牛荻濤 張賓強(qiáng) 劉 俊 李星辰 劉西光

(1.省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室，西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

混凝土材料是當(dāng)今用量最大、應(yīng)用范圍最廣的工程材料，然而大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計使用壽命便已提前失效[1-2]。鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力降低的主要原因之一[3-5]。一般大氣環(huán)境下，鋼筋銹蝕的主要原因是碳化導(dǎo)致混凝土pH值降低和鋼筋表面鈍化膜破壞[6-7]。為了更準(zhǔn)確地對建筑結(jié)構(gòu)使用壽命進(jìn)行預(yù)測，需要確定更加合理的鋼筋開始銹蝕時間，而確定部分碳化區(qū)長度是鋼筋開始銹蝕時間研究中的關(guān)鍵問題。

目前已有學(xué)者對鋼筋開始銹蝕時間進(jìn)行了研究，普遍認(rèn)為碳化深度達(dá)到鋼筋表面所需時間即為鋼筋開始銹蝕時間[8]，且常用酚酞試劑測試碳化深度。Parrott研究發(fā)現(xiàn)酚酞試劑法只能測出混凝土完全碳化區(qū)，故無法考慮部分碳化區(qū)對鋼筋開始銹蝕的影響[9]。日本學(xué)者岸谷孝一[10]提出了“碳化殘量”的概念，其定義為在鋼筋開始銹蝕時用酚酞試劑測出的碳化前沿到鋼筋表面的距離。蔣利學(xué)根據(jù)Papadakis碳化模型，通過數(shù)值求解得到了部分碳化區(qū)長度的數(shù)值模型[11]。董振平等通過快速碳化及不同環(huán)境下長期暴露試驗研究了碳化殘量，給出了碳化殘量的經(jīng)驗公式，并結(jié)合蔣利學(xué)部分碳化區(qū)長度計算模型確定了鋼筋開始銹蝕時間[12]。張偉平等基于混凝土碳化深度實用數(shù)學(xué)模型與部分碳化區(qū)長度計算模型開展了鋼筋開始銹蝕時間預(yù)測[13]。已有研究常以鈍化膜不穩(wěn)定存在的pH范圍定義為部分碳化區(qū)，即pH在9.0～11.5之間的混凝土保護(hù)層[11-13]。而從碳化機(jī)理上看，部分碳化現(xiàn)象是碳化反應(yīng)速度落后于CO2擴(kuò)散速度的必然結(jié)果，故部分碳化區(qū)仍未完全碳化，仍存在著Ca(OH)2。因此，確定合理的部分碳化區(qū)長度對研究鋼筋開始銹蝕條件至關(guān)重要。此外，部分研究采用模擬孔溶液或者加速碳化的方法對鋼筋開始銹蝕進(jìn)行研究，這與結(jié)構(gòu)實際服役環(huán)境不符[14-15]。因此對自然暴露環(huán)境下混凝土部分碳化區(qū)長度進(jìn)行更深入的研究，建立更合理的部分碳化區(qū)長度預(yù)測模型，為準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋開始銹蝕時間奠定基礎(chǔ)。

本文對西安地區(qū)某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了現(xiàn)場測試和試驗研究，采用壓榨法逐層測試了混凝土圓柱體試樣孔溶液pH值，根據(jù)孔溶液pH值測試結(jié)果，確定了實測混凝土部分碳化區(qū)長度，分析了碳化過程中的物質(zhì)平衡，采用數(shù)值方法計算了混凝土碳化進(jìn)程中物質(zhì)含量的變化，建立了混凝土部分碳化區(qū)長度理論計算模型，并與實測部分碳化區(qū)長度進(jìn)行對比，符合較好?；谠撃Ｐ瓦M(jìn)一步研究了水灰比、水泥用量、相對濕度、CO2濃度和碳化時間等因素對部分碳化區(qū)長度的影響。

1 現(xiàn)場測試及試驗研究

1.1 現(xiàn)場測試

為了研究服役結(jié)構(gòu)的混凝土碳化規(guī)律，課題組對西安地區(qū)某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了耐久性測試。該廠房建于1953年，為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，南北長198 m，東西長175 m(圖1)。測試項目如下：

