混凝土中性化研究進展★

劉勇　羅克嵩　謝愛麗　黃瀅

（江西科技師范大學建筑工程學院，江西南昌　330000）

?

·建筑材料及應用·

混凝土中性化研究進展★

劉勇羅克嵩謝愛麗黃瀅

（江西科技師范大學建筑工程學院，江西南昌330000）

摘要：介紹了酸與硫酸鹽對混凝土的侵蝕過程，從侵蝕強度、酸化深度、彈性模量等方面，建立了混凝土侵蝕模型，闡述了混凝土中性化的研究進展，提出了一些改良混凝土實驗方法與完善數值模擬的建議。

關鍵詞：混凝土，酸雨，侵蝕強度，數值模擬

根據中國氣象數據平臺統計的數據顯示，近十年，全國同類酸雨城市、較重酸雨城市、重酸雨城市的比例總體在不斷下降，僅2005年—2011年，分別降低5. 5%，8. 1%和6. 7%，其中浙江、上海全境的酸雨頻率在25%以上，江西、福建有80%地區的酸雨在25%以上；但在總體趨勢下降的情況下，重慶、上海、福建的酸雨頻率升幅在10%以上［1］。

酸雨主要分布在長江以南、青藏高原以東的120萬km2。對混凝土受到的化學（酸雨）腐蝕、物理荷載等中性化的研究也是在這樣的環境下產生的，研究混凝土中性化對預判混凝土壽命，對做好安全防護措施有較大意義；從研究模擬方法到實驗驗證的過程，許多的線性數理模型概念、實驗技術手段都得到了應用，本文主要就是介紹過程中出現不同的概念和技術［2］。

1　混凝土侵蝕

混凝土是堿性材料，由于內部水分很少，所以水泥水化產生的Ca（OH）2濃度很高，pH值（約13）很大。工業廢氣、汽車尾氣等有大量CO2，SO2和氮氧化物，這些氣體溶入大氣并與水發生液相氧化反應，最后形成酸雨；酸雨的主要成分中，陰離子有，， F-，Cl-，陽離子有，Mg2 +，Ca2 +，Na+，K+等。王昌永的結果表明，反應產物均分別以溶解型化學腐蝕和膨脹型化學腐蝕這兩種方式對混凝土產生破壞作用［3］。

空氣中有大量的CO2氣體，它會滲透進混凝土的孔隙與毛細管中，進而擴散于毛細管中的液體，與水泥的水化產物Ca（OH）2等相互作用，達到酸化混凝土的效果，碳化作用的快慢主要取決于CO2的擴散速度。CO2繼續深入后與鋼筋反應，產物的體積變大，使鋼筋混凝土破壞過程為Fe→FeO→Fe3O4→Fe2O3→Fe（OH）2→Fe（OH）3→Fe（OH）3·3H2O。碳化過程可由下列反應式表示：

1.1酸侵蝕

CO2與SO2等酸性氣體溶于水形成酸性液，酸性液與混凝土成分反應生成易溶于水的物質，對混凝土造成逐層破壞；酸同時破壞孔隙結構的凝膠體，降低混凝土的強度［4］。酸腐蝕過程可由下列反應式表示：

1.2硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽腐蝕是使混凝土發生膨脹，即膨脹性腐蝕。硫酸鹽腐蝕分為鈣礬石型腐蝕、石膏型腐蝕和結晶型腐蝕［5］。腐蝕過程可由下列反應式表示：

2　模型研究

侵蝕模型在得到化學、物理機理后建立，包括侵蝕強度、酸化深度、彈性模量等。

國內方面，周飛鵬提出用量綱分析原理，原理中的π原理提到混凝土的強度和侵蝕時間、酸化深度、SO2 -4濃度、H+濃度之間的關系。建立侵蝕強度模型，假定侵蝕后混凝土的強度（F，量綱：Pa）和初始強度（f，量綱：Pa）、酸化深度（X，量綱：mm）、時間（t，量綱：d）、SO2 -4濃度（S，量綱：mol/L）、H+濃度（H，量綱：mol/L）因素關聯，量綱分析采用MKS制，主定參量六個，導出參量三個。主定參量六個中最大有三個線性無關，另外三個可以表示成它們的線性組合，關系式如下：

