混凝土碳化本構關係與碳化深度數學模型論文
混凝土碳化本構關係與碳化深度數學模型論文
1前言
我國開展混凝土耐久性的研究較早，七五期間，我國就開展了混凝土耐久性的系統研究，取得了一定成果。九五期間，我國開展了混凝土耐久性廣泛的研究，在《混凝土結構設計規範》GB50010-2001修編時，引入了相關的章節。十一五期間，是我國混凝土耐久性研究成果最多的時期，修編出版了《普通混凝土長期效能和耐久效能試驗方法標準》GB/T50082-2009,編制了《混凝土結構耐久性設計規範》GB/T50476-2008,《混凝土結構耐久性評定標準》CECS220-2007《混凝土耐久性檢驗評定標準》JGJ/T 193-2009 。
混凝土碳化破壞的影響因素較多，我國混凝土耐久性規範對混凝土均採用“雙控”的要求，控制最低混凝土強度等級，控制最大水膠比和最小水泥用量，顯然混凝土的抗碳化能力是碳化破壞的主要因素。混凝土的碳化係數是反映其抗碳化能力的主要指標，混凝土的碳化係數與硬化混凝土的力學指標立方體抗壓強度幾。有密切關係，德國在1967年提出的Smolezyk模型，是較早描述這一關係的數學模型，由於硬化混凝土的碳化係數與混凝土的強度相關性很好，建立塑性混凝土的主要指標孔隙比、水泥用量與強度的關係，就可建立與碳化係數的關係，筆者根據國內奈系混凝土的使用情況研究了混凝土強度與混凝土碳化係數的關係，本文對在一研究的情況做一介紹，希望能達到“拋磚引玉”的作用。
2混凝土碳化的本構關係
2.1混凝土的孔結構和微觀裂縫
混凝土的強度、滲透性和抗碳化效能取決於混凝土的孔結構，孔結構可分為凝膠孔和毛細孔。凝膠孔對混凝土無害，而毛細孔的最可兒孔徑(出現機率最大的孔徑)分佈對混凝土的強度和抗滲性有比較大的影響，混凝土內部連通的孔隙和毛細孔通道，則是造成抗滲性降低的主要原因。
混凝土毛細孔則因水膠比和水化程度的差異，孔徑變化較大，可分為少害孔、有害孔和多害孔。混凝土凝結時，隨水膠比減小時，混凝土的總孔隙率減小，膠凝孔含量增多，毛細孔則減少。
減水劑是提高混凝土的抗碳化能力的最主要的因素，水膠比不同，水泥水化的晶體結構、孔結構、微觀裂縫及水化程度均發生明顯差異。當水膠比小於0.5時，隨水膠比的變化混凝土的.最可兒孔徑分佈明顯向少害孔移動，毛細孔迅速減少，混凝土的滲透性也迅速減小。當水膠比大於0.5後，混凝土的抗滲效能迅速降低。混凝土的水膠比也影響著漿料與骨料的邊界厚度，當水膠比為0.6時，漿料與骨料的邊界厚度約為3 0um，容易形成粗大晶體和較多大孔，較大水膠比混凝土的多餘水分蒸發和泌水是造成混凝土內部孔隙連通和產生毛細孔的重要原因。當水膠比為0.4時，漿料與骨料的邊界厚度猛降到5um，形成較小的晶體和較少的大孔，使混凝土的抗碳化能力提高。當水膠比大於0.42時，水泥的水化程度達到100%.
