应力状态下混凝土的碳化试验研究
碳化环境下混凝土结构耐久性模型的更新方法
文章编号：1000-4750(2021)05-0113-09碳化环境下混凝土结构耐久性模型的更新方法谷 慧，李全旺，侯冠杰(清华大学土木工程系，北京 100084)摘 要：碳化环境下的混凝土结构耐久性模型，是基于扩散理论、快速试验、自然暴露试验以及工程经验建立的。
由于结构固有的不确定性和服役环境的复杂性，理论模型的预测结果与实际结构检测的耐久状况存在较大偏差。
该文利用工程耐久性检测获得的碳化深度、检测钢筋锈蚀比例、检测混凝土开裂比例，综合先验知识，基于贝叶斯理论，提出碳化环境下的耐久性模型更新方法。
结合结构实际的检测结果，经过更新的耐久性预测模型与待评估结构实际耐久状况更相符。
依此模型进行相应剩余耐久寿命的概率预测和耐久性评级，为既有结构耐久性评估提供参考。
关键词：耐久性评估；碳化环境；检测信息；模型更新；寿命预测中图分类号：TU375 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0361UPDATING METHOD FOR DURABILITY MODELS OF CONCRETESTRUCTURES IN CARBONATION ENVIRONMENTGU Hui , LI Quan-wang , HOU Guan-jie(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The durability models for concrete structures in a carbonation environment have been proposed based on diffusion theory, on accelerated tests and on engineering experience. Due to the inherent- uncertainty of structures and to the complexity of actual service environment, the calculation results of these models often have a big deviation from the actual test results. In the light of the point, a durability model updating method in a carbonation environment is proposed based on Bayesian theory by utilizing the durability inspection data with carbonation depth, with corrosion ratio of steel reinforcement and with cracking ratio of concrete. With the actual test results, the updated durability prediction model which consistent with the actual durability condition of the structure, is more consistent with the actual durability state of the evaluation structure. According to the model,the probability prediction of the residual durability life and durability rating are carried out, so as to provide a reference for the durability evaluation of existing structures.Key words: durability assessment; carbonation environment; inspection information; model updating; lifeprediction钢筋混凝土结构是现存最广泛的建筑结构形式，碳化环境下混凝土结构的耐久性问题，是目前我国既有混凝土结构普遍存在的问题。