依據π定理得矩陣形式，解得后可以得強度損失率和各因素間的關系：

由π定理得：

再用同樣的方法建立酸化深度模型，假定酸化深度（X，量綱：mm）和初始強度（f，量綱：Pa）、H+濃度（H，量綱：mol/L）、時間（t，量綱：d）、SO2 -4濃度（S，量綱：mol/L）因素關聯，得關系式如下：

張英姿應用復合材料細觀損傷力學彈性模量模型，通過實驗室加速侵蝕實驗驗證模型與實驗數據相近，得侵蝕后混凝土彈性模量（E）關系式為［6］：

式中：C1——混凝土內孔洞的體積含量；

E0——侵蝕前材料彈性模量；

v0——泊松比。

陳夢成通過球壓痕法測試不同pH值模擬酸雨中的水泥砂漿應力—應變曲線，得水泥砂漿表面彈性模量EC關系式如下［7］：

式中：vm——水泥砂漿泊松比，取0. 15；

a——球壓痕半徑；

F——試驗加載荷載；

R——軸承鋼球（壓頭）半徑；

vq——軸承鋼球（壓頭）泊松比；

Eq——軸承鋼球（壓頭）彈性模量。

曹雙寅提出強度損失數學模型，假定1，受侵蝕的混凝土強度損失率（Rd/R）與侵蝕持續時間成正比；假定2，在侵蝕介質濃度不高時，受侵蝕混凝土的強度損失率與侵蝕介質的濃度成正比，則可得受侵蝕混凝土的強度損失模型為［8］：

式中：Rd——混凝土的強度損失；

R——未侵蝕混凝土的強度；

C——侵蝕介質的濃度；

T——侵蝕的持續時間；

T0——混凝土強度開始降低的時間；

Kd——介質對混凝土的蝕強率系數，通過實驗結果回歸，假定1與2均成立。

彭建新在Fick第二擴散定律的基礎上，綜合滲透系數、侵蝕時間、濃度和濕度、侵蝕濃度等因素，應用隨機微分方程理論建立隨機模型，建立Cl-侵蝕模型［9］。可表示為：

式中：C——氯離子濃度；t為結構暴露與氯離子環境中的時間；

x——侵蝕的深度；

D——氯離子在混凝土中的擴散系數；

C0——初始濃度；

Cs——表面濃度。

國外方面，V. Pavlik提出侵蝕深度與腐蝕濃度間的經驗公式，通過受酸雨侵蝕的混凝土的實驗結果進行線性回歸分析所得［10］，可表示為：

式中：c——侵蝕溶液的濃度，mol/L；

t——侵蝕時間，d；

d——混凝土受侵蝕深度，mm；

由侵蝕溶液組成、混凝土水灰比和養護條件綜合確定經驗系數k，m，n。

人們提出FicK擴散定律為回歸分析的侵蝕模型提供充足的理論基礎：

其中，（A + BW/C）為水灰比修正系數，其他同上。

Zivica Vladimir提出侵蝕度（CD）的概念，表述侵蝕的速率［11］，可表示為：

式中：η0——侵蝕溶液的濃度系數，η0= C/（ac+ bcC）；

C——侵蝕溶液的濃度；

ac，bc——與侵蝕條件有關的系數；

ηt——侵蝕溶液的系數，ηt= t/（ac+ bct）；

t——構件酸性侵蝕時間，d；

ηth——侵蝕溶液的侵蝕深度系數，ηth= a + bx + cx2；

x——酸性溶液的侵蝕深度，mm；

a，b，c——與侵蝕條件有關的系數。

岸谷孝一提出水灰比的經驗模型［12］：

式中：W/C——水灰比；

rc——水泥品種影響系數；

ra——骨料品牌影響系數；

rs——混凝土摻加劑影響系數。

3　數值模擬

數值模擬的本質就是用計算機進行實驗，利用計算機穩定快速的特性。模擬過程一般分為三個方面，首先要建立能夠解決問題的數學模型，把各影響變量間的關聯用微分方程表示，設定定解條件；其次要尋求高效率、高準確度的計算方法；最后編制程序進行計算，據實踐的反映，這是整個工作的主體。上述操作得到大量數據通過圖像顯示，完成圖像模擬工作。該方法的優點是能揭示許多實驗無法觀測的現象，解釋其破壞和強度變化機理。

