混凝土碳化机理及时间效应模型研究

摘 要：混凝土碳化的时间效应是土木工程中一个重要的研究课题。首先，从内部因素、环境因素、施工因素等三方面分析了混凝土碳化的主要影响因素。接着，分析了混凝土碳化时间效应的传统数学模型，并对其进行了归纳总结，建立了广义碳化模型。最后，通过实验室试验数据模拟和误差分析，指出了广义碳化模型的适用范围。

关键词： 混凝土；碳化深度；时间效应；经验模型

1 前言

混凝土碳化（concrete carbonation）是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳发生作用， 生成碳酸钙或其他物质的物理化学过程[1-2]。其碳化深度随着时间的发展逐渐增大，通常称之为碳化时间效应。随着碳化深度的增加，混凝土构件的有效截面将逐渐减小，混凝土中的钢筋将会逐渐锈蚀，进而削弱结构的安全性和耐久性，缩短混凝土工程的使用寿命[3-4]。因此， 建立混凝土碳化模型， 预测碳化深度的发展过程， 对于结构或构件耐久性的分析和结构剩余寿命的预测有重要意义。

2 混凝土碳化影响因素

2.1 内部因素

混凝土中增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备。因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢。另外，水泥品种对碳化速度也有重要影响，试验表明[2]，在相同条件下高炉矿渣水泥碳化速度最快，早强水泥对应的速度最慢。

2.2 环境因素

温度、湿度、光照都是影响碳化的外界因素。混凝土碳化与光照和温度有直接关系。随着温度提高，二氧化碳在空气中的扩散逐渐增大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件。阳光的直射，加速了其化学反应，碳化速度加快。二氧化碳溶于水后形成碳酸才能和氢氧化钙进行化学反应，所以非常干燥时，混凝土碳化无法进行。由于混凝土的碳化本身是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。试验表明，相对湿度在50%～70%之间时，混凝土碳化速度最快。

2.3 施工因素

施工质量差表现为振捣不密实、养护不善，造成混凝土密实低、蜂窝麻面多，为大气中的二氧化碳、氧和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土养护状况对碳化也有一定影响。混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土渗透性增大，碳化加快。

3 混凝土碳化的时间效应模型

经验模型是以快速碳化试验与室外暴露试验，以及实际工程碳化调查为基础而建立的模型，对实际工程有较大意义[1，2，4]。经验模型公式的计算一般较为方便，其系数选取需要结合实际工程。

3.1 传统数学模型

以水灰比（W/C）为主要变量的经验模型，主要以朱安民模型和Nishi 模型为代表，其相应的经验公式分别见公式（1）和公式（2）：

（1）

（2）

以水灰比（W/C）和水泥用量（C）为因素的经验模型主要以邸小坛模型和张令茂模型为代表，其表达式分别为公式（3）和公式（4）：

（3）

（4）

经验模型，在考虑了抗压强度、使用环境、养护条件和水泥品种等影响因素的基础上，以混凝土抗压强度为主要参数，牛荻涛提出了碳化深度的计算公式：

（5）

以上公式中，y表示碳化深度，t表示碳化时间，其它符号的意义参见具体文献。

3.2 广义碳化模型

以上碳化深度时间效应的经验模型，得到了较为广泛的应用。虽然表达方式各不相同，但它们均为时间t的0.5次方，总体可归结为统一的模型公式，隐含着碳化深度的平方与时间成正比：

（6）

式中，u、v为综合影响系数。上式是对公式（1）-（5）的广义数学概括，暂且称之为“广义碳化模型”。

从数学本质上讲，传统模型和广义碳化模型一样，均是仅有一个独立的模型参数u或v。

3.3 模型验证

采用广义碳化模型公式（6）分别对C20、C40、C60等不同强度混凝土的试验数据进行拟合模拟，结果见图1，图1中的实测数据来自文献[5]。为了进一步说明模型的精度，把不同强度的混凝土的模拟误差绘于图2。

图1 碳化时间效应实测与模拟 图2 模拟误差分布图

由图1和图2可见：

（1）广义碳化模型的趋势与混凝土碳化时间效应相同；

（2）广义碳化模型对高强度混凝土的碳化时间效应模拟较好，对低强度混凝土模拟存在较大误差；

（3）模拟误差总是呈现先负后正的分布态势，这一态势与混凝土强度等级无关；

（4）误差的分布态势可能是模型只有一个独立的变量这一局限性造成的。

4 结束语

文章对混凝土碳化的时间效应从机理、影响因素、时间效应模型等三方面进行了分析，并对时间效应模型的公式进行了归纳。通过不同强度混凝土的实测数据，对传统碳化模型的精确性进行了验证，结果表明传统模型存在较大的拟合误差，这可能与传统模型仅有一个独立的模型参数有关，根据试验数据，建立更为合理的多参数数学模型，还待进一步研究。

参考文献

[1]Wang Wei， Shu Zhijian， Zheng Qiang， et al. Tang. Study on predicting method for time-dependent concrete carbonation depth： improved empirical simulating formula [J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering， 2013， 18（K）， 2309-2322.

[2]肖佳，勾成福，金勇剛.混凝土碳化深度预测模型[J].粉煤灰，2010，（1）：15-17.

[3]王伟，周爱兆，冯丽，等.再生粗骨料混凝土抗压强度-龄期数学模型[J].建筑材料学报，2012，15（5）：633-637.

[4]李浩，施养杭.混凝土碳化深度预测模型的对比与分析[J].华侨大学学报，2007，28（2）：192-195.

[5]孙荣荣.不同强度等级混凝土碳化深度随龄期变化分析[J].平顶山工学院学报，2006，15（4）：6-7.

作者简介：徐菁菁（1983-），女，浙江台州，浙江五联建设有限公司。