《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-99)简介
铁道标准设计
２０００年１０月第２０卷第１０期
《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土 结构设计规范》（ＴＢｌ ０００２．３—９ ９）简介
铁道部专业设计院路桥处
王振华
雷慧锋
摘要重新从行车速度的提高、混凝土梁耐久性的要求、混凝土标号改用混凝 土强度、钢筋强度向国际单位制靠拢以及预应力结构的分类等１１个方面介绍新的 《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（ＴＢｌ０００２．３—９９）。 关键词铁路桥涵
力混凝土结构。
ｍｍ，取消了“当管道直径等于或小于５５
ｍｍ
时，不应小于３５ ｍｍ”的规定。相应的第６．５．２０ 规定，腹板厚度不得小于１５０ ｍｍ，比８５《桥规》 （含９６桥规）的１４０ ｍｍ大了１０
ｍｍ。
３混凝土标号改用混凝土强度等级表示 为与国标《混凝土结构设计规范》（ＧＢＪｌＯ 一８９）及行标《铁路混凝土强度检验评定标准》 （ＴＢｌ０４２５—９４）接轨，将原来用标号表示的混 凝土强度级别改用混凝土强度等级表示，强度 等级与标号的换算关系是按《铁路混凝土强度 检验评定标准》的规定确定的，见表１。
Ｃ４０。
ｋｍ／ｈ的新建、改建标准轨距铁路桥涵钢筋
混凝土和预应力混凝土结构的设计。这是本规 范与８５及９６《桥规》最不同之处。因此在本规 范编制时曾经考虑是否提出关于横向振幅以及 自振频率方面的规定，但考虑到铁道部已列题 组织专人进行这方面的研究，因此，本规范只能 在构造上予以加强。 （１）本规范在第４．１．３条规定：“梁截面尺 寸和构造应保证梁体具有合理的横向刚度”。 （２）本规范在第５．３．１２条里规定：“分片式 Ｔ梁必须设置横隔板”。 （３）本规范在第６．５．２０条规定：“横隔板连 接应保证梁的整体性”。 ２提高混凝土梁耐久性的措施 近年来，工务部门对混凝土梁进行了大量 的调查、研究，对混凝土梁耐久性问题提出了严 万方数据
混凝土碳化1
比较两图可以发现，经氯盐侵蚀后试样中初始的粗大孔隙均得以细化， 几乎不存在粗大孔隙结构。由左图（b）可以看到，未经氯盐侵蚀试 样的孔隙结构清晰可见，并且大多为连通孔隙，而在右图（b）中几 乎已经观察不到任何孔隙结构，与左图(b）相比其物质形态也发生了 很大变化。
环境因素
由上可知，混凝土经氯盐侵蚀后，混凝土的孔隙结构会得到细化，使混凝土更加 致密，阻碍CO2的进入，降低碳化速度。许晨等分析可能是由于氯盐的结晶体填 充了孔隙，也可能是由氯离子化学结合生成的复盐Friedel在孔隙中的沉积作用， 以及氯离子在C-S-H凝胶表面形成的化学吸附层所致。 虽然氯离子侵蚀能够降低碳化的速度，但是当氯离子侵蚀造成钢筋的锈蚀时，则 会加快碳化速度。
（降2低）而温增度大降，低0℃有达利到于最CO大2在值水0.3中3溶46解，。90C℃O以2在上水几中乎的为溶零解。度随温度
（3）温度降低有利于 CH在水中溶解。CH在 水中的溶解度随温度降 低而增大，0℃时达到 最大值0.18，随温度升 高而减小100℃时降到 最小值0.07。
环境因素
（4）温度升高，有利于CO2的扩散。 从前三条可以看出温度降低有利于增加增加反应物质浓度，有利于反应向正反应 方向进行。第四条则刚好相反。也正是因为这样的原因，故温度变化对混凝土碳 化的影响，各国学者看法不一。
混凝土碳化
小组成员：
目录
1 混凝土碳化的定义及机理 2 混凝土碳化的影响 3 混凝土碳化的影响因素 4 混凝土碳化的处理和预防措施 5 混凝土碳化的表征手段
混凝土碳化的定义
空气中的CO2扩散渗透进入到到混凝土孔溶液中,与可碳化物质发生 化学反应,使混凝土碱性程度降低的过程称为混凝土的碳化。
混凝土碳化机理
基于COMSOL的混凝土碳化影响因素分析
