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碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究

文档作者：孔祥龙，廖开星。汤志杰，李毅，违文新文档来源：苏州热工研究院有限公司寿命管理技术中心老化管理研究所		点击数：	更新时间： 2024年02月22日
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2015 年第3 期( 总第305 期)
Number 3 in 2015(Total No．305)
混 凝 土
Concrete
理论研究
THEoRETICAL RESEARCH
doi：10．3969／j．issn．1002-3550．2015．03．006
碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究
孑L祥龙，廖开星。汤志杰，李毅，违文新
(苏州热工研究院有限公司寿命管理技术中心老化管理研究所，江苏苏州215004)
摘要：安全壳混凝土结构因其特殊性，对其耐久性方面研究成果较少，而碳化作用作为混凝土老化的主要机理之一，应进行重
点研究。对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验，取得不同龄期下安全壳混凝土碳化深度的变化规律；基于此规律，结合安全壳
的实际环境因素，得出安全壳碳化深度随机预测模型。以碳化深度到达保护层厚度作为失效标志，使用Monte Carlo模拟得到不
同服役年限下安全壳的失效概率，并拟合得出安全壳碳化失效随机概率预测模型。
关键词：安全壳；碳化；失效概率；预测模型
中图分类号：TU528，01 文献标志码：A 文章编号：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
安全壳是继核燃料包壳、一回路压力边界之后核反应
堆的第三道也是最后一道安全屏障，其功能是当一回路管
道发生破裂、造成失水事故时，将事故中的裂变产物限制
和消除在其内部。由于其不可更换，其安全状态直接决定
了核反应堆服役寿命。
核电站安全壳混凝土结构因其对安全性、整体性及密
封性等方面的考虑，在材料、结构及功能上均有别于普通
混凝土结构，有必要对其耐久性进行单独重点研究，取得
安全壳混凝土结构在碳化、氯离子侵蚀等因素作用下性能
劣化的规律，为预测安全壳失效概率乃至剩余寿命提供依
据。碳化作用是引起混凝土性能劣化最为普遍和重要的因
素之一，本研究在对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验
的基础上，开展安全壳混凝土结构碳化失效规律的研究。
1 快速碳化试验
1．1 试验材料及配合比
为了尽可能模拟某核电厂安全壳混凝土的真实情况，
试验用混凝土的配制强度为C50，原材料除生产场地不同
收稿日期：2014—08—28
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA050901)
外，其余规格都相同：水泥采用珠江粤绣P·Ⅱ42．5级水
泥；粉煤灰为珠江电厂商品I级粉煤灰；粗骨料分别采用
粒径5-16 rnln和16～31。5 mlTl的连续级配的小石和大石；
细骨料采用粒径0．16～5 rain的中砂；外加剂采用江苏博
特公司生产的JM —VIII。试验采用150 mm x 150 mlTl X
150 rllnl的立方体试件，水胶比为0．41，坍落度为14 cm。
混凝土配合比见表1。
表1 C50混凝土配合比 ／m
水 水泥 粉煤灰 砂 小石 大石 外加剂
174 375 50 680 460 680 4．04
1．2 试验结果
根据扩散理论，混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定
律，理论上计算混凝土碳化深度的计算式为 ]：
X =√／2 Dco Cco (1
M co
= ／—_ ．— f ( )
^√
X： (2)
式中：x—— 碳化深度；
D 。 ——c0：在混凝土中的有效扩散系数；
C 。
，
— — 混凝土表面CO2浓度；
· 21·
M 。 ——单位体积混凝土吸收CO：的量；
卜一碳化时间；
— — 碳化系数，反映碳化速度综合参数。
从混凝土碳化机理和理论计算式(1)可以看出，混凝
土的碳化速度主要取决于二氧化碳的扩散速度和二氧化
碳与混凝土中可碳化物质的反应性，其影响因素可归结为与
环境相关的外部因素和与混凝土本身相关的内部因素 J。
而快速碳化试验是在短时间内研究后者的一个重要途径。
依据GB／T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐
久性能试验方法标准》对试验试块进行快速碳化试验，取
得不同碳化龄期下混凝土试块的碳化深度，对曲线依据
式(2)进行拟合，得出碳化系数O／：2．016，如图1所示。
X=2．016~f (3)
童
图1 碳化深度拟合曲线
2 碳化深度随机预测模型
大量试验表明，混凝土快速碳化和自然碳化之间存在
一定关系，在相同碳化深度x ： 下，碳化时间与二氧化
碳浓度呈反比 ，即：
=
C2
t2 C (4)
l
式中：t —— 混凝土快速碳化试验期，1／365年；
t2—— 自然碳化龄期，年；
C，—— 快速碳化时二氧化碳浓度，mg／L；
