李 匯，王學(xué)國(guó)，何國(guó)武

(中國(guó)十五冶金建設(shè)有限公司，湖北黃石435000)

碳化是大氣中CO2與混凝土中的堿性物質(zhì)的作用過(guò)程，是在氣相、液相和固相中進(jìn)行的一個(gè)十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)反應(yīng)過(guò)程。碳化使混凝土堿度降低的過(guò)程中，水泥水化產(chǎn)物有被分解的可能，最終可能導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低或喪失。碳化過(guò)程中釋放出水化產(chǎn)物中的結(jié)晶水，使混凝土產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的收縮，碳化收縮若在約束條件下進(jìn)行，往往引起混凝土表面微裂紋，因而又加劇碳化過(guò)程[1]。

1 混凝土碳化的影響因素

從混凝土碳化的物理化學(xué)過(guò)程可以知道，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小[2]。具體分析影響混凝土碳化的因素可分為:材料因素、環(huán)境因素和施工因素三大類。材料因素包括水灰比、水泥品種和用量、骨料品種與級(jí)配、外摻劑等，材料因素主要是通過(guò)影響混凝土的堿度來(lái)影響混凝土碳化;環(huán)境因素主要包括相對(duì)濕度、溫度、壓力以及CO2濃度等，環(huán)境因素主要是通過(guò)影響碳化反應(yīng)的發(fā)生條件來(lái)影響混凝土碳化速度的;施工因素對(duì)混凝土的影響主要指的是混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)等條件的影響，施工因素主要是通過(guò)影響混凝土密實(shí)性來(lái)影響混凝土碳化。

2 混凝土碳化深度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者考慮不同碳化因素的影響，雖然列出了多種形式的碳化深度預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，但這些模型的實(shí)質(zhì)是一致的，都認(rèn)為碳化深度與時(shí)間的平方根成正比，即

式中:XC為碳化深度;α為碳化系數(shù);t為碳化時(shí)間。

從建立模型的方法看，主要有兩種途徑:一種側(cè)重于理論推導(dǎo);另一種側(cè)重于試驗(yàn)分析[2]。對(duì)于理論模型，國(guó)內(nèi)外的研究成果一致認(rèn)為，CO2在混凝土中的擴(kuò)散遵循Fick第一擴(kuò)散定律，即CO2的擴(kuò)散速度與CO2的濃度梯度成正比。理論模型從Fick第一擴(kuò)散定律出發(fā)，推導(dǎo)出碳化深度的計(jì)算模型。對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)試驗(yàn)確定式中的系數(shù)α，各經(jīng)驗(yàn)公式的差別主要在于α的不同，由于不同的學(xué)者考慮的影響因素不同，因此得到了眾多的預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)外研究者在對(duì)混凝土抗碳化能力系數(shù)α的研究中，從不同觀點(diǎn)出發(fā)得到了計(jì)算混凝土碳化深度的經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式都具有一定條件的適用性與可行性，避免了直接應(yīng)用公式時(shí)α值難以測(cè)定的不足。下面對(duì)幾個(gè)較有代表性的碳化深度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹和分析。

2.1 基于Fick定律的一般碳化模型[3]

假定CO2沿?cái)U(kuò)散方向的濃度梯度為一定值，CO2沿?cái)U(kuò)散方向的擴(kuò)散量只與濃度梯度成正比，擴(kuò)散服從Fick第一定律，其一維擴(kuò)散的數(shù)學(xué)形式為:。如果單位體積混凝土結(jié)合CO2的體積濃度為a，則單位面積混凝土在d t時(shí)間內(nèi)混凝土結(jié)合CO2量為d a=a d x。由Fick第一定律可得:

式中:D為CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;Cs為混凝土表面CO2濃度，kg/m3;XC為時(shí)間t時(shí)的碳化深度;a為混凝土結(jié)合CO2能力，kg/m3;t為碳化時(shí)間，a;K為碳化速度系數(shù)。

2.2 多系數(shù)碳化模型

中國(guó)建筑科學(xué)研究院混凝土研究所龔洛書(shū)等人提出了混凝土多系數(shù)碳化數(shù)學(xué)模型[4]:

式中:k1為水泥用量影響系數(shù);k2為水灰比影響系數(shù);k3為粉煤灰取代量影響系數(shù);k4為水泥品種影響系數(shù);k5為骨料品種影響系數(shù);k6為養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù);α為碳化速度系數(shù)，普通混凝土α=2.32，輕骨料混凝土α=4.18。

