基于在役工程的混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度研究

張 凱 過民龍 楊仕超 李新鋼 馬 揚

1.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣東 廣州 510500 2.貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司 貴州 貴陽 550000

1 背景

現(xiàn)有的調(diào)查報告顯示，處于海洋環(huán)境的建筑壽命一般不超過20年，其他環(huán)境下也有相當數(shù)量工程使用25年之后就需要進行大修。一般僅為15-20年。許多工程由于年代久遠，或使用摻有輔助膠凝材料（如粉煤灰、石灰石、高爐礦渣等）的結(jié)構(gòu)由于碳化作用，導致鋼筋銹蝕、混凝土開裂等現(xiàn)象，嚴重危害結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，工程實踐已表明大量混凝土結(jié)構(gòu)提前失效主要源于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的不足[1,2]。

碳化過程本質(zhì)上主要是是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和硅酸鈣水合物（C-S-H）與CO2形成經(jīng)復雜物理、化學過程生成CaCO3和水的反應[3]。世界范圍內(nèi)，各國在工程設(shè)計、建造過程中，都充分考慮了因碳化造成的結(jié)構(gòu)破壞的影響，并在科學研究和實際施工過程中積累的大量的研究成果。本研究在系統(tǒng)總結(jié)碳化機理、碳化深度模型基礎(chǔ)上，結(jié)合在役工程，對比研究了各種模型的優(yōu)缺點，為既有工程的維修、加固改造、耐久性設(shè)計和服役壽命預測提供依據(jù)。

2 混凝土碳化模型

2.1 ，基于擴散理論的數(shù)學模型

文獻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕與保護[4]中介紹了CO2在混凝土中的傳輸過程滿足Fick第一定律，并以Fick第一定律為理論基礎(chǔ)推導出了碳化深度公式：

希臘學者Papadakis[5]等從化學反應動力學和質(zhì)量守恒條件入手研究水泥水化和碳化的速率，在上式基礎(chǔ)上建立了碳化模型：

上述幾種理論模型有共同的特征，即公式中的參數(shù)都有明確的物理意義，但碳化前，混凝土中可碳化的Ca(OH)2、CSH的含量及碳化后混凝土的總孔隙率等數(shù)據(jù)通常無法確定，且計算值與實測值CO2相差較大，因而模型的實際工程應用性不強。

2.2 ，經(jīng)驗模型

為了獲得各種理論模型中的參數(shù)，研究人員采用試驗與實際相結(jié)合的研究思路，通過室內(nèi)快速碳化、室外暴露試驗與在役工程實際碳化調(diào)研進行對比研究。根據(jù)所研究的影響因素差異，不同研究者提出了多種碳化深度的經(jīng)驗模型：

（1）水灰比經(jīng)驗模型

專著鋼筋混凝土耐久性[6]基于室內(nèi)快速碳化試驗和室外自然暴露試驗分析，推導出了預測混凝土碳化深度的公式：

模型中：W/C表示水膠比；rc、ra、rs表示水泥種類、骨料種類、外加劑的影響系數(shù)。

上述岸谷孝一關(guān)于混凝土碳化深度的計算公式獲得了工程界的認可，并在日本的建筑學會編制的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算規(guī)范》中被采用，主要涉及混凝土保護層厚度。

山東建科院朱安民[7]等以水灰比為主要影響因素，給出了碳化深度經(jīng)驗公式如下：

但是，由于水灰比不能全面反映混凝土的質(zhì)量，且實際工程中水灰比很難確測得，限制了改模型得發(fā)展和應用。

（2）混凝土抗壓強度的經(jīng)驗模型

牛荻濤等[8]在文獻預測混凝土碳化深度的隨機模型中介紹了將國內(nèi)外長期暴露試驗與在役工程調(diào)查的碳化數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算到標準環(huán)境(C0=0.03%，RH0=71%，T0=13℃)下進行擬合分析的情況。結(jié)果顯示，混凝土碳化深度服從正態(tài)分布。以碳化理論為依據(jù)，構(gòu)建了以環(huán)境條件與混凝土質(zhì)量影響為主的預測混凝土碳化深度的經(jīng)驗模型：

模型中，k表示碳化系數(shù)，kj表示角部修正系數(shù)，Kco2表示濃度影響系數(shù)，，Cco2表示環(huán)境co2濃度（%）；kp表示澆筑面修正系數(shù)；ks表示工作應力影響系數(shù)；T表示環(huán)境年均氣溫（℃）；RH表示環(huán)境年均相對濕度（%）；fcuk表示混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa)，是隨機變量；Kmc表示碳化計算模式不定性系數(shù)。

該模型中，在不考慮交互作用在混凝土二維碳化中的作用時，kj在角部時為1.4，非角部時為1.0。實際上，互作用是存在的，孫偉等通過對混凝土的二維、三維碳化進行了試驗研究得以證實，并通過擬合研究，得出二維、三維碳化與對應的一維碳化之間的關(guān)系。