圖1 某鋼筋混凝土工業(yè)廠房

1)混凝土強(qiáng)度試樣。使用鉆芯機(jī)鉆取各測點處混凝土柱的芯樣，用于后續(xù)強(qiáng)度測試。

2)混凝土保護(hù)層試樣。對混凝土保護(hù)層進(jìn)行取樣并密封保存，用于逐層測試pH值。

1.2 混凝土強(qiáng)度測試及結(jié)果

混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度按照J(rèn)GJ/T 384—2016《鉆芯法測試混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[16]中的方法進(jìn)行測試。芯樣直徑和長度均為100 mm，采用TYA-2000型電液式壓力試驗機(jī)進(jìn)行試驗。

混凝土圓柱體試樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表1，廠房混凝土柱強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度平均值為15.6 MPa。

表1 混凝土圓柱體試樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

1.3 混凝土孔溶液pH值測試及結(jié)果

采用自行研發(fā)的壓榨裝置，每隔5 mm切取一薄片，然后進(jìn)行烘干、破碎并噴水飽和、壓榨獲得混凝土孔溶液。通過直徑為5 mm的pH微電極來測量孔溶液pH值。測試過程如圖2所示。

a—切片；b—噴水飽和；c—壓榨。

表2給出了試樣pH值測試結(jié)果,表中1～6層表示從最外側(cè)到最內(nèi)側(cè)切片?？芍S著距混凝土表面距離的增加，pH值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由碳化機(jī)理可知，環(huán)境外部CO2向混凝土的內(nèi)部擴(kuò)散，與混凝土中的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，消耗了Ca(OH)2并生成CaCO3和其他物質(zhì)，使得Ca(OH)2的含量由表及里逐漸增加，最終導(dǎo)致混凝土pH值由外向里逐漸升高。由于取樣位置的不同和測試方法的限制，部分試樣測試結(jié)果離散型較大，但總體規(guī)律符合實際情況。同時根據(jù)pH值測試結(jié)果可將混凝土保護(hù)層分為完全碳化、部分碳化和未碳化三個區(qū)域。

表2 混凝土孔溶液pH值測試結(jié)果

2 混凝土碳化理論模型

2.1 混凝土碳化過程和數(shù)學(xué)模型

水泥與水混合后，水泥中各種物質(zhì)立即與水發(fā)生水化反應(yīng)，張玲峰[17]、Papadakis[18]給出了完全水化后混凝土中各種可碳化物質(zhì)的摩爾濃度計算公式和物質(zhì)的反應(yīng)速率ri(i表示氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(CSH)、硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S))，即每秒鐘內(nèi)單位體積混凝土中參加反應(yīng)物質(zhì)i的摩爾數(shù),mol/(m3·s)，計算式為:

ri=Ki[i][CO2]

(1)

式中，[i]為碳化過程單位體積混凝土中物質(zhì)i的摩爾數(shù)；Ki為相應(yīng)反應(yīng)的速度常數(shù)，m3/(mol·s)；[CO2]表示碳化過程中單位體積混凝土中CO2的濃度。

根據(jù)碳化反應(yīng)方程式，由化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量平衡條件可以得到混凝土碳化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

2.1.1CO2質(zhì)量平衡

單位時間內(nèi)由外界擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域的CO2摩爾數(shù)與參與碳化反應(yīng)的CO2摩爾數(shù)相同，由此得到[18]：

(2)

式中：De為CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)。

2.1.2Ca(OH)2質(zhì)量平衡

混凝土中碳化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)Ca(OH)2的摩爾濃度變化速率即為單位時間內(nèi)參與碳化反應(yīng)的Ca(OH)2的摩爾數(shù)：

(3)

2.1.3CSH質(zhì)量平衡

混凝土中碳化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)CSH的摩爾濃度變化速率即為單位時間內(nèi)參與碳化反應(yīng)CSH的摩爾數(shù)：

(4)

式(1)～式(4)的初始條件為：

[CO2]=0t=0

(5a)

[Ca(OH)2]=[Ca(OH)2]0t=0

(5b)

[CSH]=[CSH]0t=0

(5c)

式中：[Ca(OH)2]為碳化過程中單位體積混凝土中Ca(OH)2的濃度。

邊界條件為：

[CO2]=[CO2]0x=0

(6a)

(6b)

式中:[CO2]0為環(huán)境中CO2的摩爾濃度；x為混凝土深度；L為截面高度的一半。

混凝土孔溶液pH值與各物質(zhì)含量的關(guān)系可由式(7)計算[19]：

(7)

式中:[Ca(OH)2(aq)]0為[Ca(OH)2(aq)]在t=0時刻的初值，當(dāng)溫度為25 ℃時，[Ca(OH)2(aq)]0=21.6 mol/m3；帶aq表示孔溶液的濃度，不帶aq表示環(huán)境中濃度。