2.3 碳化深度預(yù)測(cè)模型

西安建筑科學(xué)大學(xué)牛荻濤等人從混凝土碳化的基本理論模型出發(fā)，提出了混凝土碳化深度預(yù)測(cè)的隨機(jī)模型[4]:

式中:珔XC為混凝土碳化深度平均值;kCO2為CO2濃度影響系數(shù);fcuk為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;t為碳化時(shí)間，a;ke為環(huán)境溫濕度影響因子。

此外還有一些根據(jù)其他條件或某種單一影響因素得出的計(jì)算混凝土碳化深度的公式，在工程上也具有一定的參考價(jià)值。在大氣條件下，影響混凝土耐久性的主要因素已基本查明并得以公認(rèn)，考慮某一種或某幾種影響因素計(jì)算混凝土碳化深度的經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)相繼提出了很多，但是到目前為止還沒(méi)有一個(gè)可以同時(shí)考慮多種碳化模式、多種影響因素或多種因素組合的簡(jiǎn)便、實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土剩余壽命預(yù)測(cè)

由前述碳化作用引起力筋腐蝕的機(jī)理和預(yù)應(yīng)力混凝土與普通混凝土的使用壽命特征分析，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)以混凝土碳化層深達(dá)鋼筋使鋼筋去鈍化開(kāi)始腐蝕為標(biāo)志，使用壽命取為碳化深度達(dá)到混凝土保護(hù)層厚度的時(shí)間，即tLife=t0?；炷两Y(jié)構(gòu)的使用壽命受到各種環(huán)境條件和材料本身性能的影響，要給出非常詳盡的計(jì)算在目前還有很多困難，然而根據(jù)已有的研究成果和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)混凝土碳化深度技術(shù)，可建立如下的預(yù)應(yīng)力剩余壽命預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)(1)式，混凝土碳化所用的時(shí)間t與碳化深度Xc平方成正比，則有:

式中:d為混凝土保護(hù)層厚度，mm;t0為混凝土碳化深度達(dá)到保護(hù)層厚度時(shí)所需要的時(shí)間。

當(dāng)結(jié)構(gòu)使用Y0年后，根據(jù)前述智能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)得到碳化深度為X0，由式(5)、式(6)，則有:

則結(jié)構(gòu)使用Y0年后，剩余壽命:

假定預(yù)應(yīng)力混凝土條件、結(jié)構(gòu)已使用年限同表1，采用上述剩余壽命預(yù)測(cè)模型，結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的碳化深度預(yù)測(cè)值和式(8)、式(9)計(jì)算不同水灰比、水泥用量條件下結(jié)構(gòu)的計(jì)算使用壽命t0及剩余壽命trest，結(jié)果見(jiàn)表1(水灰比為0.4時(shí)，保護(hù)層厚度15 mm;水灰比為0.6及0.65時(shí)，保護(hù)層厚度30 mm)。

表1 混凝土計(jì)算使用壽命、剩余壽命 (單位:a)

由表1計(jì)算結(jié)果可知:

(1)水灰比小的混凝土碳化速度小于水灰比大的混凝土，相同使用年限內(nèi)水灰比小的混凝土的碳化深度小;水灰比較小的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命t0較長(zhǎng)。

(2)水灰比為0.4的混凝土使用年限長(zhǎng)達(dá)15～30 a時(shí)的碳化深度值很小，結(jié)構(gòu)使用壽命t0很長(zhǎng);混凝土中水泥用量為450 kg/m3時(shí)，壽命長(zhǎng)達(dá)130 a以上。

(3)同一水灰比混凝土，水用量越多，相同使用年限內(nèi)的碳化深度值越小，計(jì)算使用壽命t0越長(zhǎng)。

(4)相同水灰比、相同水泥用量預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命t0基本相近。

4 結(jié)束語(yǔ)

壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性還依賴于合理的耐久性檢測(cè)與評(píng)估方法。科學(xué)的檢測(cè)與評(píng)估應(yīng)該在混凝土結(jié)構(gòu)中埋入耐久性傳感器，動(dòng)態(tài)地、長(zhǎng)期地獲取混凝土結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)展情況和混凝土結(jié)構(gòu)原體耐久性關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋;根據(jù)在時(shí)間軸上不斷積累的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上建立結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型。

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[2]徐力，楊小平.預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命模型[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，23(1):71－74

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[4]張仲先，張靈.基于BP網(wǎng)絡(luò)的砼碳化深度預(yù)測(cè)與分析[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28(10):97－99

[5]惠云玲.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕耐久性損傷評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)方法[J].工業(yè)建筑，1997，27(6):19－22