冻融环境下混凝土碳化深度预测模型

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发布时间：2021-09-10

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冻融环境下混凝土碳化深度预测模型
于琦’，牛荻涛’。
(1．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2
屈锋1'
湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭41 1201)
摘要：从寒冷地区混凝土碳化机理出发，分析了冻融循环对混凝土碳化的影响。以Papadakis碳化模型为基础，采用数值分析的方法，
模拟冻融环境下混凝土碳化全过程，给出混凝土碳化区pH值的变化规律。在此基础上，建立了混凝土碳化深度预测模型。经验证，模型计
算值与工程检测结果吻合较好。模型的提出为科学预测冻融环境下钢筋初始锈蚀时间奠定了基础。
关键词：冻融环境；混凝土碳化；pH值；数值分析；预测模型
中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2012)09—0003—03
M odel for predicting carbonation depth of concrete in freezing-thawing circumstance
yu ，NFJDJ—tao ，QUFeng
(1．Xi’an University ofArchitecture and Technology，Xi’an 710055，China；
2．School ofCivil Engineering，Hunan University ofScience and Technology ，Xiangtan 41 1201，China)
Abstract： From the mechanism of cold region concrem carbonation，factors that influence concrete carbonation in freezing—thawing circum—
stance are analysed．Based on the Papadakis model ofconcrete carbonation，concrete carbonation process was simulated，and the variation principle
of the pH value in the carbonation zone of concrete was researched by numerical methods．And then，a model for predicting carbonation depth of
concreteinfreezing-thawing circumstanceispresented．The results calculatedbythemodel agreedwellwiththe spot-data，andit couldbeused as a
reference for predicting the initial corrosion times of steel—bar．
Key words： freezing—thawing circumstan ce；concrete carbonation；pH value；num erical method；predicting model
0 引言
钢筋锈蚀是引起混凝土结构性能退化的主要原因，而混凝
土碳化则是一般大气环境下钢筋锈蚀的前提条件。目前，国内
外专家学者已提出了多种混凝土碳化深度预测模型[1-5】，这些模
型均适用于一般大气环境。然而，位于寒冷地区的混凝土结构不
仅会遭受碳化侵蚀，在与水接触的部位还会发生冻融循环破坏。
冻融循环作用会使混凝土孔结构劣化，为二氧化碳向其内部扩
散提供有利条件，加快了混凝土碳化。利用现有的模型显然无法
准确计算出这一环境下混凝土的碳化深度。
近年来，已有学者对冻融循环与碳化共同作用下的混凝土
耐久性问题做了相关研究。周晓明等旧应用损伤力学和断裂力
学理论提出了冻融与碳化交替作用时混凝土的损伤模型。谢晓
鹏等啊通过对混凝土试件进行快速冻融和碳化试验，探讨了钢
纤维混凝土在冻融与碳化后的力学性能。张鹏等嘲对经历不同
冻融循环次数的混凝土试件进行加速碳化试验，得到了冻融循
环对混凝土碳化的影响。肖前慧等对不同配合比的粉煤灰混
凝土试件先后进行了冻融、碳化试验，建立了冻融条件下混凝
土碳化深度模型。由于该试验机制与寒冷地区混凝土结构实际
受侵蚀过程有所差别，因此该模型不便于工程应用。
目前，对冻融环境下混凝土碳化研究相对较少，尚处于起
步阶段。本研究模拟我国东北地区混凝土结构实际碳化一冻融
过程，在PapadakistlO-II]碳化模型基础上，考虑冻融循环对混凝
土孔隙的影响，通过数值方法求解碳化区内Ca(OH)：浓度以及
pH值，根据pH值对完全碳化区的定义，给出冻融环境下混凝
土碳化深度预测模型。。
1 冻融环境下的混凝土碳化模型
混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化
碳作用，生成碳酸钙或其他物质的现象。水泥充分水化后混凝土
呈强碱性，pH值约为12～13左右，在水泥水化过程中，混凝土
内部形成大小不同的毛细管、孔隙、气泡等，大气中的二氧化碳
通过这些孔隙向混凝土内部扩散，并溶解于孔隙内的液相，与混
凝土中可碳化物质发生反应。随着氢氧化钙在碳化反应中的消
耗，混凝土孔隙溶液的pH值逐渐降低。
1．1 寒冷地区混凝土碳化机理
研究表明[10-]1]，当混凝土饱水度达到一定程度时，冻融破坏
才会发生，此时CO 溶解度较低，难以侵人混凝土发生碳化反
应。反之，混凝土受二氧化碳侵蚀时，其内部含水率低，也不会
发生冻融作用。因此，可以认为寒冷地区混凝土结构所遭受的冻
融循环和二氧化碳侵蚀是交替进行的。根据文献[14—15]对我国
东北地区气候的调查，可近似认为东北地区年碳化时间为180d，
冻融循环次数为120次。
混凝土发生冻融破坏的实质，是水化产物结构由密实到松