混凝土碳化機(jī)理及時(shí)間效應(yīng)模型研究

摘 要：混凝土碳化的時(shí)間效應(yīng)是土木工程中一個(gè)重要的研究課題。首先，從內(nèi)部因素、環(huán)境因素、施工因素等三方面分析了混凝土碳化的主要影響因素。接著，分析了混凝土碳化時(shí)間效應(yīng)的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行了歸納總結(jié)，建立了廣義碳化模型。最后，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬和誤差分析，指出了廣義碳化模型的適用范圍。

關(guān)鍵詞： 混凝土；碳化深度；時(shí)間效應(yīng)；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1 前言

混凝土碳化（concrete carbonation）是指水泥石中的水化產(chǎn)物與環(huán)境中的二氧化碳發(fā)生作用， 生成碳酸鈣或其他物質(zhì)的物理化學(xué)過程[1-2]。其碳化深度隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸增大，通常稱之為碳化時(shí)間效應(yīng)。隨著碳化深度的增加，混凝土構(gòu)件的有效截面將逐漸減小，混凝土中的鋼筋將會逐漸銹蝕，進(jìn)而削弱結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，縮短混凝土工程的使用壽命[3-4]。因此， 建立混凝土碳化模型， 預(yù)測碳化深度的發(fā)展過程， 對于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耐久性的分析和結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測有重要意義。

2 混凝土碳化影響因素

2.1 內(nèi)部因素

混凝土中增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實(shí)性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備。因此，水泥用量越大，混凝土強(qiáng)度越高，其碳化速度越慢。另外，水泥品種對碳化速度也有重要影響，試驗(yàn)表明[2]，在相同條件下高爐礦渣水泥碳化速度最快，早強(qiáng)水泥對應(yīng)的速度最慢。

2.2 環(huán)境因素

溫度、濕度、光照都是影響碳化的外界因素。混凝土碳化與光照和溫度有直接關(guān)系。隨著溫度提高，二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散逐漸增大，為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，碳化速度加快。二氧化碳溶于水后形成碳酸才能和氫氧化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干燥時(shí)，混凝土碳化無法進(jìn)行。由于混凝土的碳化本身是一個(gè)釋放水的過程，環(huán)境相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化進(jìn)一步進(jìn)行。試驗(yàn)表明，相對濕度在50%～70%之間時(shí)，混凝土碳化速度最快。

2.3 施工因素

施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí)、養(yǎng)護(hù)不善，造成混凝土密實(shí)低、蜂窩麻面多，為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土養(yǎng)護(hù)狀況對碳化也有一定影響。混凝土早期養(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。

3 混凝土碳化的時(shí)間效應(yīng)模型

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且钥焖偬蓟囼?yàn)與室外暴露試驗(yàn)，以及實(shí)際工程碳化調(diào)查為基礎(chǔ)而建立的模型，對實(shí)際工程有較大意義[1，2，4]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸降挠?jì)算一般較為方便，其系數(shù)選取需要結(jié)合實(shí)際工程。

3.1 傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

以水灰比（W/C）為主要變量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕灾彀裁衲Ｐ秃蚇ishi 模型為代表，其相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式分別見公式（1）和公式（2）：

（1）

（2）

以水灰比（W/C）和水泥用量（C）為因素的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕咱⌒Ｐ秃蛷埩蠲Ｐ蜑榇恚浔磉_(dá)式分別為公式（3）和公式（4）：

（3）

（4）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诳紤]了抗壓強(qiáng)度、使用環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件和水泥品種等影響因素的基礎(chǔ)上，以混凝土抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)，牛荻濤提出了碳化深度的計(jì)算公式：

（5）

以上公式中，y表示碳化深度，t表示碳化時(shí)間，其它符號的意義參見具體文獻(xiàn)。

3.2 廣義碳化模型

以上碳化深度時(shí)間效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫搅溯^為廣泛的應(yīng)用。雖然表達(dá)方式各不相同，但它們均為時(shí)間t的0.5次方，總體可歸結(jié)為統(tǒng)一的模型公式，隱含著碳化深度的平方與時(shí)間成正比：

（6）

式中，u、v為綜合影響系數(shù)。上式是對公式（1）-（5）的廣義數(shù)學(xué)概括，暫且稱之為“廣義碳化模型”。

從數(shù)學(xué)本質(zhì)上講，傳統(tǒng)模型和廣義碳化模型一樣，均是僅有一個(gè)獨(dú)立的模型參數(shù)u或v。

3.3 模型驗(yàn)證

采用廣義碳化模型公式（6）分別對C20、C40、C60等不同強(qiáng)度混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合模擬，結(jié)果見圖1，圖1中的實(shí)測數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[5]。為了進(jìn)一步說明模型的精度，把不同強(qiáng)度的混凝土的模擬誤差繪于圖2。

圖1 碳化時(shí)間效應(yīng)實(shí)測與模擬 圖2 模擬誤差分布圖

由圖1和圖2可見：

（1）廣義碳化模型的趨勢與混凝土碳化時(shí)間效應(yīng)相同；

（2）廣義碳化模型對高強(qiáng)度混凝土的碳化時(shí)間效應(yīng)模擬較好，對低強(qiáng)度混凝土模擬存在較大誤差；

（3）模擬誤差總是呈現(xiàn)先負(fù)后正的分布態(tài)勢，這一態(tài)勢與混凝土強(qiáng)度等級無關(guān)；

（4）誤差的分布態(tài)勢可能是模型只有一個(gè)獨(dú)立的變量這一局限性造成的。

4 結(jié)束語

文章對混凝土碳化的時(shí)間效應(yīng)從機(jī)理、影響因素、時(shí)間效應(yīng)模型等三方面進(jìn)行了分析，并對時(shí)間效應(yīng)模型的公式進(jìn)行了歸納。通過不同強(qiáng)度混凝土的實(shí)測數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)碳化模型的精確性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明傳統(tǒng)模型存在較大的擬合誤差，這可能與傳統(tǒng)模型僅有一個(gè)獨(dú)立的模型參數(shù)有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立更為合理的多參數(shù)數(shù)學(xué)模型，還待進(jìn)一步研究。

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作者簡介：徐菁菁（1983-），女，浙江臺州，浙江五聯(lián)建設(shè)有限公司。