混凝土碳化速率系數(shù)的多因素模型

黃 國 理

(廣東省建工設計顧問有限公司，廣東 廣州 510075)

0 引言

混凝土的碳化是混凝土最常見的耐久性問題，大氣中的CO2通過混凝土的孔隙進入混凝土內部并與混凝土中的堿性物質發(fā)生反應，使混凝土堿性下降，導致混凝土中的鋼筋鈍化膜被破壞，進而引起鋼筋銹蝕。碳化速率系數(shù)反映了混凝土的抗碳化能力，因此分析混凝土碳化速率系數(shù)的影響因素對混凝土耐久性設計具有重要的意義。

近年來，國內外學者對混凝土碳化速率影響因素做了大量的研究，并建立了相應的預測模型。這些預測模型主要從以下幾個方面描述影響混凝土碳化速率系數(shù)的因素。基于CO2在混凝土中的擴散過程的阿列克謝耶夫模型[1]和Padakis模型[2]；主要考慮水灰比影響的經驗模型如：岸谷孝一模型[3]、依田彰彥模型[4]、朱安民模型[5]等。結合環(huán)境因素與材料因素的經驗模型如：龔洛書模型[6]、Richardson模型[7]、黃士元模型[8]和張海燕模型[9]?？紤]混凝土抗壓強度的經驗模型如：前蘇聯(lián)碳化模型[10]、牛荻濤碳化模型[11]、邸小壇碳化模型[7]、德國Smolczyk模型[4]等?；贑O2擴散理論并考慮環(huán)境與材料因素的半理論半經驗模型如：張譽模型[12]、劉亞芹模型[13]、CEB Task Group模型[14]等。上述模型雖然考慮的影響因素眾多，具有一定的應用范圍，但是沒有反映材料因素如礦物摻合料種類與摻量對混凝土碳化速率系數(shù)的影響規(guī)律，缺少基于材料因素如水膠比、粉煤灰、礦粉的混凝土碳化速率系數(shù)多因素模型。

鑒于此，本文通過收集的在標準環(huán)境下暴露28 d的混凝土加速碳化試驗數(shù)據(jù)，分析了混凝土材料因素如水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量對混凝土碳化速率系數(shù)的影響規(guī)律，進而建立了考慮水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量的混凝土碳化速率系數(shù)多因素模型，為混凝土抗碳化性能的耐久性分析與設計提供了基礎。

1 影響因素分析

為了控制碳化環(huán)境因素的影響，本文選用通過GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法標準中快速碳化試驗方法得到的混凝土碳化速率系數(shù)試驗數(shù)據(jù)，其標準環(huán)境條件為：溫度(20±2)℃，濕度(70±5)%，CO2濃度(20±3)%?；谏鲜鲈囼灄l件可獲得碳化時間為28 d的混凝土碳化深度試驗數(shù)據(jù)，進而由式(1)求得混凝土碳化速率系數(shù)[15]：

(1)

其中，X為混凝土碳化深度，mm；t為混凝土的碳化時間，d；k0為混凝土碳化速率系數(shù)，mm/d1/2。由于采用了標準碳化試驗條件，所以混凝土碳化速率系數(shù)主要受材料參數(shù)如水膠比(RW/B)、粉煤灰摻量(RFA)以及礦粉摻量(RSG)的影響，因而混凝土碳化速率系數(shù)多因素預測模型可以用函數(shù)k0(RW/B,RFA,RSG)表示。

1.1 水膠比的影響

水膠比是影響混凝土孔結構的重要因素，水膠比越大，CO2進入混凝土的速度越快，混凝土碳化速率系數(shù)越大。由圖1a)所示，基于文獻[16][19]的試驗數(shù)據(jù)，可得混凝土碳化速率系數(shù)隨水膠比呈線性增大趨勢，所以可以將水膠比(RW/B)與碳化速率系數(shù)(k0)的關系描述為：

(2)

