
浓度
Fig．1Projected CO
2
concentration
第47卷第10期彭里政俐等·气候变化对中国钢筋混凝土基础设施碳化腐蚀及破坏风险的影响·63
·（a）
厦门
（b）韶关
图2ＲCP8．5、ＲCP4．5和2010年碳排放情况的
6种GCM温度预测
Fig．2Temperature projections of the six GCM for
ＲCP8．5，ＲCP4．5and the emission in2010
1．2混凝土碳化腐蚀
碳化深度取决于很多因素如：混凝土品质、相对
湿度、温度、周围的CO
2
浓度等。如果认为碳化过程
是稳态过程，那么就可以用菲克第一定律来模
拟［12-13］。考虑到气候变化，CO2浓度、温度和相对湿度
均随时间变化，则碳化深度的预测模型可以做出如下
改进：
x c （t）=
2D
a
∫t
2010
f
T
（t）f
ＲH
（t）k
site
C
CO2
（t）d
槡tˑ1t－
()
2009
n m
t≥2010（1）
D=D
1（t－2009）－n d a=0．75C
e
CaOα
H
M
CO2
M
CaO
（2）
式中：t为时间，从2010年起，以年为单位；C
CO2
为随时
间变化的大气CO
2
浓度（10－3kg/m3），如图1（单位换算：1ppm=0．0019ˑ10－3kg/m3）；k site为考虑非偏远地
区CO
2浓度增加效应的系数；f
T
（t）表示随时间变化的
国庆节发朋友圈的说说温度对扩散系数的影响；f
ＲH
（t）表示随时间变化的相对湿度对扩散系数的影响；D为2010 t年之间修正
的CO
2扩散系数；D
1
为2010年的CO
2
扩散系数；n
d
为考虑CO
2扩散系数时间效应的系数；C
e
是水泥含量
（kg/m3）；CaO为水泥中的CaO含量（取0．65）；α
H
为
水化程度；M
CaO
为CaO的摩尔质量（56g/mol）；M
CO2
为
CO
2
的摩尔质量（44g/mol）。考虑区域气候条件时间
效应的系数（n
m
）与干湿循环的频率有关，n
m
=0表示
有遮掩的室外环境，n
m
放假通知怎么写=0．12表示无遮掩的室外
环境。
D
1
和n
d
的平均值如表1所示。Yoon等［12］提供
了D
1
和n
d
的上限值（95%）估计。D
1
的标准差为
0．15，n
d
的COV为0．12。统计系数代表了模型误差，
高品质混凝土的扩散系数D
1
＜5ˑ10－4cm2s－1［14］。以
上参数适用于参考条件T=20ħ和ＲH=65%。
Larrard估计了普通硅酸盐水泥400d后的水化
程度［15］
。
（a）
厦门
（b）韶关
图3ＲCP8．5、ＲCP4．5和2010年碳排放情况的
6种GCM相对湿度预测
Fig．3ＲH projections of the six GCM forＲCP8．5，ＲCP4．5
and the emission in2010
表1D
1
和n
d
的平均值［12］
Table1Average values of D
1
and n
d
［12］
w/c D1（ˑ10－4cm2s－1）n d
0．450．650．218
0．51．240．235
0．552．220．240
注：中间值可采用线性内插法获得。
·64·土木工程学报2014年
由于IPCC预测的CO
2
浓度是全球平均值，而全
球平均值采集于远程海洋海平面位置，例如夏威夷的
莫纳罗亚山、五大湖区的威斯康星，但因为人为和自
然的CO
2浓度来源，城市、郊区和农村地区的CO
2
浓
度通常比全球平均值要高。于是引入一个新系数k
site
：
k site =
具体地点的CO
2
浓度
同期的全球CO
2
浓度平均值
（3）
根据美国、英国、中国、意大利、波兰、日本和科威
特关于城市、郊区和农村地区的CO
2
浓度记录，计算
出了三类地区的k
site
值。由于每个城市的大小不同，城市，郊区和农村地区的定义也不同。表2给出了根据城市人口和与中央商业区的距离而定义的城市范围。如果一个城市的人口少于50万，那么也被认为是郊区；城市以外的土地主要用于农业生产的区域则认为是农村地区；城市与农村之间的地区定义为郊区。
