基于碳化耐久性的混凝土全壽命預測的探討

何小軍 安 賽 菅迎賓 申培 董勝歡

（1.石家莊鐵路職業技術學院，河北 石家莊 050041；2.冀南技師學院,河北 邯鄲 056000；3.河北科技師范學院，河北 秦皇島 066000）

0 引言

混凝土壽命本質取決于混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕程度。為了探索碳化對混凝土壽命的影響，現對混凝土碳化做大量試驗研究和理論分析。其實，混凝土碳化會加大混凝土的強度，對混凝土本身并沒有太大的影響。但需要注意的一點是，碳化會導致混凝土收縮，收縮會使得混凝土表面出現裂縫，進而混凝土的抗拉強度和抗折強度也隨之降低。所以，碳化本質上是破壞了混凝土的結構，使得混凝土內部的鋼筋發生銹蝕進而降低了混凝土的使用壽命。

1 混凝土碳化的理論

1.1 混凝土碳化的定義與碳化機理

混凝土是一種常見的建筑材料，內部多空存在大量空隙。混凝土的碳化就是大氣中的CO2通過這些空隙向內部滲透，和混凝土中的堿性物質發生了化學反應，由此產生了大量的碳酸鈣和水，主要的化學反應式如下：

這是一個緩慢而復雜的化學過程，最終會讓混凝土的堿度降低趨向于中性。當發生反應的混凝土厚度大于混凝土保護層的厚度時，混凝土內部的鋼筋表面的鈍化膜就會遭到破壞，出現銹蝕。銹蝕會使鋼筋在長度方向出現縱向的裂縫，鋼筋的體積會由于內部受到擠壓而膨脹，鋼筋表面的保護層會被撐開而脫落，這就是混凝土結構被破壞的過程。

1.2 混凝土碳化的研究背景和研究意義

混凝土由于其具有良好的耐久性，因此成為建筑工程領域中應用最廣泛的一種建筑材料。然而，由于受多種因素的影響，混凝土在使用中仍舊存在材料老化、腐蝕等問題，這大多是由于混凝土的碳化導致鋼筋銹蝕引起的。所以，無論是對混凝土的碳化和耐久性進行深入研究，對混凝土的碳化程度進行預測計算，還是對建筑耐久性的評定和設計、維修加固，都對其全壽命預測有著十分重要的意義。

2 混凝土全壽命預測的試驗方法

混凝土的使用壽命受到材料性能、細部構造、暴露狀態等因素及其各因素間的綜合作用影響。因此，混凝土全壽命預測的試驗往往是對這些因素的綜合作用的研究。由于各因素間綜合作用的機理十分復雜，目前對混凝土的全壽命預測的試驗只能選取其中一個影響因素作為變量，其他影響因素作為定量，以此假定條件進行分析。現針對幾種預測試驗方法闡述如下：

2.1 比較預測法

這種方法存在這樣的假設條件：混凝土在某一期限內是經久耐用的，則相似環境下相似的混凝土也應該具有同樣的壽命。然而，在實際的工程項目中，每一個建筑工程的混凝土結構、形狀、環境等因素都各不相同，所以用這種方法進行壽命預測存在一定局限性，因此在實際中的應用較為少見。

2.2 經驗預測法

這種方法是根據項目現場大量的試驗結果及實驗室大量的研究，并在汲取以往項目經驗的基礎上，對混凝土的使用壽命進行預測。但這種方法存在局限性，當混凝土結構設計周期較長，或者混凝土的環境較為惡劣，或是混凝土結構加固過程中其結構狀態發生了較大的改變，這樣的預測方式就十分不可靠。

2.3 隨機預測法

由于混凝土的使用壽命受到各種隨機變量的影響，甚至某些變量會隨時間的變化而發生變化，所以對混凝土進行全壽命預測進行定量分析，顯而易見是十分不合理的。因此，采用隨機預測的方法對混凝土進行全壽命預測是一種十分不準確的預測方法。

2.4 數學模型預測法

這種方法預測的準確度較高，主要是因為材料的選擇和環境參數的選取以及模型都具有合理性。這種數學模型的預測方法較為完善，因此在實際工程項目應用中較為廣泛使用，具體有馬爾可夫模型、灰色模型等。

2.5 智能預測法

隨著科學技術的發展，智能化也開始投入到實際工程項目中的某些特定參數的預測，例如神經網絡預測法、模糊數學理論預測法等等。智能系統具有很強的優化能力和學習能力，能夠很好地應對混凝土結構衰退過程中發生的不確定因素。

綜上對混凝土全壽命預測的五種實驗方法都屬于確定性方法。就是將影響混凝土結構使用壽命的某一個影響因素作為變量，其他影響因素作為定量進行試驗研究，經研究得到的壽命預測結果就是具備平均參考意義上的使用壽命。由于影響混凝土結構碳化耐久性的各因素都存在隨機性，所以應用概率對基于碳化耐久性的混凝土全壽命預測進行實驗研究是比較合理的。

3 碳化對混凝土全壽命預測的影響

從混凝土的碳化機理可以知道，影響碳化的主要因素本質是混凝土的滲透性和其含有的堿性物質的影響。那么，分析碳化對混凝土結構和性能的影響就是分析碳化對混凝土全壽命預測的影響，下面對此展開分析。

