混凝土碳化本構(gòu)關(guān)系與碳化深度數(shù)學(xué)模型的分析論文
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(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2001修編時(shí)，引入了相關(guān)的章節(jié)。十一五期間，是我國混凝土耐久性研究成果最多的時(shí)期，修編出版了《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009,編制了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008,《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》CECS220:2007《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》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(guī)范對混凝土均采用“雙控”的要求，控制最低混凝土強(qiáng)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。混凝土的碳化系數(shù)是反映其抗碳化能力的主要指標(biāo)，混凝土的碳化系數(shù)與硬化混凝土的力學(xué)指標(biāo)立方體抗壓強(qiáng)度fcu。有密切關(guān)系，德國在1967年提出的“Smolezyk 模型”，是較早描述這一關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，由于硬化混凝土的碳化系數(shù)與混凝土的強(qiáng)度相關(guān)性很好，建立塑性混凝土的主要指標(biāo)孔隙比、水泥用量與強(qiáng)度的關(guān)系，就可建立與碳化系數(shù)的關(guān)系，筆者根據(jù)國內(nèi)奈系混凝土的使用情況研究了混凝土強(qiáng)度與混凝土碳化系數(shù)的關(guān)系，本文對在一研究的情況做一介紹，希望能達(dá)到“拋磚引玉”的作用。
2混凝土碳化的本構(gòu)關(guān)系
2.1混凝土的孔結(jié)構(gòu)和微觀裂縫
混凝土的強(qiáng)度、滲透性和抗碳化性能取決于混凝土的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)可分為凝膠孔和毛細(xì)孔。凝膠孔對混凝土無害，而毛細(xì)孔的最可兒孔徑(出現(xiàn)幾率最大的孔徑)分布對混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性有比較大的影響，混凝土內(nèi)部連通的孔隙和毛細(xì)孔通道，則是造成抗?jié)B性降低的主要原因。
美國加州大學(xué)的MehtaPK的試驗(yàn)表明:孔徑小于1320人孔對混凝土的抗?jié)B性和強(qiáng)度將不產(chǎn)生影響。Metha將孔隙按孔徑直徑d分為4個(gè)等級:d<20nm(1 nm="10人)的無害孔;d為20-50nm少害孔;d為50-l00nm的有害孔;d">100nm的多害孔。
混凝土毛細(xì)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(jié)時(shí)，隨水膠比減小時(shí)，混凝土的總孔隙率減小，膠凝孔含量增多，毛細(xì)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(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、微觀裂縫及水化程度均發(fā)生明顯差異。當(dāng)水膠比小于0.5時(shí)，隨水膠比的變化混凝土的最可兒孔徑分布明顯向少害孔移動，毛細(xì)孔迅速減少，混凝土的滲透性也迅速減小。當(dāng)水膠比大于0.5后，混凝土的抗?jié)B性能迅速降低。混凝土的水膠比也影響著漿料與骨料的邊界厚度，當(dāng)水膠比為0.6時(shí)，漿料與骨料的邊界厚度約為30um，容易形成粗大晶體和較多大孔，較大水膠比混凝土的多余水分蒸發(fā)和泌水是造成混凝土內(nèi)部孔隙連通和產(chǎn)生毛細(xì)孔的重要原因。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，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(dāng)水膠比大于0.42時(shí)，水泥的水化程度達(dá)到100% .