王路平通過參數轉化，APDL編程，采用以有限元方法為基礎的ANSYS熱分析模塊，對CO2擴散系數和碳化反應速率分析，可實現混凝土結構碳化過程數值模擬，分析過程中加入混凝土所處的溫度、濕度和CO2濃度等環境因素的影響［13］；劉振平基于鋼筋混凝土矩形梁和預應力混凝土T形梁、ANSYS預應力混凝土做數值模擬，得出混凝土采用非線性彈性模型，混凝土壓碎開關關閉，鋼筋采用彈塑性模型，效果好精度高［14］；張德海建立梁—顆粒數值模型，對混凝土在單軸壓縮和拉伸載荷作用時微裂紋的萌生、擴展、貫通、產生宏觀裂紋進行數值模擬，結論給出最大拉應力分布狀況、混凝土拉伸應力—應變曲線和三點彎曲載荷—位移曲線［15］。

4　結語

對混凝土的中性化過程，是在一個單位時間內碳化、酸侵蝕對混凝土的重疊破壞作用，使混凝土有一個中性化的深度；隨著時間的變化，材料被中性化的深度在不斷的加深，最終使得鋼混結構失穩。人們現在多從碳化與酸蝕等因素通過一個耦合機制，將碳化與酸蝕結合在一個關聯公式內，從而對混凝土的性能變化有一個更精確的預算。

參考文獻：

［1］解淑艷. 2005年—2011年全國酸雨狀況分析［J］.環境監控與預警，2012，4（5）：33-37.

［2］趙艷霞. 1993年—2006年中國區域酸雨變化特征及成因分析［J］.氣象學報，2008，66（6）：1032-1042.

［3］王凱.混凝土酸雨侵蝕研究進展［J］.硅酸鹽通報，2014，33（9）：2264-2268.

［4］牛荻濤.承載混凝土酸雨侵蝕中性化試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2009，28（3）：411-415.

［5］周飛鵬.混凝土的酸雨腐蝕模型研究［D］.大連：大連理工大學，2005：8-11，14-17.

［6］張英姿.模擬酸雨環境下混凝土抗拉性能試驗研究［J］.建筑材料學報，2012，15（6）：857-862.

［7］陳夢成.江西省酸雨特征分析及預測模型［J］.環境科學與技術，2014，37（10）：167-170.

［8］曹雙寅.受腐蝕混凝土的力學性能［J］.東南大學學報，1991，21（6）：89-95.

［9］彭建新.氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土氯離子擴散系數試驗及其概率分析［J］.中國公路學報，2014，27（6）：77-83.

［10］V. Pavlik. Effect of carbonates on the corrosion rate of cement mortars in nitric acid［J］. Cement and Concrete Research，2000，33（3）：481-489.

［11］Zivica Vladimir. Acidic attack of cement based materials-Areview. Part3：Research and test methods［J］. Construction and Building Materials，2004，18（9）：683-688.

［12］岸谷孝一.鋼筋混凝土建筑物中鋼筋的腐蝕問題［J］.水利水運科學情報，1975（z1）：183-203.

［13］王路平.溫濕度條件耦合作用下的混凝土結構碳化數值分析［J］.中國西部科技，2011，10（2）：17-24.

［14］劉振平.基于ANSYS的預應力混凝土梁的非線性分析［J］.湖南交通科技，2007，33（4）：56-61.

［15］張德海.混凝土破壞過程的數值模擬［J］.東北大學學報

（自然科學版），2004，25（2）：175-178.

Research progress of concrete neutralization★

Liu Yong Luo Kesong Xie Aili Huang Ying
（College of Building Engineering，Jiangxi Normal University of Science & Technology，Nanchang 330000，China）

Abstract：The paper introduces the erosion process of acid and sulfates upon concrete，establishes concrete erosion model from aspects of erosion strength，acidizing and elastic modulus，describes concrete neutralization research progress，and finally puts forward some suggestions of improving concrete testing methods and perfecting numerical simulation.

Key words：concrete，acid rain，erosion strength，numerical simulation

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0112-03

收稿日期：2016-01-16★：江西科技師范大學大學生創業、科研基金項目（項目編號：20150903006）；江西科技師范大學校級科研項目（項目編號：300098010502）

作者簡介：劉勇（1994-），男，在讀本科生；羅克嵩（1994-），男，在讀本科生；謝愛麗（1993-），女，在讀本科生；黃瀅（1978-），女，講師，國家一級注冊結構工程師