黃 國 理

(廣東省建工設(shè)計(jì)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(jìn)入混凝土內(nèi)部并與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土堿性下降，導(dǎo)致混凝土中的鋼筋鈍化膜被破壞，進(jìn)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(shè)計(jì)具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)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(yīng)的預(yù)測模型。這些預(yù)測模型主要從以下幾個(gè)方面描述影響混凝土碳化速率系數(shù)的因素?；贑O2在混凝土中的擴(kuò)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾喊豆刃⒁荒Ｐ蚚3]、依田彰彥模型[4]、朱安民模型[5]等。結(jié)合環(huán)境因素與材料因素的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾糊徛鍟Ｐ蚚6]、Richardson模型[7]、黃士元模型[8]和張海燕模型[9]。考慮混凝土抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾呵疤K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。基于CO2擴(kuò)散理論并考慮環(huán)境與材料因素的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾簭堊u(yù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下暴露28 d的混凝土加速碳化試驗(yàn)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(jìn)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(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中快速碳化試驗(yàn)方法得到的混凝土碳化速率系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為：溫度(20±2)℃，濕度(70±5)%，CO2濃度(20±3)%。基于上述試驗(yàn)條件可獲得碳化時(shí)間為28 d的混凝土碳化深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)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(shí)間，d；k0為混凝土碳化速率系數(shù)，mm/d1/2。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)碳化試驗(yàn)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(yù)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(jié)構(gòu)的重要因素，水膠比越大，CO2進(jìn)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(xiàn)[16][19]的試驗(yàn)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(guān)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(zhì)與水泥反應(yīng)，使得水泥水化生成的可碳化物質(zhì)減少，混凝土碳化速率加快。由圖1b)可知，基于文獻(xiàn)[20][21]的試驗(yàn)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(zhì)減少，從而使碳化速率系數(shù)增大。由圖1c)可知，基于文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)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(jié)合式(2)～式(4)，可以建立混凝土碳化速率系數(shù)的多因素預(yù)測模型：

(5)

其中，k0為混凝土碳化速率系數(shù)的預(yù)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(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)模型包含7個(gè)擬合參數(shù)，由于并非所有的展開項(xiàng)都對預(yù)測模型的計(jì)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(xiàng)，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(guān)文獻(xiàn)[16]～[22],[24]～[31]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定擬合參數(shù)k。混凝土碳化速率系數(shù)的多因素計(jì)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(yàn)值的對比如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)為根據(jù)式(8)計(jì)算的碳化速率系數(shù)計(jì)算值，縱坐標(biāo)為碳化速率系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)與等值線越接近，表示模型計(jì)算結(jié)果越精確。由圖2可知，圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在30%的誤差線內(nèi)，說明所建立的碳化速率系數(shù)多因素模型具有不錯(cuò)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(guān)系。

(8)

3 模型的對比分析與驗(yàn)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(xiàn)[12]中提出半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比分析與驗(yàn)證，選用相關(guān)文獻(xiàn)[17][18][22][25][27]～[29][32][33]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比結(jié)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(guān)系數(shù)均較大，說明本文模型具有較高的計(jì)算精度和良好的適用性。由圖3a)可得，對于普通混凝土，文獻(xiàn)[12]模型的計(jì)算結(jié)果偏低；由圖3b)可得，當(dāng)添加礦物摻合料時(shí)，文獻(xiàn)[12]模型的計(jì)算結(jié)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(jì)算誤差較大。

表1 本文模型與文獻(xiàn)模型計(jì)算精度對比

4 結(jié)語

1)基于混凝土快速碳化試驗(yàn)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(jié)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(guān)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(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)多因素計(jì)算模型。

3)通過其他文獻(xiàn)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)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(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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