基于在役工程的混凝土結構碳化深度研究

張 凱 過民龍 楊仕超 李新鋼 馬 揚

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1 背景

現有的調查報告顯示，處于海洋環境的建筑壽命一般不超過20年，其他環境下也有相當數量工程使用25年之后就需要進行大修。一般僅為15-20年。許多工程由于年代久遠，或使用摻有輔助膠凝材料（如粉煤灰、石灰石、高爐礦渣等）的結構由于碳化作用，導致鋼筋銹蝕、混凝土開裂等現象，嚴重危害結構的可靠性和安全性，工程實踐已表明大量混凝土結構提前失效主要源于混凝土結構耐久性的不足[1,2]。

碳化過程本質上主要是是水泥水化產物Ca(OH)2和硅酸鈣水合物（C-S-H）與CO2形成經復雜物理、化學過程生成CaCO3和水的反應[3]。世界范圍內，各國在工程設計、建造過程中，都充分考慮了因碳化造成的結構破壞的影響，并在科學研究和實際施工過程中積累的大量的研究成果。本研究在系統總結碳化機理、碳化深度模型基礎上，結合在役工程，對比研究了各種模型的優缺點，為既有工程的維修、加固改造、耐久性設計和服役壽命預測提供依據。

2 混凝土碳化模型

2.1 ，基于擴散理論的數學模型

文獻鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕與保護[4]中介紹了CO2在混凝土中的傳輸過程滿足Fick第一定律，并以Fick第一定律為理論基礎推導出了碳化深度公式：

希臘學者Papadakis[5]等從化學反應動力學和質量守恒條件入手研究水泥水化和碳化的速率，在上式基礎上建立了碳化模型：

上述幾種理論模型有共同的特征，即公式中的參數都有明確的物理意義，但碳化前，混凝土中可碳化的Ca(OH)2、CSH的含量及碳化后混凝土的總孔隙率等數據通常無法確定，且計算值與實測值CO2相差較大，因而模型的實際工程應用性不強。

2.2 ，經驗模型

為了獲得各種理論模型中的參數，研究人員采用試驗與實際相結合的研究思路，通過室內快速碳化、室外暴露試驗與在役工程實際碳化調研進行對比研究。根據所研究的影響因素差異，不同研究者提出了多種碳化深度的經驗模型：

（1）水灰比經驗模型

專著鋼筋混凝土耐久性[6]基于室內快速碳化試驗和室外自然暴露試驗分析，推導出了預測混凝土碳化深度的公式：

模型中：W/C表示水膠比；rc、ra、rs表示水泥種類、骨料種類、外加劑的影響系數。

上述岸谷孝一關于混凝土碳化深度的計算公式獲得了工程界的認可，并在日本的建筑學會編制的《鋼筋混凝土結構設計計算規范》中被采用，主要涉及混凝土保護層厚度。

山東建科院朱安民[7]等以水灰比為主要影響因素，給出了碳化深度經驗公式如下：

但是，由于水灰比不能全面反映混凝土的質量，且實際工程中水灰比很難確測得，限制了改模型得發展和應用。

（2）混凝土抗壓強度的經驗模型

牛荻濤等[8]在文獻預測混凝土碳化深度的隨機模型中介紹了將國內外長期暴露試驗與在役工程調查的碳化數據統一換算到標準環境(C0=0.03%，RH0=71%，T0=13℃)下進行擬合分析的情況。結果顯示，混凝土碳化深度服從正態分布。以碳化理論為依據，構建了以環境條件與混凝土質量影響為主的預測混凝土碳化深度的經驗模型：

模型中，k表示碳化系數，kj表示角部修正系數，Kco2表示濃度影響系數，，Cco2表示環境co2濃度（%）；kp表示澆筑面修正系數；ks表示工作應力影響系數；T表示環境年均氣溫（℃）；RH表示環境年均相對濕度（%）；fcuk表示混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa)，是隨機變量；Kmc表示碳化計算模式不定性系數。

該模型中，在不考慮交互作用在混凝土二維碳化中的作用時，kj在角部時為1.4，非角部時為1.0。實際上，互作用是存在的，孫偉等通過對混凝土的二維、三維碳化進行了試驗研究得以證實，并通過擬合研究，得出二維、三維碳化與對應的一維碳化之間的關系。