3.1 碳化對混凝土結構的影響

當混凝土發生碳化時，混凝土結構的孔徑和總孔隙率都會減少。例如，將砂漿試件濕養28d 后，放入溫度為20℃、相對濕度為60%，CO2濃度為10%的碳化箱中，觀察16 周后的孔結構變化。我們可以看到，當試件發生碳化后，碳化區的孔隙總體積明顯減少，孔徑明顯減小，而未碳化區的孔隙總體積和孔徑沒有明顯改變。這就說明，混凝土在發生碳化時，由于CO2通過孔隙在混凝土內部發生了碳化反應，導致混凝土的結構遭到了破壞。

3.2 碳化對混凝土性能的影響

3.2.1 質量的影響

混凝土發生碳化會使質量增加。從上文混凝土的碳化機理化學反應方程式可以看出，由于混凝土吸收了二氧化碳釋放出了碳酸化合物和水，所以混凝土總質量會增加。一般來說，混凝土本身具備一定的厚度，當發生碳化時很難影響到混凝土中心的鋼筋。為了測定混凝土發生碳化反應所產生的質量，可以設置將水灰比為0.65 的試件放入溫度為20℃、相對濕度為60%的碳化箱中養護3 個月，最后得到的試驗結果是混凝土的總質量下降了約0.9%；而在同樣的溫度、濕度條件下，放入10%的二氧化碳，碳化箱中的質量約增加了1.2%。由此可見混凝土碳化時的確發生了質量的增加。

3.2.2 體積的影響

混凝土發生碳化時，體積會收縮，這是由于受到了濕度的影響。先后設置了先干燥后碳化、干燥和碳化同時進行、只進行碳化三種情況的實驗，我們可以發現，當相對濕度為50%時，體積收縮最大。這說明了當混凝土的含水量增加并達到一定量時，二氧化碳向混凝土內部擴散的速度會逐漸降低甚至終止，混凝土的碳化速度也會減慢。

3.2.3 抗壓強度的影響

將濕養28d 的試件放在溫度為21℃、相對濕度為50%、CO2濃度為9%的碳化箱中加速碳化3d，將得到的混凝土的抗壓、抗折強度及彈性模量數據進行列表對比分析，如表1 所示：

表1 碳化混凝土力學性能

我們可以看到，混凝土碳化后抗壓強度有提高。這是因為混凝土碳化時生成的碳酸鈣密實了混凝土的結構。需要注意的是，實驗條件下的試件碳化反應是在設定好的養護環境中進行的，受到的影響因素少。而實際的混凝土構筑物由于受到多種因素的影響，其碳化的程度會增加，因此實際的混凝土構筑物的強度會有所下降。

3.2.4 堿度的影響

當混凝土的pH 值達到較高的堿度時，鋼筋的表面會形成一層鈍化膜，可以有效對鋼筋進行保護。隨著碳化反應的進行，pH 值會逐漸降低。當達到碳化完全發生時，混凝土的pH 值會處在8.5～9.0之間，混凝土中的鋼筋發生銹蝕。同時，碳化反應引起的中性化在氯離子的共同作用下會加速鋼筋的腐蝕。

4 基于碳化耐久性的混凝土全壽命預測建議

目前關于混凝土碳化耐久性的全壽命預測研究理論，都是以設定某一因素為定量，其他因素為變量的條件下的實驗得出的。但在實際的工程項目中，混凝土結構的耐久性評估和全壽命預測會受到許多變量的影響。這些變量可能同時多個存在并具有不定性，難以定量化，很多都是發生在碳化的初級階段，因此無法設計較為合理的混凝土結構耐久性評估模式。在實際工程中更多的是以經驗判斷為基礎，通過層次分析來對混凝土結構的耐久性進行評估。

基于這種情況，筆者認為，要對混凝土進行更為準確的全壽命預測，需要完善以下兩方面：一是要采用耐久性好的材料，建立其與混凝土密實度、孔結構等混凝土內部結構以及鋼筋銹蝕速度、銹蝕量之間的關系；二是對存在碳化耐久性問題的混凝土結構建立動態評估體系，并根據檢測得到的耐久性指標數據，建立壽命預測模型。最后，要對混凝土碳化做好防護措施。混凝土的碳化受到環境、材料和施工的影響，保證混凝土有良好的密實性，就能得到很好的抗碳化性能。基于此，可以提出以下改善措施：合理設計混凝土配合比、采用機械振搗、用涂料或者其他措施對混凝土表面進行隔絕氣體處理、選用透氣性小且密實的骨料、增加混凝土的保護層厚度等。

5 結束語

建立多因素作用下的混凝土的碳化耐久性研究及全壽命預測是一項復雜且艱巨的任務。本文對混凝土碳化進行研究，并通過試驗對該過程中混凝土的pH 值和孔隙率的變化，對混凝土碳化做出了相對完善的壽命預測，并提出了預測方法。各類預測方法都有其優缺點，在實際應用中要考慮其可操作性。筆者認為，應該優先采用基于碳化試驗的經驗模型進行混凝土的全壽命預測，而不是選擇理論模型。理論模型由于更偏向于理想化且相關參數不易獲取，不適合在工程實踐中應用。

碳化是混凝土耐久性研究的一個重要方向，但由于對此試驗的研究數據較少且混凝土離散較大，因此碳化對混凝土全壽命的影響結論還有待進一步驗證。為此，應該多多開展現場工程的實測，并利用各種有限元軟件進行理論模擬；其次，要考慮混凝土結構常常出現無征兆的脆性破壞。因此，要善于利用現代信息技術以及人工智能手段，對新建和實踐中的混凝土結構的碳化耐久性進行實時監測，以便對可能出現的狀況及時預報，這也是今后的主要研究方向。