表3给出了k
site
的统计数据，尽管样本数量很小，但与
预想的一样，城市地区的k
site
增加，这极有可能是由于城市地区更高的污染水平和人口密度。
表2k
site
的城市区域的定义
Table2Definition of urban areas for k
site
项目
人口数量（百万）
0．5 11 22 55 10＞10
与中央商业区的
距离（km）
≤2≤3≤5≤7≤10
表3k
site
的统计数据
Table3Statistical parameters for k
site
地点样本大小平均值COV 全球平均值测点—1．00—
农村31．050．04
郊区51．070．06
城市81．140．08
温度升高会增加扩散系数致使碳化深度加深。扩散系数的温度效应用Arrhenius定律来模拟［12，16］，因此随时间变化的温度对扩散系数影响如下：
f T （t）=e EＲ1293．15－1
273．15+T（t
()
）（4）
式中：T（t）为时间t时的温度（ħ）；E为扩散过程的活化能（40kJ/mol［17］）；Ｒ为气体常量（8．314ˑ10－3kJ/ mol·K）。温度每升高2ħ扩散系数将增加12%，参考温度20ħ。
本文采用Fib使用寿命设计模型规范［18］建议的相对湿度ＲH对扩散系数的影响模型。参考条件是Ｒ
H=65%且T=20ʎC，此时f
ＲH
=1，f
ＲH
的变化趋势如
图4所示。当ＲH＜65%时，f
ＲH
＞1，f
ＲH
随ＲH增大而减
小，直到ＲH=100时，f
ＲH
=0。当水不充足时，碳化不能开始，如ＲH≤25%时［19］，因此模型的下限设置为ＲH=25%。当ＲH在50% 70%范围内时，碳化水平趋于最高［20］
。
图4相对湿度对扩散系数的影响
Fig．4ＲH effects on diffusion coefficient
1．3腐蚀扩展
当碳化深度到达钢筋表面，即碳化深度等于混凝土保护层厚度时，腐蚀开始。本研究中，腐蚀率被假设为对数正态分布，Duracrete给出了基于20ħ时的统计参数［13］。对于有遮掩的中等潮湿的暴露环境，平均
腐蚀率（i
corr－20
）为0．172μA/cm2，标准差为0．086μA/cm2，而对于无遮掩的有干湿循环的暴露环境，腐蚀率的平均值和标准差分别为0．431μA/cm2和0．259μA/cm2。这些数值考虑了各种环境类型对应的混凝土等级。温度升高会使腐蚀率加快，这里用Duracrete给出的模型来描述此现象［16，21］：
i
corr
（t）=i
corr－20
［1+K（T（t）－20）］（5）
式中：i
corr－20
为20ħ时的腐蚀率，且当T（t）＜20ħ时，K=0．025；T（t）＞20ħ时，K=0．073。注意，式（5）与Arrhenius方程密切相关，至少是当温度低于20ħ时，但可能对于T（t）＞20ħ偏保守［16，21］。温度升高2ħ将使腐蚀率升高15%。
由于缺少已碳化钢筋混凝土结构的腐蚀率随时间变化的数据，本研究假设腐蚀率随时间不变，这有可能是偏保守的假设，一般来说，由于腐蚀过程中腐蚀产物的生成，腐蚀率会随时间减小［22］。
裂缝开始（T
1st
）采用El Maaddawy等提出的模
型［23］，而裂缝破坏的时刻（T
sev
）
定义为当混凝土保护层裂缝达到极限宽度1．0mm时的时间。Mullard
等［24］给出了T
1st
到T
sev
阶段内裂缝扩展速率模型。1．4腐蚀破坏概率
由于腐蚀率随温度变化，温度又随时间变化，所
第47卷第10期彭里政俐等·气候变化对中国钢筋混凝土基础设施碳化腐蚀及破坏风险的影响·65·
薇娅老公以腐蚀破坏所需的时间需要修正（El Maaddawy等［23］
和Mullard等［24］提出的模型均是假设腐蚀率不随时间
变化）。对于不随时间变化的腐蚀率，均匀腐蚀损失
以致裂缝破坏所需的腐蚀产物量m
corr
=
0．0116i
corr－20（t
sp
－T
i
），式中t
sp
为对于随时间不变的
腐蚀率i
corr－20
导致裂缝破坏所需的时间。而对于随时