式(1)～式(4)和初始條件式(5)和邊界條件式(6)組成了混凝土碳化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

采用MATLAB對此方程組進(jìn)行編程求解，可以得到任意時刻、任意位置的CO2、Ca(OH)2和CSH的濃度，從而得到任意時刻、任意位置的pH值。

2.2 模型驗證

從碳化機(jī)理看，部分碳化現(xiàn)象是因為碳化反應(yīng)速度落后CO2擴(kuò)散速度。課題組已有研究[20-21]基于對自然暴露環(huán)境下混凝土的微觀測試結(jié)果，確定了部分碳化區(qū)pH值范圍為9.5～12.1，根據(jù)表2所測得的孔溶液pH值，采用線性插值的方法計算pH在9.5～12.1之間的保護(hù)層厚度，此厚度即為實測部分碳化區(qū)長度。同時用數(shù)值模型計算pH值在9.5～12.1之間的保護(hù)層厚度，此厚度即為數(shù)值模型計算的部分碳化區(qū)長度。將數(shù)值模型計算的部分碳化區(qū)長度與實測部分碳化區(qū)長度進(jìn)行對比，用以驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果見表3。

表3 部分碳化區(qū)長度數(shù)值模型驗證結(jié)果

由表3的結(jié)果可知，誤差的算數(shù)平均值為-3.42%，因此用數(shù)值模型求解部分碳化區(qū)長度的方法是合理可行的?，F(xiàn)場實測過程中部分混凝土試樣表面由于長期碳化出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，對實測保護(hù)層厚度和部分碳化區(qū)長度有一定影響，導(dǎo)致部分測點的誤差超過20%。

3 混凝土部分碳化區(qū)參數(shù)分析

根據(jù)MATLAB的計算過程可知，影響混凝土pH值的主要因素有水灰比(w/c)、水泥用量(c)、相對濕度(RH)、CO2濃度(c0)以及碳化時間(t)。因此，以這五個因素為變量來研究混凝土部分碳化區(qū)長度理論模型。

以w/c=0.5，c=400 kg/m3，RH=50%，t=100 a為基準(zhǔn)參數(shù)，分別變化上述5個參數(shù)中的一個，同時固定其他4個參數(shù)，通過MATLAB程序計算相應(yīng)的pH值，結(jié)果見圖3。最終根據(jù)部分碳化區(qū)pH值的范圍得到混凝土部分碳化區(qū)長度。

a—水灰比；b—水泥用量；c—相對濕度；d—二氧化碳濃度；e—碳化時間。

3.1 水灰比

由圖4可知，隨著混凝土水灰比的增大，部分碳化區(qū)的長度逐漸增加。從碳化機(jī)理上看，水灰比增大后，水泥漿體的濃度會下降，導(dǎo)致水泥漿體的黏結(jié)性變差，水泥硬化時會產(chǎn)生大量微裂縫，致使混凝土的密實度降低，孔隙率也隨著增大，CO2向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速度也會加快，最終碳化反應(yīng)的速率更加跟不上CO2的擴(kuò)散速度。因此，混凝土水灰比越大，部分碳化區(qū)的長度就越長。

圖4 混凝土水灰比對部分碳化區(qū)長度的影響

3.2 水泥用量

由圖5可知，混凝土部分碳化區(qū)長度隨著水泥用量的增加而減少。由碳化機(jī)理可知，水泥用量的增加導(dǎo)致了水泥水化后可碳化物質(zhì)濃度增加，從而導(dǎo)致了碳化反應(yīng)速率加快，即CO2消耗速率加快，水泥用量的變化對CO2擴(kuò)散速率影響較小，最終導(dǎo)致CO2侵入混凝土更深處的量變少，部分碳化現(xiàn)象隨之減弱。因此，混凝土水泥用量越多，部分碳化區(qū)長度就越短。

圖5 混凝土水泥用量對部分碳化區(qū)長度的影響

3.3 相對濕度

由圖6可知，隨著相對濕度的增加，混凝土部分碳化區(qū)長度逐漸減小。由碳化機(jī)理可知，隨著環(huán)境中相對濕度的增加，混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度將增大，而CO2是極難溶于水的，這就導(dǎo)致了CO2在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度降低，而碳化反應(yīng)速度加快，部分碳化現(xiàn)象不明顯，造成了部分碳化區(qū)長度減小。