水泥水化時(shí)水化熱的降溫梯度是在塑性混凝土中產(chǎn)生微觀裂縫的主要原因。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)混凝土的水膠比小于0.36時(shí)，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?jié)B能力和抗碳化性能也相對降低。
2.2國內(nèi)減水劑的便用情況
筆者按國內(nèi)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(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，也有助于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集整理和分類統(tǒng)計(jì)，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0.5-0.6，一般沒有摻合料，一般為30-5Omm，水調(diào)整，非泵送，水用量大，耐久性一般。第二代混凝土:約1990年后，奈系類減水劑，減水性能好，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年后，聚羧酸類減水劑(主要用于中高強(qiáng)高性能混凝土)，水膠比可控制在0.4左右，摻合料為粉煤灰、磨細(xì)礦粉、硅粉，坍落度在180mm左右，泵送，減水性能更好，水用量更少，耐久性更好。近年來聚羧酸類減水劑也用于中低強(qiáng)度混凝土。
2001年為研究混凝土的早期開裂原因，中國建筑科學(xué)研究院組織國內(nèi)14個(gè)研究單位開展了相關(guān)研究，并對國內(nèi)奈系混凝土的使用情況進(jìn)行了調(diào)查。
3混凝土碳化數(shù)學(xué)模型的分析與研究
混凝土碳化的影響因素較多，有外部因素和內(nèi)部因素。外部作用因素包括:Co2濃度、濕度、溫度、應(yīng)力、位置等。內(nèi)部影響因素包括:用水量及水膠比、水泥用量及水泥品種、減水劑品種、摻合料品種、粗骨料及骨料的級配，拌合、澆筑振搗、養(yǎng)護(hù)等。
在筆者收集到的混凝土碳化深度預(yù)估模型有18個(gè)，(1)日本Nishi, 浜田岸谷學(xué)者碳化模型
(1962、1963) , (2)日本規(guī)范模型，(3)德國Smolczyk模型(1967) ，(4)中建院的多系數(shù)碳化模型(1982) ,(5)Tuutti碳化模型(1982), (6)龔洛書模型(1985), (7)山東朱安民碳化模型(1985), (8)西安張令茂(1990), (8)上海黃士元碳化模型(1991) , (10)希臘Papadakis碳化模型(1991,2000) , (11)邸小壇兩個(gè)碳化模型(1994),(12)Lesahe de contenay模型(1995), (13)張譽(yù)模型(1996), (14)上海劉亞芹(1997)，(15)牛荻濤碳化預(yù)測隨機(jī)模型(1999) (16)CEB TGV, 1+2碳化模型(2000), (17)南京吳紹章模型(2000), (18)張海燕模型(2006)。18種碳化深度數(shù)學(xué)模型基本上反映混凝土碳化的影響因素。
碳化深度數(shù)學(xué)模型基本可分為以下幾個(gè)類型:(1)基于擴(kuò)散理論，有張譽(yù)模型、劉亞芹模型;(2)基于物理-化學(xué)反應(yīng)，有Tuutti模型、希臘Papadakis模型、CEB TG V,1+2模型;(3)基于實(shí)驗(yàn)室的多系數(shù)模型，塑性混凝土碳化數(shù)學(xué)模型白變量為W/C或W/C+C0(4)其他的為基于工程觀察的多系數(shù)模型，硬化混凝土碳化數(shù)學(xué)模型白變量為fcu.
筆者根據(jù)混凝土碳化的本構(gòu)關(guān)系對這些數(shù)學(xué)模型的主要白變量進(jìn)行了初步研究。
3.1碳化系數(shù)K與塑性混凝土W/C,C的關(guān)系
多數(shù)混凝土碳化數(shù)學(xué)模型將塑性混凝土的水膠比作為碳化數(shù)學(xué)模型的第一白變量，這與水膠比對硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)的影響有關(guān):當(dāng)混凝土的水膠比大于0.5時(shí)，混凝土的有害孔隙明顯增多，混凝土的抗?jié)B能力大大下降，即混凝土的抗碳化能力明顯下降。筆者認(rèn)為:對水膠比大于0.5的混凝土，水膠比作為碳化數(shù)學(xué)模型的“單白變量”，能較好反映混凝土的碳化情況混凝土。對水膠比小于0.5的混凝土，水膠比作為碳化數(shù)學(xué)模型的單一白變量，則不能反映混凝土的碳化情況，采用奈系高效減水劑的混凝土抗壓等級從C20上升到C50,混凝土的用水量只從190Kg降到182Kg，水的用量變化很小，強(qiáng)度等級提高基本只與膠凝材料的用量有主要關(guān)系，因此，應(yīng)當(dāng)用有水泥用量的“雙白變量模型”或“多白變量模型”來描述塑性混凝土碳化的本構(gòu)關(guān)系。