1.2 粉煤灰摻量的影響

在混凝土中摻加粉煤灰后，粉煤灰中的活性物質與水泥反應，使得水泥水化生成的可碳化物質減少，混凝土碳化速率加快。由圖1b)可知，基于文獻[20][21]的試驗數(shù)據(jù)，隨著粉煤灰摻量(RFA)的增大，混凝土碳化速率系數(shù)呈線性增大趨勢：

(3)

1.3 礦粉摻量的影響

隨著礦粉摻量的增加，水泥生成的可碳化物質減少，從而使碳化速率系數(shù)增大。由圖1c)可知，基于文獻[22]的試驗數(shù)據(jù)，隨著礦粉摻量的增加，混凝土碳化速率系數(shù)呈線性增長趨勢，由此可以將礦粉摻量(RSG)對碳化速率系數(shù)(k0)的影響描述為：

(4)

2 碳化速率系數(shù)的多因素模型

根據(jù)上文的分析，綜合考慮水膠比(RW/C)、粉煤灰摻量(RFA)和礦粉摻量(RSG)的影響，結合式(2)～式(4)，可以建立混凝土碳化速率系數(shù)的多因素預測模型：

(5)

其中，k0為混凝土碳化速率系數(shù)的預測值,mm/d1/2；α=[α1,α2,…,α6]T為擬合參數(shù)。將式(5)展開，并將擬合參數(shù)α合并可得：

(6)

其中，b=[b1,b2,…,b7]T為擬合參數(shù)。由式(6)可知，復摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)模型包含7個擬合參數(shù)，由于并非所有的展開項都對預測模型的計算精度具有顯著影響，因此可以采用逐步回歸分析法[23]剔除式(6)中的不顯著項，從而將式(6)簡化為：

(7)

其中，k=[k1,k2,k3,k4]T為擬合參數(shù)?；谙嚓P文獻[16]～[22],[24]～[31]中的試驗數(shù)據(jù)，可以確定擬合參數(shù)k?；炷撂蓟俾氏禂?shù)的多因素計算模型如式(8)所示。

混凝土碳化速率系數(shù)模型值與碳化速率系數(shù)試驗值的對比如圖2所示。圖2中橫坐標為根據(jù)式(8)計算的碳化速率系數(shù)計算值，縱坐標為碳化速率系數(shù)試驗數(shù)據(jù)；圖上數(shù)據(jù)點與等值線越接近，表示模型計算結果越精確。由圖2可知，圖上數(shù)據(jù)點基本分布在30%的誤差線內，說明所建立的碳化速率系數(shù)多因素模型具有不錯的精度，且能較好的反映混凝土碳化速率系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量之間的關系。

(8)

3 模型的對比分析與驗證

由上節(jié)得到的混凝土碳化速率系數(shù)模型式(8)，與文獻[12]中提出半理論半經驗模型進行對比分析與驗證，選用相關文獻[17][18][22][25][27]～[29][32][33]中的試驗數(shù)據(jù)，對比結果如表1,圖3所示。由表1可得，本文模型的殘差均方差均較小，且相關系數(shù)均較大，說明本文模型具有較高的計算精度和良好的適用性。由圖3a)可得，對于普通混凝土，文獻[12]模型的計算結果偏低；由圖3b)可得，當添加礦物摻合料時，文獻[12]模型的計算結果偏高，原因在于礦物摻合料混凝土的水灰比偏大，且沒有考慮礦物摻合料種類和摻量的影響，因此計算誤差較大。

表1 本文模型與文獻模型計算精度對比

4 結語

1)基于混凝土快速碳化試驗數(shù)據(jù)，分析了水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量對混凝土碳化速率系數(shù)的影響。結果表明，混凝土碳化系數(shù)模型與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量均為近似為線性增長關系。

2)通過逐步回歸方法，建立了綜合考慮水膠比和礦物摻合料摻量的普通混凝土、摻加粉煤灰混凝土、摻加礦粉混凝土以及復摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)多因素計算模型。

3)通過其他文獻模型與試驗數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了本文模型的有效性和適用性，為混凝土抗碳化性能的耐久性設計提供了基礎。

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