邸小壇[9]在文獻混凝土碳化規律的研究中統計分析了長期混凝土碳化數據，充分考慮了水泥、環境和養護修正系數的影響，并提出了以混凝土抗壓強度為主要參數的經驗模型：

模型中，fcuk表示混凝土抗壓強度標準值（MPa）；表示養護條件修正值，標準養護28d取1.0；表示水泥品種修正值，對普通硅酸鹽水泥取1.0；表示環境條件修正系數，給出了部分城市的建議參數，并將環境條件的修正分為室內與室外，工業與民用。

張海燕[10]等人在文獻混凝土碳化深度的預測模型中的研究以混凝土強度、環境條件和服役時間為混凝土碳化深度主要影響因素, 研究了諸因素對混凝土碳化速度的影響和規律, 計算出了預測混凝土碳化深度的模型：

德國Smolczy[11]通過對高強混凝土研究，提出了無碳化深度預測方法：

該模型觀點認為混凝土強度達到62.5MPa時，混凝土的碳化可以忽略不計，定義fg為混凝土碳化的極限強度，fg=62.5MPa。

2.3 ，半理論半經驗模型

張譽等[12]在文獻基于碳化機理的混凝土碳化深度實用數學模型研究中，以擴散理論及碳化機理為理論基礎，構建了混凝土碳化實用數學模型：

模型中：RH表示環境相對濕度，%，RH＞55%時適用；w/c 表示水膠比；C表示每立方混凝土水泥用量，kg /m3；C0表示環境中CO2氣體濃度，% ;表示水泥水化程度修正系數;表示水泥品種修正系數; t表示碳化時間，d。

LIFECON[13]參照既有文獻給出了全概率碳化模型：

DuraCrate[14]將混凝土有效抗碳化能力表征為：

FIB[15]針對上述抗碳化能力的模型進行了優化，提出了如下碳化深度公式：

模型中：ke表示環境對擴散系數影響的常數；kc表示施工對擴散系數影響的常數；kt表示回歸系數;為誤差項；Cs為混凝土表面CO2質量濃度，kg /m3；t為服役壽命，s；t0為參考期；n為CO2的中觀環境對有效擴散系數隨時間變化的影響。

3 在役工程的模型驗證

3.1 ，工程案例

廣州市花都區一屋面梁，至檢測時已使用2 a，環境平均溫度為22℃，平均濕度為77%，鉆芯法取樣屋面梁混凝土強度為30.7 MPa，混凝土強度設計值為C30，該建筑環境二氧化碳（CO2）濃度為420 ppm，混凝土應力狀態影響系數ks為1.2，采用32.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量為350 kg/m， 水灰比為0. 50，結構為自然養護，經現場取樣測試，碳化深度達到了2.5mm。

3.2 ，碳化計算

本文以上述基于混凝土抗壓強度的經驗模型為理論基礎，對既有結構進行碳化計算。將所得計算值xc與實測值xs進行誤差對比， 計算結果見表1：

表1 不同碳化深度公式計算結果

3.3 ，結果分析

由表1可知，牛荻濤模型的預測結果誤差最小，為13.8%，該模型除了考慮了抗壓強度主要變量，同時，還考慮了環境溫度、相對濕度、二氧化碳（CO2）濃度及實際施工情況的影響。張海燕模型的預測誤差相對較小，為29.4%，主要是由于其沒有考慮施工因素的影響，但也具有一定的參考價值。而邸小壇和Smolczyk模型碳化深度計算模型相對簡單，考慮的影響因素較少，所以其預測結果與實測值偏差較大（其中邸小壇模型為78.6%，Smolczyk模型 為40.7%），不具有實際指導作用。

4 結論

（1）現有混凝土碳化模型主要有基于擴散理論建立的理論模型、經驗模型和半理論半經驗模型。這些不同模型一致認為，混凝土的碳化深度與碳化時間的平方根成正比。

（2）擴散理論模型各參數具有明確物理意義，但具體參數難以測定，不具有實際應用價值。經驗模型建立在混凝土抗壓強度基礎上，便于測定，是目前行業標準采用的依據。半經驗半理論模型將理論與實踐結合，是未來預測碳化深度的發展趨勢。

（3）由既有工程碳化深度預測值與實測值的比較可知，充分考慮了混凝土抗壓強度、環境條件和施工因素的牛狄濤和張海燕模型計算值與實測值誤差較小，較為可靠，都具有良好實際應用價值。