基于COMSOL的混凝土碳化影响因素分析范燕平;庞明伟;徐立;田学凯;程旭东【摘要】根据混凝土碳化化学反应机理,结合CO2质量运输方程,定义了反应消耗的CO2浓度方程,提出一种新的研究混凝土碳化规律的数值模拟方法.运用COMSOL软件,进行CO2浓度、反应消耗的CO2浓度的多物理场耦合,并参照相关文献的试验结果对数值模型进行了可信性验证;运用该数值模型分析不同水灰比、水泥用量、环境温度、相对湿度对混凝土碳化的影响,并拟合其影响曲线.结果表明:该数值模型有很高的可信性;水灰比与混凝土碳化深度近似成正比,水泥用量与混凝土碳化深度近似成反比,环境温度对碳化深度的影响较小,相对湿度与混凝土碳化深度成二次抛物线关系.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】3页(P11-13)【关键词】混凝土碳化;碳化程度;水灰比;水泥用量;COMSOL【作者】范燕平;庞明伟;徐立;田学凯;程旭东【作者单位】中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TU528.1混凝土的碳化是一般大气环境中钢筋腐蚀的前提条件。
碳化是指空气中的CO2等酸性物质侵入混凝土内部，在有水分存在的情况下，与水泥水化生成的Ca(OH)2、C-S-H等产物发生反应，使混凝土液相碱度降低，化学成分发生改变的中性化过程[1]。
在钢筋混凝土结构中，随着CO2气体的侵入，混凝土碳化深度逐渐增加，当碳化深度比混凝土的保护层厚度更大时，原来存在的强碱钝化膜被破坏，混凝土便失去了对钢筋的保护作用。
当空气进入混凝土并跟钢筋接触后，会发生腐蚀现象，而钢筋腐蚀后体积便会膨胀，进而反作用于混凝土，对混凝土施加应力导致混凝土出现裂缝，从而影响整个钢筋混凝土结构，这便是混凝土碳化的主要危害。
预应力混凝土结构耐久性试验方法及评述
加 。然 而 ， 应 力 混凝 土 结构 长 期 在 使 用 环 境 （ 预 如
碳 化 、 离子 侵 蚀 、 融 、 学 侵 蚀 等 ） 用 下 功 能 氯 冻 化 作 将逐渐 衰退 ， 到 最终 破 坏 。这 是一 个 不 可 逆 的耐 直 久性劣化 过程 。加强 预应力 混凝土 结构 的耐久 性研
２ 混凝 土在应力 状态 下的碳 化试 验
从 目前 国 内外 研究 资 料看 ， 预应 力 混 凝 土结 非 构的耐久 性研 究 已取得 一定进 展¨ 。如对普 通混 凝 土的碳 化、 冻融 、 学 介 质侵 蚀 及 钢 筋 锈 蚀 等 研 究 ， 化
在其机理 、 试验 方法 等方面有 了较 为统一 的观 点 。 预应 力混凝 土结 构 的耐 久性研 究 与非预应 力混
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桥 梁论文 集
Ｃ ＮＡ ＭＵ Ｃ ＡＬ Ｅ ｍ ＮＩ Ⅱ＇ ＮＧＩ ＥＥ ＮＧ Ｎ ＲＩ
中 圈希 篮 工程
・ 述篇 ・ 综
预 应 力 混 凝 土 结 构 耐 久 性 试 验 方 法 及 评 述
刘 杰 ，李 国 平 ，曹 茜
务还十分艰 巨。
的一个 长 期 室 外 大气 条 件 下 的暴 露 试 验 Ｊ 。该 试
验从 １ ８ ９ ３年开 始 ， 持 续 了 １ 。Ａ Ｃ ｓ ｌ 一直 ３ ａ ． ａｔ 制作 ｅ
了两 片尺寸 为 １ ｍ ２ ｍ Ｘ３０ ｃ ５ｃ Ｘ ８ｃ ０ ｍ的梁 ， 保护 但
层厚度 分别 为 １ｃ ｍ和 ４ ｃ ｍ。该试 验 的主要 目的是 通过测 定混凝 土 的碳 化深 度 来量化 混凝 土在 拉应力 状态下 产生 的微裂 缝对 Ｃ ： 入 的影 响 ， Ｏ侵 同时 提 出 在 自然 环境下 ， 凝 土碳 化 深 度 和 荷 载水 平 之 间 的 混 关联 系数 。 该 试验 的加 载 方式 如 图 ｌ 示 ， 在 试验 过 程 所 并 中使混 凝 土一 直 处于有 应力 状 态 。 该 试 验采 用 了大 比例 的试 验 梁 ， 放 置在 真 实 并 的大气 环境 下 ， 够 较为 真 实 和准 确 地 评估 Ｃ 的 能 Ｏ 渗人 隋况 。试 验 结果 表 明 ， 作用 在梁 上 的荷载集 度 ，
荷载与碳化耦合因素作用下混凝土的耐久性研究进展
相对湿度 、 环境温度等 ； 因素包括水泥标号、 内部 混凝土强度 等级 、 水灰 比、 掺合料 和外 加剂的品种 、 掺量不 同所 导致的
不 同微 结构 的 特征 以及 应 力 水 平 和形 式 等 因 素 。Ｃ 。 混 Ｏ 在
Ｓ ｉ ａ ｅ ｎ ｏ ｃ ｍｅ ｔ ｐ ｒｌ ｉｆｒ ｅ ｎ ｒ
ｌｚｄ Ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ ｉｗｓｏ ｅ ｅａ ｓ ｕ ｓｏ ｏ ｄ ｓｍｕａ ｉｎ ｙ ｅ ， ｔ ｎ ｓｗｉｈ ｓ ｍｅｖｅ ｎ ｓｖ ｒｌｉｓ ｅ ｆｌａ ｉ ｌｔｏ ． Ｋｅ ｒ ｓ ｙｗｏ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ，ｄ ｒ ｂｌ ｙ ｏ ｄ ，ｃｒ ｎ ｔ ｎ ｔｅ ｓｌｖ ｌ ，ｆｔｇ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｕ ａ ｉ ｔ ，ｌａ ｓ ａ ｂ ａｉ ，ｓｒｓ ｅ ｅｓ ａｉｕ ｉ ｏ ｏ