间变化的腐蚀率，要达到裂缝破坏需要时间T
sp
，即生成相同量的腐蚀产物的时间。所以t时刻时，腐蚀破坏的累计概率是：
p s （t）=Pr［t≥T
sp
］（6）
2结果
2．1耐久性设计规范
根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010），混凝土结构分为5种环境类型并有其对应结构的混凝土材料耐久性基本要求［25］，如最小混凝土保护层厚度、混凝土抗压强度等，如表4所示。所选城市厦门和韶山的混凝土结构物大部分属于环境类型Ⅰ，而卫生间、厨房等室内潮湿环境和露天部分属于环境类型Ⅱa。
根据Bartlett等提出的模型［26］，28d的混凝土现场抗压强度f
c
（28）=F
1
F
2
F
c
'，且V2
f c（28）
=V2
F1
+V2
F2
，式
中F
c
'为混凝土名义设计抗压强度，F
1
为（立方体强
度/名义抗压强度）值的随机变量，F
2
为（28d现场抗
压强度/立方体强度）值的随机变量；V
f c（28）
、V
F1
和V
F2分别是f
c
（28）、F
1
和F
2
的COV。现浇混凝土的统计
数据μ（F
2
）=0．85，V
F2
=0．10［27］。F
1
平均值和V
F1的统计值则来自中国的结构物［28-29］，如表5所示。混凝土强度是随时间变化的，一年后混凝土抗压强度值
可由ACI法获得：f
c
=1．162f
c
（28），式中f
c
（28）是28d 现场抗压强度［30］。一年以后强度增加值则没有考虑，混凝土强度值需要在腐蚀扩展模型中用到［23-24］。
表6列出了腐蚀过程、材料和结构尺寸的统计参
数。表中f
c
（28）和保护层厚度的统计参数来自中国结构物的统计数据；除非特别说明，以下章节所描述的所有结构都是6个GCM气候模拟生成结果的平均
值；k
site
联想k920均取城市的统计参数。钢筋直径如表4所示。
表4混凝土结构设计规范（GB50010—2010）
Table4Code for design of concrete structures（GB50010—2010）
环境类型F c'（MPa）w/c C e（kg/m3）D1的平均值n d的平均值i corr的平均值
（μA/cm2）
i corr的标准差
（μA/cm2）
保护层厚度/钢筋直径（mm）
板梁
I C200．62252．650．2420．1720．08620/1225/16
IIa C250．62502．220．2400．1720．08625/1230/16 IIb C300．52751．240．2350．1720．08625/1635/24 IIIa C350．53000．650．2180．1720．08630/2040/28 IIIb C400．43250．470．1900．1720．08640/2850/32注：环境类型描述见《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）；C e来自《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）。
表5中国建筑的混凝土抗压强度统计值
Table5Statistical parameters of concrete compressive strength for buildings in China
C15C20C25C30C35C40C45C50样本量952822257364536203091216094立方体强度平均值（MPa）18．623．026．531．335．639．845．955．1 F1平均值1．241．151．061．041．021．001．021．10
f c（28）/F c'（=F1ˑF2）平均值1．050．980．900．890．860．850．870．94
V F10．2300．1970．1680．1650．2270．1790．1980．242 V f
c（28）
=（V2F1+V2F2）0．50．2510．2210．1960．1930．2480．2050．2220．262
发布评论