邸小壇[9]在文獻混凝土碳化規(guī)律的研究中統(tǒng)計分析了長期混凝土碳化數(shù)據(jù)，充分考慮了水泥、環(huán)境和養(yǎng)護修正系數(shù)的影響，并提出了以混凝土抗壓強度為主要參數(shù)的經(jīng)驗模型：

模型中，fcuk表示混凝土抗壓強度標準值（MPa）；表示養(yǎng)護條件修正值，標準養(yǎng)護28d取1.0；表示水泥品種修正值，對普通硅酸鹽水泥取1.0；表示環(huán)境條件修正系數(shù)，給出了部分城市的建議參數(shù)，并將環(huán)境條件的修正分為室內(nèi)與室外，工業(yè)與民用。

張海燕[10]等人在文獻混凝土碳化深度的預測模型中的研究以混凝土強度、環(huán)境條件和服役時間為混凝土碳化深度主要影響因素, 研究了諸因素對混凝土碳化速度的影響和規(guī)律, 計算出了預測混凝土碳化深度的模型：

德國Smolczy[11]通過對高強混凝土研究，提出了無碳化深度預測方法：

該模型觀點認為混凝土強度達到62.5MPa時，混凝土的碳化可以忽略不計，定義fg為混凝土碳化的極限強度，fg=62.5MPa。

2.3 ，半理論半經(jīng)驗模型

張譽等[12]在文獻基于碳化機理的混凝土碳化深度實用數(shù)學模型研究中，以擴散理論及碳化機理為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了混凝土碳化實用數(shù)學模型：

模型中：RH表示環(huán)境相對濕度，%，RH＞55%時適用；w/c 表示水膠比；C表示每立方混凝土水泥用量，kg /m3；C0表示環(huán)境中CO2氣體濃度，% ;表示水泥水化程度修正系數(shù);表示水泥品種修正系數(shù); t表示碳化時間，d。

LIFECON[13]參照既有文獻給出了全概率碳化模型：

DuraCrate[14]將混凝土有效抗碳化能力表征為：

FIB[15]針對上述抗碳化能力的模型進行了優(yōu)化，提出了如下碳化深度公式：

模型中：ke表示環(huán)境對擴散系數(shù)影響的常數(shù)；kc表示施工對擴散系數(shù)影響的常數(shù)；kt表示回歸系數(shù);為誤差項；Cs為混凝土表面CO2質(zhì)量濃度，kg /m3；t為服役壽命，s；t0為參考期；n為CO2的中觀環(huán)境對有效擴散系數(shù)隨時間變化的影響。

3 在役工程的模型驗證

3.1 ，工程案例

廣州市花都區(qū)一屋面梁，至檢測時已使用2 a，環(huán)境平均溫度為22℃，平均濕度為77%，鉆芯法取樣屋面梁混凝土強度為30.7 MPa，混凝土強度設(shè)計值為C30，該建筑環(huán)境二氧化碳（CO2）濃度為420 ppm，混凝土應力狀態(tài)影響系數(shù)ks為1.2，采用32.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量為350 kg/m， 水灰比為0. 50，結(jié)構(gòu)為自然養(yǎng)護，經(jīng)現(xiàn)場取樣測試，碳化深度達到了2.5mm。

3.2 ，碳化計算

本文以上述基于混凝土抗壓強度的經(jīng)驗模型為理論基礎(chǔ)，對既有結(jié)構(gòu)進行碳化計算。將所得計算值xc與實測值xs進行誤差對比， 計算結(jié)果見表1：

表1 不同碳化深度公式計算結(jié)果

3.3 ，結(jié)果分析

由表1可知，牛荻濤模型的預測結(jié)果誤差最小，為13.8%，該模型除了考慮了抗壓強度主要變量，同時，還考慮了環(huán)境溫度、相對濕度、二氧化碳（CO2）濃度及實際施工情況的影響。張海燕模型的預測誤差相對較小，為29.4%，主要是由于其沒有考慮施工因素的影響，但也具有一定的參考價值。而邸小壇和Smolczyk模型碳化深度計算模型相對簡單，考慮的影響因素較少，所以其預測結(jié)果與實測值偏差較大（其中邸小壇模型為78.6%，Smolczyk模型 為40.7%），不具有實際指導作用。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)有混凝土碳化模型主要有基于擴散理論建立的理論模型、經(jīng)驗模型和半理論半經(jīng)驗模型。這些不同模型一致認為，混凝土的碳化深度與碳化時間的平方根成正比。

（2）擴散理論模型各參數(shù)具有明確物理意義，但具體參數(shù)難以測定，不具有實際應用價值。經(jīng)驗模型建立在混凝土抗壓強度基礎(chǔ)上，便于測定，是目前行業(yè)標準采用的依據(jù)。半經(jīng)驗半理論模型將理論與實踐結(jié)合，是未來預測碳化深度的發(fā)展趨勢。

（3）由既有工程碳化深度預測值與實測值的比較可知，充分考慮了混凝土抗壓強度、環(huán)境條件和施工因素的牛狄濤和張海燕模型計算值與實測值誤差較小，較為可靠，都具有良好實際應用價值。