Ｓ ｅ ｌ ｒ ｔｅ ｅ ｗｉ
图 １ 压应 力试件 示意 图
Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｎ ｉ ｆｃ ｍ ｐ ｅ ｓｖ ｔｅ ｓ ｓ ｅ ｉ ｎ ’ ｇ１ ｃ ｅ ｍｔ ｏ ｏ ｃ ｒ ｓ ｉ ｅ ｓ ｒ ｓ ｐ ｃ ｍｅ
凝土中的传输途径是多样 的， 主要包括扩散作用 、 渗透作用 和毛细管 作用 等 ， 而其 中以扩 散作 用最 为稳 定且 影 响最
颗粒中的 ＣＳ和 Ｃ Ｓ等碱性物质发生反应， ３ 。 生成 Ｃ Ｃ ３使 ａＯ ，
混凝土保护层的 ｐ Ｈ值降低 ， 导致钢筋混凝土中钢筋钝化膜
失钝 ， 引发钢 筋锈 蚀 。 钢筋 混凝 土结 构 发 生碳 化 反 应 的 影 响 因 素 可 以分 为 外
部因素和内部因素 ， 外部因素包括大气中 Ｃ Ｏ 的体积分数 、
荷 载 与碳化 耦合 因素作 用下 混凝 土 的耐 久性研 究进展 ／ 韩建德 等
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浅谈钢筋混凝土碳化机理和防治对策
浅谈钢筋混凝土碳化机理和防治对策【摘要】混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀、影响混凝土耐久性的重要原因之一。
本文通过查阅多方资料并结合部分经验阐述了钢筋混凝土碳化原因、碳化机理、碳化影响因素，最后提出了防止混凝土碳化所采取的一些措施，可更好的指导实践，以期为同行提供参考。
【关键词】混凝土碳化；碳化机理；影响因素；防治对策1. 引言（1）混凝土中性化，又称碳化，是指空气中的co2不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生化学反应使混凝土的碱度降低直至中性化的过程，是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。
许多因素如混凝土水灰比、可碳化物质含量、环境的温度与湿度、co2浓度、荷载作用方式及水平、混凝土密度与孔结构的时间变化性等都会影响到混凝土的中性化过程。
（2）混凝土是一个多孔体，空气中的co2扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化产生的氢氧化钙、水化硅酸钙及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙相互作用，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。
由于水泥水化产生大量ca（oh）2、csh凝胶和c3ah6等碱性水化物，同时由于水泥中含有少量的k2o和na2o，使得混凝土具有较高的碱度（ph>12.5），混凝土的高碱度对于保持结构物的耐久性是极其重要的。
（3）钢筋在混凝土的高碱度环境中，其表面会形成一层钝化膜，它是一层不渗透的牢固地粘附于钢筋表面上的氧化物。
钝化膜的存在，使钢筋表面不存在活性状态的铁，从而使钢筋免受腐蚀。
研究表明，混凝土的高碱度是保护钢筋不腐蚀的最重要的条件，通常ph>11.5称为保护钢筋的“临界值”；而碳化后ph为8～9，所以中性化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面钝化膜遭到破坏而腐蚀。
（4）混凝土保持适当的高碱度，其意义不只在于保护钢筋，还在于保持水泥水化产物的稳定性。
水泥石处于一定的碱度中，各水化产物能稳定存在，并保持良好的胶结能力，碳化使混凝土碱度降低的过程中，水泥水化产物有被分解的可能，最终可能致混凝土强度降低或丧失。
应用RBF神经网络的预应力混凝土碳化深度预测研究
等外在现象 ， 而极有可 能在无任何预兆 的情况下发
生 脆性 断裂 ， 害极 大 。可见 ， 混 凝土 碳 化人 手进 危 从
收 稿 日期 ：０６０ ・ ２ ０ －６１ ９
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第３ ３卷
第 ４