圖6 相對濕度對部分碳化區(qū)長度的影響

當(dāng)環(huán)境濕度RH≥80%后，部分碳化區(qū)基本已經(jīng)消失；當(dāng)RH=70%時，部分碳化區(qū)的長度很短，基本可以忽略；當(dāng)RH=60%時，部分碳化區(qū)在整個碳化區(qū)中已占有一定比例，此時應(yīng)當(dāng)考慮部分碳化區(qū)的影響。

3.4 CO2濃度

由圖7可知，CO2濃度對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。由碳化機(jī)理可知，CO2濃度的增加，會引起CO2在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散速率的加快，同時碳化反應(yīng)的速率也會加快，由于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度都與CO2濃度成正比，最終導(dǎo)致部分碳化區(qū)長度未發(fā)生變化。

圖7 CO2濃度對部分碳化區(qū)長度的影響

3.5 碳化時間

由圖8可知，碳化時間對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。部分碳化現(xiàn)象的產(chǎn)生是碳化反應(yīng)速度跟不上CO2的擴(kuò)散速度而導(dǎo)致，當(dāng)環(huán)境參數(shù)未變化時，碳化反應(yīng)速度和CO2擴(kuò)散速度都不會發(fā)生改變，即兩者的速度差不變。因此，隨著碳化時間的增加，混凝土部分碳化區(qū)整體向更深處移動，而長度不會發(fā)生變化。

圖8 碳化時間對部分碳化區(qū)長度的影響

4 混凝土部分碳化區(qū)長度理論模型

4.1 部分碳化區(qū)長度理論模型的建立

根據(jù)第3節(jié)分析可知，對部分碳化區(qū)有影響的主要是水灰比、水泥用量以及相對濕度，其中相對濕度對部分碳化區(qū)的影響最為顯著。因此，以相對濕度作為部分碳化區(qū)長度的主要參數(shù)，以水灰比和水泥用量進(jìn)行修正。

在w/c=0.5，c=400 kg/m3，c0=0.03%，t=100 a的條件下，環(huán)境相對濕度對部分碳化區(qū)長度的影響如圖6所示，對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得：

xl=345.5×(0.7-RH)1.92

(8)

以w/c=0.5，c=400 kg/m3，RH=50%時混凝土部分碳化區(qū)長度為基準(zhǔn)進(jìn)行修正，表4和表5分別給出了不同水灰比和不同水泥用量條件下的修正系數(shù)，由此擬合可得：

表4 水灰比修正系數(shù)

表5 水泥用量修正系數(shù)

(9a)

(9b)

式中:λω和λc分別為水灰比和水泥用量的修正系數(shù)。

因此，考慮了水灰比、水泥用量以及相對濕度的混凝土部分碳化區(qū)長度為：

(10)

該模型可對處于一般大氣環(huán)境下，環(huán)境相對濕度小于70%的混凝土結(jié)構(gòu)部分碳化區(qū)長度進(jìn)行預(yù)測，可為結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測提供理論支撐。

4.2 部分碳化區(qū)長度理論模型的驗證

用實測結(jié)果對式(10)的混凝土部分碳化區(qū)長度模型進(jìn)行驗證，結(jié)果見表6?？芍蓴M合模型所得到的部分碳化區(qū)長度的誤差算數(shù)平均值為-2.46%，小于數(shù)值模型的計算誤差。因此，本文建立的混凝土部分碳化區(qū)長度計算模型是合理可行的，可為鋼筋開始銹蝕時間和混凝土壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

表6 部分碳化區(qū)長度理論模型驗證結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過對某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了現(xiàn)場測試和試驗研究，根據(jù)碳化過程中的物質(zhì)平衡，建立了基于碳化反應(yīng)進(jìn)程的數(shù)值模型，研究了混凝土部分碳化區(qū)長度的影響因素，并將數(shù)值計算結(jié)果與自然暴露環(huán)境下混凝土部分碳化區(qū)長度實測值進(jìn)行了對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性，所得模型可用于預(yù)測一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間，并得到了以下結(jié)論：

1)混凝土部分碳化區(qū)長度隨著水灰比的增大而增加，隨著水泥用量和相對濕度的增加而減小，相對濕度對部分碳化區(qū)的影響最為顯著。

2)當(dāng)環(huán)境濕度RH≥80%后，部分碳化區(qū)基本消失；當(dāng)RH=70%時，部分碳化區(qū)長度很短，基本可以忽略。CO2濃度和碳化時間對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。

3)以混凝土水灰比、水泥用量和環(huán)境相對濕度為參數(shù)建立了混凝土部分碳化區(qū)長度計算模型，模型精度較好，可為鋼筋開始銹蝕時間和混凝土壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)。