基于數(shù)值模擬的混凝土碳化環(huán)境影響因素研究

□孟衛(wèi)濤

基于數(shù)值模擬的混凝土碳化環(huán)境影響因素研究

□孟衛(wèi)濤

混凝土碳化是影響混凝土建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的不利因素之一，混凝土碳化反應(yīng)是CO2在混凝土建筑物結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散的結(jié)果。對(duì)比碳化反應(yīng)中CO2在混凝土中擴(kuò)散與熱傳導(dǎo)中熱量傳遞的相似性，利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)不同環(huán)境因素下的混凝土碳化進(jìn)行數(shù)值模擬，分析環(huán)境溫度、濕度和CO2濃度對(duì)混凝土碳化的影響。

碳化；數(shù)值模擬；水閘

混凝土碳化是一個(gè)復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程，具體為水泥中的水化物與周圍環(huán)境中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鹽，而使混凝土趨于中性化的現(xiàn)象。碳化混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變化，使混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高，抗拉強(qiáng)度和混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能則顯著降低。

1.混凝土碳化過程

取混凝土結(jié)構(gòu)碳化部分內(nèi)一微元體進(jìn)行碳化分析，設(shè)微元體各邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz，則根據(jù)碳元素質(zhì)量守恒定律，CO2通過微元體的碳化過程可表示為：

式中C、Cin、Cout和Cr分別表示微元體內(nèi)CO2含量、進(jìn)入、流出和碳化反應(yīng)消耗的CO2含量。

考慮混凝土是各向同性的均質(zhì)體，CO2在混凝土介質(zhì)的擴(kuò)散也是各向同性的，混凝土碳化的微分方程可表示為：

式中P、t、D分別為混凝土內(nèi)的CO2濃度，碳化反應(yīng)時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)；▽為拉普拉斯算子。

2.碳化與熱傳導(dǎo)過程相似性

瞬態(tài)熱分析中溫度場(chǎng)變量微分方程：

在熱傳導(dǎo)問題中，熱量從一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)或者由系統(tǒng)的一部分傳到另一部分，而混凝土的碳化過程則可看成是CO2由環(huán)境中進(jìn)入到混凝土中擴(kuò)散的過程?！?br>