多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究

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发布时间：2021-09-11

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多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究
郑付刚，冯宇强
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)
摘要：混凝土碳化是导致混凝土坝服役性能降低的内在因素之一，为保证混凝土坝长效健康服役，应揭示混凝
土碳化随时间的演变规律。基于多孔介质理论，以混凝土孔结构为基础，从决定碳化的基本物理化学条件出
发。研究了冻融和应力作用对混凝土孔隙率变化的影响，并据此建立了多因素协同作用下混凝土碳化深度预
测模型。试验数据验证结果表明，所建立的预测模型有效性较好。
关键词：预测模型；多因素；孔隙率；混凝土碳化
中圈法分类号：TV431 文献标志码：A DOI：10．16232／j．enki．1001—4179．2016．14．020
l 研究背景
碳化是指空气中的酸性气体CO：通过孔隙和裂
缝向混凝土内部扩散并与碱性物质发生反应，使混凝
土碱性下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过
程 ]。相关数据统计表明，空气中CO：浓度正呈现出
逐年上升的趋势，同时，工厂排泄的废液和废渣也可使
地下水中的CO：浓度增加。而混凝土结构特别是混
凝土坝多数直接暴露在大气或者水中，混凝土碳化是
一个不可忽视的问题，如古田溪二级大坝就因碳化危
害严重，改造耗资2 500万。已有研究成果根据试验
研究数据建立了多种经验性碳化模型，这些经验
模型主要分为两大类，即以水灰比和水泥用量为主要
参数的模型，以及以抗压强度为主要参数的模型，但是
这些早期的经验模型中均没有考虑荷载作用对混凝土
碳化深度的影响。随着对碳化影响因素研究的深入，
许多学者通过试验方法提出了荷载对混凝土碳化深度
的经验公式，如金祖权等通过快速碳化实验研究混凝
土在荷载作用下的碳化深度，结果显示加载后混凝土
碳化深度D 和未施加荷载混凝土碳化深度D。与荷载
率s 呈指数关系，D =D。[1+ (S ) ]，其中|i}、m均
为常数，该预测模型能很好地描述在施加荷载后混
凝土的抗碳化能力变化情况，但是该模型仅适用于文
中特定的加载方式，而忽略了混凝土在受拉和受压等
不同加载方式对混凝土碳化的不同影响。
因此，如何根据混凝土碳化的基本物理化学条件
和碳化试验结果，提出碳化深度的预测模型仍是需要
深入研究的问题。本文从多孔介质理论入手，研究典
型因素对混凝土材料微观结构的影响，建立多因素协
同作用下混凝土碳化深度预测模型。
2 混凝土碳化作用
水泥水化后的产物为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化
铝酸钙、水化硫铝酸钙等，其稳定存在的pH值分别为
12．23，10．4，11．43和10．17⋯ 。当CO 在混凝土孔隙
水中溶解并向浓度较低的区域扩散时，会与氢氧化钙、
水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙等可碳
化物质发生反应。碳化作用的结果包括2个方面。
(1)碳化产物CaCO 和其他固态物质充填在孔
隙中，造成混凝土孔隙率下降，使混凝土密实度和强度
提高。然而，混凝土密度的增加会产生碳化收缩现象，
试验表明有些试件碳化收缩变形可达到4 mm／m ，
且相对湿度对其影响较大，当相对湿度低于25％时，
碳化基本上不发生，而接近100％时，碳化也会停止，
其收缩过程如图1所示。当收缩受到约束时，可能导
致产生微小裂缝，影响混凝土的力学性能，现场检测结
果发现，碳化对混凝土抗压强度的影响非但没有增加
反而降至一半左右。
(2)碳化作用会使混凝土脆性变大，孑L隙水中pH