四川建 筑科学研究
Ｓｅ ｕ ｎ Ｂ ｉ ｉ ｃ ｎ ｅ ｉ ａ ｕｌ ｎ Ｓ ｉ ｃ ｈ ｄ ｇ ｅ ８ １
２０ ０ ７年 ８月
应用 Ｒ Ｆ神经 网络 的预应力混凝土碳 化深度预测 Ｂ 研 究
陆春 华 ， 刘荣桂
ＲＢＦ ｅ ｒ ｌｎ ｔ ｒ ｎ ｕ ａ ｅ ｗｏ ｋ
ＬＵ ｈ ｎ ｕ Ｌ Ｕ ｎ ｇ ｉ Ｃ ｕ ｈ ａ， Ｉ Ｒｏ ｇ ｕ
（ ｅａ ｍ ｎ ｆ ｉｌ ｎｉｅｒ ｇＪ ｎｓ ｎｖｒ ｔ Ｄ ｐｒ ｅ ｔ ｖ ｇ ｅｉ ｉ ｇｕＵ ｉｅｓｙ，Ｚ ｅｊ ｎ ２２ １ ，Ｃ ｉａ ｔ ｏ Ｃ ｉＥ ｎ ｎ ａ ｉ ｈｎｉ ｇ １０３ ｈｎ ） ａ
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第33卷第5期2003年9月 东南大学学报(自然科学版)JOUR NAL OF SOUTHEAST UNIVER SITY (Natural Science Edition )Vol .33No .5Sept .2003应力状态下混凝土的碳化试验研究涂永明 吕志涛(东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096)摘要:进行了碳化环境下预应力混凝土试件的耐久性试验研究,阐述了在应力和碳化共同作用下的混凝土结构破损机理及规律.试件为无应力、弯曲受拉和直接受压的应力状态,采用加速碳化的试验方案.分别引进k wc 和χσ反映碳化深度与混凝土质量、强度和应力水平的关系,建立了应力状态下的混凝土碳化深度的多因素预测模型.结果表明:拉、压应力分别加快和减缓了混凝土的碳化速率,且应力越大;碳化速率的改变越大;χσ可以反映碳化速率的变化趋势.施加预应力能够控制混凝土裂缝的发展、消除或限制裂缝的宽度,因此,预应力混凝土结构的耐久性比普通混凝土结构的耐久性更好.关键词:预应力混凝土结构;耐久性;应力;碳化;腐蚀中图分类号:TU37 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2003)05-0573-04Experiment and research of presteressed concrete structurein carbonation corrosive environmentsT u Yongming L ǜZhitao(Key Lab of R C &PC Structures of Minis try of Education ,Southeas t Universit y ,Nanjing 210096,China )A bstract : The durability experiments of prestr essed concrete specimens in carbonation corrosive environ -ments were carried out .The corrosion mechanism of c oncrete under the coactions of stress and carbonation c or -rosion was discussed .The specimens were categor ized into three types :non -stressed ,bend -tensile stress andc ompressive str ess .Carbonation of the specimens was acc elerated .A multi -factor m odel forecasting the car -bonation depth of pr estressed concr ete was constructed ,introducing k wc and χσ,which describe the r elation -ships between carbonation depth and concrete quality or strength or stress levels .The r esults sho w that the tensile str ess and compressive str ess are able to accelerate or slow do wn the concrete carbonation ,respective -ly ,and the larger the changes in stresses ,the lar ger the changes in carbonation degrees .