水泥水化時水化熱的降溫梯度是在塑性混凝土中產生微觀裂縫的主要原因。根據哈爾濱工業大學的試驗結果分析，當混凝土的水膠比小於0.36時，混凝土的早期白收縮會異常加大，在約束條件下混凝土的微觀裂縫會增多，其抗滲能力和抗碳化效能也相對降低。1994年，美國PKMehta提出了混凝土耐久性綜合破壞模型。
2.2國內減水劑的使用情況
筆者按國內減水劑的使用情況將“普通混凝土”劃為三代，以便對混凝土的碳化本構關係進行描述，也有助於試驗資料的收集整理和分類統計，以下簡稱為“第一代混凝土”，“第二代混凝土”，“第三代混凝土”。
第一代混凝土:約1990年前，木鈣類減水劑(不摻或少摻)水灰比在0.50.6，一般沒有摻合料，一般為30-5Omm，水調整，非泵送，水用量大，耐久性一般。第二代混凝土:約1990年後，奈系類減水劑，減水效能好，水膠比可控制在0.45左右，摻合料為粉煤灰(摻或不摻)，坍落度在180mm左右，泵送，大量減少水用量，耐久性較好。第三代混凝土:約2000年後，聚梭酸類減水劑(主要用於中高強高效能混凝土)，水膠比可控制在0.4左右，摻合料為粉煤灰、磨細礦粉、矽粉，坍落度在180mm左右，泵送，減水效能更好，水用量更少，耐久性更好。近年來聚梭酸類減水劑也用於中低強度混凝土。
2001年為研究混凝土的早期開裂原因，中國建築科學研究院組織國內14個研究單位開展了相關研究，並對國內奈系混凝土的使用情況進行了調查。
表格中，筆者增加了一個混凝土“漿體積比”的統計引數，此概念由普通混凝土配合比試驗時“控制漿骨體積比”的概念轉換而來，一般要求塑性混凝土的漿骨體積比為0.35:0.65以下，水泥漿體積比控制在0.270.35，相同強度等級的混凝土漿體積比提高一些，混凝土的早期強度高一些，但混凝土28d的強度相應低一些。漿骨體積比小於0.27的混凝土則為乾硬性混凝土，澆築時採用平板振搗器或碾壓成型。漿骨體積比大於0.35的高強混凝土，由於採用高活性的矽灰等摻合料，混凝土的孔結構分佈、水化熱和水化過程已與普通混凝土不同，其抗滲效能和抗碳化效能總體較高。
3“胡蘇模型”的建立與驗證
在筆者收集的十八種混凝土碳化深度數學模型中，同濟大學的“張譽模型”是基於Fick第一定律最好的數學解析模型，但其不適用於“低溼度”條件。在分析“張譽模型”的這個間題時，發現是在引用希臘學者Papadakisde有效擴散係數時造成的。
張海燕模型提供了不同溼度條件下的快速碳化溼度模型，當溼度從40%增大到80%時，碳化深度逐步減小，但筆者認為該溼度模型也不準確，CECS220:2007提供了一個偏峰的最大二乘法模型，其最大峰值對應的溼度為60%，牛荻濤溼度模型的最大峰值對應的溼度為50% 。 Papadakisde的試驗結果表明，相同條件下，溼度45%, 55%的碳化深度比溼度35%, 70%的碳化深度大3-4mm，這符合溼度對混凝土碳化影響的本構關係，即溼度為0%時沒有電解液，不會發生碳化化學反應，溼度為100%時，CO2氣體基本無法滲入，碳化化學反應極慢。
在對比幾種溼度模型的關係後，筆者採用“略偏峰的微瘦的”一元二次方程溼度模型對“張譽模型”簡單修改，很輕易的解決了“張譽模型”不適用於“低溼度”條件的間題。
筆者將這一混凝土碳化數學模型稱為“胡蘇配合比模型”。與Papadakis的試驗結果的誤差其絕對誤差為1.1 mm，相對誤差小於5%，驗算結果與試驗結果基本一致。
Papadakis的碳化試驗是在試塊90d水養護條件下進行的，混凝土的水化程度高，避免了混凝土早期複雜反應的過程帶來的誤差，即使5d的碳化也能反映混凝土的碳化本構關係。因此，筆者建議:(1)碳化試驗應在混凝土“水養護”90d充分水化進行，(2)現在的快速碳化試驗箱應加裝“白動溼度調控儀器系統”，用不同溼度的快速碳化試驗結果建立更好。的碳化溼度模型，(3)碳化試驗採用40%-60%的C02體積濃度，碳化時間為的試驗時間進行。建議快速碳化試驗開展這一方面的研究
4結論與建議
1.混凝土碳化的影響因素較多，有外部因素和內部因素。混凝土的碳化速率取決於混凝土的孔隙結果和微觀裂縫，其碳化速度是由孔隙中二氧化碳的化學反應和和微觀裂縫的滲透性綜合決定的。
2.本文提出的“胡蘇模型”有一定的實用價值，尚需進一步的數學推導和工程驗證。碳化深度的數學模型建立時，外因應以溼度為第一白變數，內因應以水膠比為第一白變數，混凝土碳化深度數學模型應採用多引數的綜合模型。
3.現有的快速碳化試驗方法與現代混凝土的本構關係不適應，建議快速碳化試驗在膠凝材料充分水化後、在混凝土試塊標養90d後進行，快速碳化試驗應設定精確的“溼度白動調控系統”，溼度控制由70%降到最不利溼度50%左右。在快速碳化試驗時，應“增加一組”同條件立方體試塊在快速碳化試驗結束後進行混凝土抗壓強度試驗，以便檢查快速碳化試驗的碳化係數變化和誤差情況。