C —— 自然环境下二氧化碳浓度，mg／L。
根据收集的某南方核电站大气二氧化碳浓度为C2=
390 mg／L，而快速试验用二氧化碳浓度为C。=0．2 mg／L，
则基于快速试验的自然碳化深度预测模型为：
■—一
2‘。 ^√f ● 365 (5)
X=1．7 (6)
例如，电站已服役20年，则X=1．7× 0=7．6 mm。
3 碳化失效随机概率预测模型
3．1 碳化失效随机概率
混凝土结构因碳化作用而失效大致可分为两个阶段，
一是碳化发展阶段，混凝土碳化深度从表面发展到钢筋表
面，钢筋失去碱性环境保护而脱钝化；二是钢筋锈蚀破坏
阶段，钢筋脱钝化后开始发生锈蚀到混凝土保护层锈胀开
裂、剥落破坏阶段。第二阶段相对第一阶段来说，是很短的
一段时间，因此可将第一阶段即碳化深度到达钢筋保护层
厚度作为混凝土碳化失效的标志。
对某南方核电站安全壳保护层厚度的实际检测数据
进行概率统计，得出其服从正态分布，记为x～Ⅳ(58，9 )，
其直方分布图和正态拟合曲线如图2。
0．2O
0．15
褂
鬈0．10
0．05
O
U ZU qU 6U U iUU
钢筋保护层厚度d／mm
图2 安全壳保护层厚度正态分布图
在这里将结构的保护层厚度作为结构抗力R，服从正
态分布；而碳化深度作为荷载效应 ，随时间按照X：
1．7 的规律变化。当R≤S时即认为结构失效，定义结构
失效极限方程Z=R—S，结构失效随机概率为P ，则有：
P =P(z≤0) (7)
3．2 碳化失效随机概率预测模型
Monte Carlo模拟是一种通过随机模拟和统计试验来
求解数学或工程技术问题近似解的数值计算方法，基本原
理是某事件的概率可由大量试验中该事件发生的频率来
估算 。这里使用Monte Carlo模拟研究P 的分布规律。
从结构抗力尺的正态分布函数中随机抽样N=50 000个
随机变量，记N(z≤0)为z中小于等于零的个数，则：
P 一 ( r
‘f— N 、
依据此方法计算不同服役年限时的失效概率P ，得出
安全壳碳化失效随机概率分布图和拟合曲线如图3所示，
碳化失效随机概率预测模型如下，其相关系数R =O．997 78。
一 0 ，，
Y=69．2 (9)
1 t
由此分析可知，安全壳在服役100年内因碳化失效的概
率均为0，因此在其设计寿期40年内碳化对结构耐久性影
响很小，基本不存在失效可能。但需特别指出的是，该失效
概率为一般情况下结构整体上的失效概率，不排除某些敏感
区域(保护层厚度过薄、施工质量不佳、人为破坏等)出现因碳
化而使钢筋锈蚀并导致保护层开裂、录4落而失效的现象发生。
褂
鞋
服役时间，年
图3 安全壳碳化失效随机概率分布曲线
· 下转第30页
准混凝土JC相比，混凝土JC1、JC2、JC3含气量每增加
1％，实际抗压强度分别下降5．07％、5．62％、6．96％，说明随
着含气量的增加，抗压强度降低速率增快，这主要是因为
加气混凝土有效承载截面减小及受力时孔隙附近应力集
中程度增大引起的。
3 结论
(1)在同一龄期下，引气剂掺量越多，混凝土净浆总孔
体积、总孔面积、孔隙率、孔的比表面积及骨架密度增大；
在同一含气量下，随着龄期的增长，其总孔面积、比表面积
增大，总孔体积、骨架密度减小。
(2)含气量越大，混凝土平均孔径及孔间距系数减小，
实际抗压强度降低速率增快，混凝土每增加l％，实际抗压
强度减少约5％-7％。
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· 上接第22页
4 总结
(1)对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验，取得不
同龄期下混凝土碳化深度的变化规律；基于此规律，结合安
全壳的实际环境因素，得出安全壳碳化深度随机预测模型。
(2)使用Monte Carlo模拟得到不同服役年限下安全壳
的失效概率，并拟合得出安全壳碳化失效随机概率预测模型。
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作者简介
联系地址
联系电话
张凯(1988一)，男，硕士研究生，主要从事桥梁与隧道
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兰州交通大学土木工程学院3号实验楼418室(730070)
18293191331
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作者简介
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联系电话
孔祥龙(1987一)，男，硕士研究生，主要从事核电站混
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江苏省苏州市西环路1788号苏州热工研究院有限公
司(215004)
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作者简介
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联系电话：
刘建民(1962一)，男，副教授，主要从事混凝土结构施
工、设计及抗震研究。
西安市长安区西北工业大学力学与土木建筑学院
(710129)
13629272363

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