χσreflects the changes well .The compressive str ess can control the development of c oncrete cracks ,and eliminate the crack width ,so the durability of the prestressed concrete str ucture is better than that of an ordinar y c oncrete struc -ture .Key words : prestressed concrete str ucture ;durability ;stress ;carbonation ;corrosion 收稿日期:2003-04-25. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59978008). 作者简介:涂永明(1978—),男,博士生;吕志涛(联系人),教授,博士生导师,中国工程院院士,luzhitao @seu .edu .cn . 自20世纪六、七十年代开始,混凝土的碳化研究已成为结构耐久性研究的重点,但迄今为止,应力状态下混凝土的碳化试验研究仍很少见.本文研究了预应力混凝土结构在碳化环境下的耐久性能,并对此进行了试验与研究.1 应力状态下的混凝土碳化试验1.1 试验方案 试验研究了在碳化侵蚀环境下,应力状态、水灰比(指质量比,下同)、保护层厚度等因素对混凝土碳化速率的影响.试件分为无应力状态、拉应力状态和压应力状态3类,每一类试件根据水灰比和应力水平的不同分为若干工况,详见表1.其中,f t为混凝土抗拉强度,f c为抗压强度.表1 混凝土碳化试件的试验工况项目水灰比工况应力状态无应力状态0.410 0.520拉(压)应力状态10.3f t(0.3f c) 0.420.5f t(0.5f c)30.7f t(0.7f c)40.3f t(0.3f c) 0.550.5f t(0.5f c)60.7f t(0.7f c) 试验材料:水泥采用江南水泥厂生产的525#普通硅酸盐水泥;砂子的细度模数为2.40,级配II区,含泥质量分数为0.20%;石子为石灰岩碎石,一级配5～20mm,容重1550kg/m3.试件的配合比及混凝土实测强度等级见表2.表2 试件混凝土配合比序号水灰比水/kg水泥/kg砂子/kg碎石/kg减水剂质量分数/%强度等级10.40180450672.61097.40.45C4220.50180360744.01116.0C311.2 试验方法试验在河海大学土木学院建材试验室进行,采用将试件置于碳化箱加速腐蚀的方法,碳化时间为90d.该碳化箱具有自动调控温度、湿度及C O2体积分数的功能.碳化箱中碳化环境设置为:CO2体积分数为(20±3)%,湿度为(70±5)%,温度为(20±5)℃.试验按照国标GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》[1]执行.试验的关键之一是实现试件所确定的受力状态.1)拉应力状态的实现试验时以构件的弯曲受拉代替轴向受拉,其原因有2点:①混凝土碳化箱空间有限,混凝土碳化试件实现轴向受拉难度较大;②实际结构中轴向受拉的情况很少,大部分都是弯曲受拉,以弯曲受拉代替轴向受拉更有实际意义.试件的弯曲拉应力如表3所示.2)压应力状态的实现通过施加预应力可以使试件产生预期的压应力状态.采用后张法,试件预先留有孔道,采用镦头锚,不留扩大端,所用的垫块及锚具专门加工而成.考虑到预应力筋的应力松弛和混凝土收缩与徐变,因此对每一个试件的预应力筋均超张拉3%,试件压应力如表4所示.表3 预应力混凝土试件的受拉工况序号水灰比f c/MPa实际施加拉应力/MPa10.420.300.5760.515.500.66720.420.301.0360.515.501.01530.420.301.2900.515.501.291表4 预应力混凝土试件的受压工况序号水灰比f c/MPa实际施加压应力/MPa10.4020.306.270.5015.504.7920.4020.3010.450.5015.507.9830.4020.3014.640.5015.5011.182 建立应力状态下的混凝土碳化深度模型 与预应力混凝土结构碳化相关的因素可以分为内部因素和外部因素,外部因素包括大气中C O2的体积分数、湿度、温度等,内部因素包括水泥标号、混凝土强度等级、水灰比以及应力等因素.C O2在混凝土中的传输途径是多样的,主要包括扩散作用、渗透作用和毛细管作用等,而其中以扩撒作用最为稳定且影响最大,因而可以采用稳态扩散理论(Fic k第一定律)模拟C O2的碳化作用[2].