4“胡蘇模型”的建立與驗(yàn)證
在筆者收集的十八種混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型中，同濟(jì)大學(xué)的“張譽(yù)模型”是基于Fick第一定律最好的數(shù)學(xué)解析模型，但其不適用于“低濕度”條件。在分析“張譽(yù)模型”的這個(gè)問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)是在引用希臘學(xué)者Papadakisde有效擴(kuò)散系數(shù)De時(shí)造成的。
張海燕模型提供了不同濕度條件下的快速碳化濕度模型，當(dāng)濕度從40%增大到80%時(shí)，碳化深度逐步減小，但筆者認(rèn)為該濕度模型也不準(zhǔn)確，CECS220:2007提供了一個(gè)偏峰的最大二乘法模型，其最大峰值對應(yīng)的濕度為60%，牛荻濤濕度模型的最大峰值對應(yīng)的濕度為50% , Papadakisde的試驗(yàn)結(jié)果。相同條件下，濕度45%, 55%的碳化深度比濕度35%, 70%的碳化深度大3-4mm，這符合濕度對混凝土碳化影響的本構(gòu)關(guān)系，即濕度為0%時(shí)沒有電解液，不會發(fā)生碳化化學(xué)反應(yīng)，濕度為100%時(shí)，CO2氣體基本無法滲入，碳化化學(xué)反應(yīng)極慢。
在對比幾種濕度模型的關(guān)系后，筆者采用“略偏峰的微瘦的”一元二次方程濕度模型對“張譽(yù)模型”簡單修改，很輕易的解決了“張譽(yù)模型”不適用于“低濕度”條件的問題。
筆者將這一混凝土碳化數(shù)學(xué)模型稱為“胡蘇配合比模型”。與Papadakis的試驗(yàn)結(jié)果的誤差。其絕對誤差為1.1 mm，相對誤差小于5%，驗(yàn)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。
Papadakis的碳化試驗(yàn)是在試塊90d水養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行的，混凝土的水化程度高，避免了混凝土早期復(fù)雜反應(yīng)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(gòu)關(guān)系。因此，筆者建議:(1)碳化試驗(yàn)應(yīng)在混凝土“水養(yǎng)護(hù)”90d充分水化進(jìn)行，(2)現(xiàn)在的快速碳化試驗(yàn)箱應(yīng)加裝“白動濕度調(diào)控儀器系統(tǒng)”，用不同濕度的快速碳化試驗(yàn)結(jié)果建立更好。的碳化濕度模型，(3)碳化試驗(yàn)采用40%-60%的C02體積濃度，碳化時(shí)問為Sd-10d的試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行。建議快速碳化試驗(yàn)開展這一方面的研究
5結(jié)論與建議
1.混凝土碳化的影響因素較多，有外部因素和內(nèi)部因素。混凝土的碳化速率取決于混凝土的孔隙結(jié)果和微觀裂縫，其碳化速度是由孔隙中二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)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(shí)用價(jià)值，尚需進(jìn)一步的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和工程驗(yàn)證。碳化深度的數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，外因應(yīng)以濕度為第一自變量，內(nèi)因應(yīng)以水膠比為第一自變量，混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用多參數(shù)的綜合模型。
3.現(xiàn)有的快速碳化試驗(yàn)方法與現(xiàn)代混凝土的本構(gòu)關(guān)系不適應(yīng)，建議快速碳化試驗(yàn)在膠凝材料充分水化后、在混凝土試塊標(biāo)養(yǎng)90d后進(jìn)行，快速碳化試驗(yàn)應(yīng)設(shè)置精確的“濕度自動調(diào)控系統(tǒng)”，濕度控制由70%降到最不利濕度50%左右。在快速碳化試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)“增加一組”同條件立方體試塊在快速碳化試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以便檢查快速碳化試驗(yàn)的碳化系數(shù)變化和誤差情況。
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