基于碳化耐久性的混凝土全壽命預(yù)測(cè)的探討

何小軍 安 賽 菅迎賓 申培 董勝歡

（1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050041；2.冀南技師學(xué)院,河北 邯鄲 056000；3.河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島 066000）

0 引言

混凝土壽命本質(zhì)取決于混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕程度。為了探索碳化對(duì)混凝土壽命的影響，現(xiàn)對(duì)混凝土碳化做大量試驗(yàn)研究和理論分析。其實(shí)，混凝土碳化會(huì)加大混凝土的強(qiáng)度，對(duì)混凝土本身并沒(méi)有太大的影響。但需要注意的一點(diǎn)是，碳化會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮，收縮會(huì)使得混凝土表面出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也隨之降低。所以，碳化本質(zhì)上是破壞了混凝土的結(jié)構(gòu)，使得混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕進(jìn)而降低了混凝土的使用壽命。

1 混凝土碳化的理論

1.1 混凝土碳化的定義與碳化機(jī)理

混凝土是一種常見(jiàn)的建筑材料，內(nèi)部多空存在大量空隙。混凝土的碳化就是大氣中的CO2通過(guò)這些空隙向內(nèi)部滲透，和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生了大量的碳酸鈣和水，主要的化學(xué)反應(yīng)式如下：

這是一個(gè)緩慢而復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，最終會(huì)讓混凝土的堿度降低趨向于中性。當(dāng)發(fā)生反應(yīng)的混凝土厚度大于混凝土保護(hù)層的厚度時(shí)，混凝土內(nèi)部的鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)遭到破壞，出現(xiàn)銹蝕。銹蝕會(huì)使鋼筋在長(zhǎng)度方向出現(xiàn)縱向的裂縫，鋼筋的體積會(huì)由于內(nèi)部受到擠壓而膨脹，鋼筋表面的保護(hù)層會(huì)被撐開(kāi)而脫落，這就是混凝土結(jié)構(gòu)被破壞的過(guò)程。

1.2 混凝土碳化的研究背景和研究意義

混凝土由于其具有良好的耐久性，因此成為建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種建筑材料。然而，由于受多種因素的影響，混凝土在使用中仍舊存在材料老化、腐蝕等問(wèn)題，這大多是由于混凝土的碳化導(dǎo)致鋼筋銹蝕引起的。所以，無(wú)論是對(duì)混凝土的碳化和耐久性進(jìn)行深入研究，對(duì)混凝土的碳化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，還是對(duì)建筑耐久性的評(píng)定和設(shè)計(jì)、維修加固，都對(duì)其全壽命預(yù)測(cè)有著十分重要的意義。

2 混凝土全壽命預(yù)測(cè)的試驗(yàn)方法

混凝土的使用壽命受到材料性能、細(xì)部構(gòu)造、暴露狀態(tài)等因素及其各因素間的綜合作用影響。因此，混凝土全壽命預(yù)測(cè)的試驗(yàn)往往是對(duì)這些因素的綜合作用的研究。由于各因素間綜合作用的機(jī)理十分復(fù)雜，目前對(duì)混凝土的全壽命預(yù)測(cè)的試驗(yàn)只能選取其中一個(gè)影響因素作為變量，其他影響因素作為定量，以此假定條件進(jìn)行分析?，F(xiàn)針對(duì)幾種預(yù)測(cè)試驗(yàn)方法闡述如下：

2.1 比較預(yù)測(cè)法

這種方法存在這樣的假設(shè)條件：混凝土在某一期限內(nèi)是經(jīng)久耐用的，則相似環(huán)境下相似的混凝土也應(yīng)該具有同樣的壽命。然而，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，每一個(gè)建筑工程的混凝土結(jié)構(gòu)、形狀、環(huán)境等因素都各不相同，所以用這種方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)存在一定局限性，因此在實(shí)際中的應(yīng)用較為少見(jiàn)。

2.2 經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法

這種方法是根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)大量的試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)室大量的研究，并在汲取以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。但這種方法存在局限性，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，或者混凝土的環(huán)境較為惡劣，或是混凝土結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中其結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，這樣的預(yù)測(cè)方式就十分不可靠。

2.3 隨機(jī)預(yù)測(cè)法

由于混凝土的使用壽命受到各種隨機(jī)變量的影響，甚至某些變量會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化，所以對(duì)混凝土進(jìn)行全壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行定量分析，顯而易見(jiàn)是十分不合理的。因此，采用隨機(jī)預(yù)測(cè)的方法對(duì)混凝土進(jìn)行全壽命預(yù)測(cè)是一種十分不準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。