采用稳态扩散理论模拟预应力混凝土结构碳化时面临着2个问题:①如何在稳态扩散模型中考虑到渗透作用和毛细作用等非扩散作用;②因为稳态扩散理论的适用空间是各向同性的,而预应力施加在结构上,将使得结构的扩散空间不满足各向同性的要求.为了克服上述困难,首先,引进多个代数因子,并在量化这些代数因子的过程中,考虑其余传输途径的影响;其次,经过分析可以发现,由于施加预应力而使结构产生的应力水平与混凝土材料的弹性模量相比,是一个非常小的量,可以认为没有对混凝土的物理性质产生任何影响.以上2点,既保证了稳态扩散模型对预应力混凝土结构仍然成立,又使得在合理的预应力分布及适当的预应力水平下,结构的耐久性得到较大的裨益.在以往的碳化深度预测模型的基础上,建立如下应力状态下的碳化深度数学模型[2,3]:X=ηk Rhk T k CO2k wcχσt(1)式中,η为模型调节常数,采用无应力状态下的回归常数,η=1.6175;k Rh为环境相对湿度影响系数,574东南大学学报(自然科学版)第33卷k Rh =R h(100-R h)R h0(100-R h0),其中R h为碳化环境下的相对湿度,R h0为标准环境相对湿度,取R h0=50;k T为环境温度影响系数,k T=4TT0,T为环境温度,T0为标准环境温度,取T0=20℃;k CO2为CO2体积分数影响系数,k CO2=C0;k wc为混凝土质量及水灰比影响系数,该系数反映混凝土的浇筑及养护状况.在模型中,该系数是利用混凝土强度、水泥标号和水灰比之间的关系回归而得的以水灰比为惟一变量的表达式,k wc=0.236442+1.54216w c-1.18708w c2 +0.459843w c3,其中,w c为水灰比;χσ为应力状态影响函数,即拉应力时 χσ=1+αc tσc t+βctσ2ct+γc tσ3c t压应力时 χσ=1+αc pσc p+βc pσ2c p+γc pσ3c p其中,αct,βct,γct,αcp,βcp和γcp均为待定参数.3 试验结果分析为保证试件在碳化箱中的碳化在一维尺度内进行(沿着混凝土试件表面法线方向),用石蜡封闭试件的其他5个表面.因试件处于受力状态,无法分期取出进行碳化深度检测,故采用石蜡分期分段封闭试件表面的办法.考虑到交叉碳化影响的不同,受拉试件采用两段封闭,即45d封闭一次;受压试件采用三段封闭,即30d封闭一次[4].拉应力状态试件及压应力状态试件试验结果见表5和表6.表5 拉应力状态下预应力混凝土试件碳化深度项次水灰比应力状态拉应力/MPa45d碳化深度/mm90d碳化深度/mm均值均方差均值均方差10.400.00.029.03.9436.453.92 20.400.3f t0.57629.63.0437.51.75 30.400.5f t1.03630.20.7639.03.75 40.400.7f t1.29031.02.2040.52.75表6 压应力状态下预应力混凝土试件碳化深度项次水灰比应力状态压应力/M Pa30d碳化深度/mm60d天碳化深度/mm90d碳化深度/mm均值均方差均值均方差均值均方差10.400.00.025.452.0731.305.8136.453.92 20.400.3f c6.2723.203.3631.902.6934.452.62 30.400.5f c10.4522.500.8526.382.2331.568.47 40.400.7f c14.6419.951.7225.130.4229.191.25 根据实测试验数据,采用代数学上广义逆的概念,计算系数矩阵的广义逆,最终可以得到αct=-0.112581βct=0.129026γct=-0.0126427(2)αcp=0.00452352βcp=-0.00354674γcp=0.00014676(3)因而,根据式(1)可以分别得到:拉应力状态下的混凝土碳化深度计算模型为X=ηk Rhk T k CO2k wc(1-0.112581σct+0.129026σ2ct-0.0126427σ3ct)t(4)压应力状态下的混凝土碳化深度计算模型为X=ηk Rhk T k CO2k wc(1+0.00452352σcp-0.00354674σ2cp+0.00014676σ3cp)t(5)分别将拉、压应力的数值代入碳化深度计算模型(4)、(5),并与测量值比较,结果见表7和表8.