摘 要:混凝土碳化的時間效應是土木工程中一個重要的研究課題。首先,從內(nèi)部因素、環(huán)境因素、施工因素等三方面分析了混凝土碳化的主要影響因素。接著,分析了混凝土碳化時間效應的傳統(tǒng)數(shù)學模型,并對其進行了歸納總結(jié),建立了廣義碳化模型。最后,通過實驗室試驗數(shù)據(jù)模擬和誤差分析,指出了廣義碳化模型的適用范圍。
關鍵詞: 混凝土;碳化深度;時間效應;經(jīng)驗模型
1 前言
混凝土碳化(concrete carbonation)是指水泥石中的水化產(chǎn)物與環(huán)境中的二氧化碳發(fā)生作用, 生成碳酸鈣或其他物質(zhì)的物理化學過程[1-2]。其碳化深度隨著時間的發(fā)展逐漸增大,通常稱之為碳化時間效應。隨著碳化深度的增加,混凝土構(gòu)件的有效截面將逐漸減小,混凝土中的鋼筋將會逐漸銹蝕,進而削弱結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,縮短混凝土工程的使用壽命[3-4]。因此, 建立混凝土碳化模型, 預測碳化深度的發(fā)展過程, 對于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耐久性的分析和結(jié)構(gòu)剩余壽命的預測有重要意義。
2 混凝土碳化影響因素
2.1 內(nèi)部因素
混凝土中增加水泥用量,一方面可以改變混凝土的和易性,提高混凝土的密實性;另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備。因此,水泥用量越大,混凝土強度越高,其碳化速度越慢。另外,水泥品種對碳化速度也有重要影響,試驗表明[2],在相同條件下高爐礦渣水泥碳化速度最快,早強水泥對應的速度最慢。
2.2 環(huán)境因素
溫度、濕度、光照都是影響碳化的外界因素?;炷撂蓟c光照和溫度有直接關系。隨著溫度提高,二氧化碳在空氣中的擴散逐漸增大,為其與氫氧化鈣反應提供了有利條件。陽光的直射,加速了其化學反應,碳化速度加快。二氧化碳溶于水后形成碳酸才能和氫氧化鈣進行化學反應,所以非常干燥時,混凝土碳化無法進行。由于混凝土的碳化本身是一個釋放水的過程,環(huán)境相對濕度過大,生成的水無法釋放也會抑制碳化進一步進行。試驗表明,相對濕度在50%~70%之間時,混凝土碳化速度最快。
2.3 施工因素
施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實、養(yǎng)護不善,造成混凝土密實低、蜂窩麻面多,為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創(chuàng)造了條件,加速了混凝土的碳化速度。除此之外,混凝土養(yǎng)護狀況對碳化也有一定影響?;炷猎缙陴B(yǎng)護不良,水泥水化不充分,使表層混凝土滲透性增大,碳化加快。
3 混凝土碳化的時間效應模型
經(jīng)驗模型是以快速碳化試驗與室外暴露試驗,以及實際工程碳化調(diào)查為基礎而建立的模型,對實際工程有較大意義[1,2,4]。經(jīng)驗模型公式的計算一般較為方便,其系數(shù)選取需要結(jié)合實際工程。
3.1 傳統(tǒng)數(shù)學模型
以水灰比(W/C)為主要變量的經(jīng)驗模型,主要以朱安民模型和Nishi 模型為代表,其相應的經(jīng)驗公式分別見公式(1)和公式(2):
(1)
(2)
以水灰比(W/C)和水泥用量(C)為因素的經(jīng)驗模型主要以邸小壇模型和張令茂模型為代表,其表達式分別為公式(3)和公式(4):
(3)
(4)
經(jīng)驗模型,在考慮了抗壓強度、使用環(huán)境、養(yǎng)護條件和水泥品種等影響因素的基礎上,以混凝土抗壓強度為主要參數(shù),牛荻濤提出了碳化深度的計算公式:
(5)
以上公式中,y表示碳化深度,t表示碳化時間,其它符號的意義參見具體文獻。
3.2 廣義碳化模型
以上碳化深度時間效應的經(jīng)驗模型,得到了較為廣泛的應用。雖然表達方式各不相同,但它們均為時間t的0.5次方,總體可歸結(jié)為統(tǒng)一的模型公式,隱含著碳化深度的平方與時間成正比:
(6)
式中,u、v為綜合影響系數(shù)。上式是對公式(1)-(5)的廣義數(shù)學概括,暫且稱之為“廣義碳化模型”。
從數(shù)學本質(zhì)上講,傳統(tǒng)模型和廣義碳化模型一樣,均是僅有一個獨立的模型參數(shù)u或v。
3.3 模型驗證
采用廣義碳化模型公式(6)分別對C20、C40、C60等不同強度混凝土的試驗數(shù)據(jù)進行擬合模擬,結(jié)果見圖1,圖1中的實測數(shù)據(jù)來自文獻[5]。為了進一步說明模型的精度,把不同強度的混凝土的模擬誤差繪于圖2。
圖1 碳化時間效應實測與模擬 圖2 模擬誤差分布圖
由圖1和圖2可見:
(1)廣義碳化模型的趨勢與混凝土碳化時間效應相同;
(2)廣義碳化模型對高強度混凝土的碳化時間效應模擬較好,對低強度混凝土模擬存在較大誤差;
(3)模擬誤差總是呈現(xiàn)先負后正的分布態(tài)勢,這一態(tài)勢與混凝土強度等級無關;
(4)誤差的分布態(tài)勢可能是模型只有一個獨立的變量這一局限性造成的。
4 結(jié)束語
文章對混凝土碳化的時間效應從機理、影響因素、時間效應模型等三方面進行了分析,并對時間效應模型的公式進行了歸納。通過不同強度混凝土的實測數(shù)據(jù),對傳統(tǒng)碳化模型的精確性進行了驗證,結(jié)果表明傳統(tǒng)模型存在較大的擬合誤差,這可能與傳統(tǒng)模型僅有一個獨立的模型參數(shù)有關,根據(jù)試驗數(shù)據(jù),建立更為合理的多參數(shù)數(shù)學模型,還待進一步研究。
參考文獻
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作者簡介:徐菁菁(1983-),女,浙江臺州,浙江五聯(lián)建設有限公司。