表7 拉应力状态下碳化深度实测值与计算值比较项次应力状态应力/M Pa45d碳化深度90d碳化深度实测值/mm计算值/mm误差/%实测值/mm计算值/mm误差/% 10.3f t0.57629.628.69-5.2137.539.685.81 20.5f t1.03630.228.89-4.3439.040.854.76 30.7f t1.29031.029.82-3.8140.542.174.12575第5期涂永明,等:应力状态下混凝土的碳化试验研究表8 压应力状态下碳化深度实测值与计算值比较项次应力/MPa30d碳化深度60d碳化深度90d碳化深度实测值/mm计算值/mm误差/%实测值/mm计算值/mm误差/%实测值/mm计算值/mm误差/%10.025.4523.05-9.4031.3032.614.1836.4539.949.57 26.2723.2021.88-5.6831.9030.95-2.9934.4537.9010.01 310.4522.5019.79-12.0426.3827.996.1031.5634.288.62 414.6419.9518.20-8.7725.1325.732.3729.1931.517.94 试验中水灰比为0.50工况下的所有试件,由于检测时已经完全碳化,因而没有得到该工况下的试验数据.究其原因为:1)水灰比的增加导致混凝土碳化速率的超线性增加.2)试验中试件制作、养护不良,混凝土质量不是很好,导致了其强度等级的降低,渗透性增大.4 结论1)试验结果表明:拉应力加快了混凝土碳化的速率,而且拉应力越大,碳化的速率越大;反之,压应力可以减缓混凝土的碳化速率,而且压应力越大,碳化速率越小.应力状态对混凝土碳化的影响是显著的.2)预应力混凝土结构在长期荷载作用下,一般不开裂或者裂缝宽度比较小,采用应力状态影响函数χσ可以较为客观地反映混凝土在拉应力作用下的宏观、细观上的开裂状况以及在压应力作用下的对混凝土密实度的有利作用.因此,采用应力状态影响函数χσ建立预应力混凝土结构的碳化深度预测模型更能符合实际工程情况.3)数学模型的内部因素自调节能力较强,而外部因素自调节能力较弱.这是因为模型是在确定的温度、湿度和二氧化碳体积分数的情况下建立的,这些外界因素在模型里是作为“常数”来考虑的,因而使得模型的建立大为简化,可是带来的影响是这个模型在外界因素发生变化时,可能使相应的参数发生变化.而对于时间参量t和内部因素,即水灰比,混凝土质量和应力水平等,在模型中作为变量考虑,因而其自适应能力要强得多.4)因为预应力混凝土结构的碳化试验数据很少,加之混凝土本身的离散性比较大,因此,这个数学模型的试验数据是不完备的,还需要更多的试验和工程加以检验,不断地提供更多的测量数据对这个模型进行修正和改进.参考文献(References)[1]中华人民共和国建设部.GBJ82—85普通混凝土长期性能和耐久性试验方法[S].北京:中国建筑工业出版社,1985.[2]张 誉,蒋利学.基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型[J].工业建筑,1998,28(8):1619.Zhang Yu,Jiang Lixue.Practical mathematical model of car-bonation depth of concrete based on the mechanism of carbon-ation[J].Indus trial Cons tru ction,1998,28(8):1619.(in Chinese)[3]牛荻涛,董振平,浦聿修.预测混凝土碳化深度的随机模型[J].工业建筑,1999,29(9):4145.Niu Ditao,Dong Zhenping,Jin Yuxiu.Stochastic model forforecasting carbonation depth[J].Industrial Cons 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