2.4 數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法

這種方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度較高，主要是因?yàn)椴牧系倪x擇和環(huán)境參數(shù)的選取以及模型都具有合理性。這種數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)方法較為完善，因此在實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用中較為廣泛使用，具體有馬爾可夫模型、灰色模型等。

2.5 智能預(yù)測(cè)法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化也開(kāi)始投入到實(shí)際工程項(xiàng)目中的某些特定參數(shù)的預(yù)測(cè)，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、模糊數(shù)學(xué)理論預(yù)測(cè)法等等。智能系統(tǒng)具有很強(qiáng)的優(yōu)化能力和學(xué)習(xí)能力，能夠很好地應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)衰退過(guò)程中發(fā)生的不確定因素。

綜上對(duì)混凝土全壽命預(yù)測(cè)的五種實(shí)驗(yàn)方法都屬于確定性方法。就是將影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的某一個(gè)影響因素作為變量，其他影響因素作為定量進(jìn)行試驗(yàn)研究，經(jīng)研究得到的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果就是具備平均參考意義上的使用壽命。由于影響混凝土結(jié)構(gòu)碳化耐久性的各因素都存在隨機(jī)性，所以應(yīng)用概率對(duì)基于碳化耐久性的混凝土全壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是比較合理的。

3 碳化對(duì)混凝土全壽命預(yù)測(cè)的影響

從混凝土的碳化機(jī)理可以知道，影響碳化的主要因素本質(zhì)是混凝土的滲透性和其含有的堿性物質(zhì)的影響。那么，分析碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和性能的影響就是分析碳化對(duì)混凝土全壽命預(yù)測(cè)的影響，下面對(duì)此展開(kāi)分析。

3.1 碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響

當(dāng)混凝土發(fā)生碳化時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的孔徑和總孔隙率都會(huì)減少。例如，將砂漿試件濕養(yǎng)28d 后，放入溫度為20℃、相對(duì)濕度為60%，CO2濃度為10%的碳化箱中，觀察16 周后的孔結(jié)構(gòu)變化。我們可以看到，當(dāng)試件發(fā)生碳化后，碳化區(qū)的孔隙總體積明顯減少，孔徑明顯減小，而未碳化區(qū)的孔隙總體積和孔徑?jīng)]有明顯改變。這就說(shuō)明，混凝土在發(fā)生碳化時(shí)，由于CO2通過(guò)孔隙在混凝土內(nèi)部發(fā)生了碳化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)遭到了破壞。

3.2 碳化對(duì)混凝土性能的影響

3.2.1 質(zhì)量的影響

混凝土發(fā)生碳化會(huì)使質(zhì)量增加。從上文混凝土的碳化機(jī)理化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出，由于混凝土吸收了二氧化碳釋放出了碳酸化合物和水，所以混凝土總質(zhì)量會(huì)增加。一般來(lái)說(shuō)，混凝土本身具備一定的厚度，當(dāng)發(fā)生碳化時(shí)很難影響到混凝土中心的鋼筋。為了測(cè)定混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)所產(chǎn)生的質(zhì)量，可以設(shè)置將水灰比為0.65 的試件放入溫度為20℃、相對(duì)濕度為60%的碳化箱中養(yǎng)護(hù)3 個(gè)月，最后得到的試驗(yàn)結(jié)果是混凝土的總質(zhì)量下降了約0.9%；而在同樣的溫度、濕度條件下，放入10%的二氧化碳，碳化箱中的質(zhì)量約增加了1.2%。由此可見(jiàn)混凝土碳化時(shí)的確發(fā)生了質(zhì)量的增加。

3.2.2 體積的影響

混凝土發(fā)生碳化時(shí)，體積會(huì)收縮，這是由于受到了濕度的影響。先后設(shè)置了先干燥后碳化、干燥和碳化同時(shí)進(jìn)行、只進(jìn)行碳化三種情況的實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)濕度為50%時(shí)，體積收縮最大。這說(shuō)明了當(dāng)混凝土的含水量增加并達(dá)到一定量時(shí)，二氧化碳向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速度會(huì)逐漸降低甚至終止，混凝土的碳化速度也會(huì)減慢。

3.2.3 抗壓強(qiáng)度的影響

將濕養(yǎng)28d 的試件放在溫度為21℃、相對(duì)濕度為50%、CO2濃度為9%的碳化箱中加速碳化3d，將得到的混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度及彈性模量數(shù)據(jù)進(jìn)行列表對(duì)比分析，如表1 所示：

表1 碳化混凝土力學(xué)性能

我們可以看到，混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度有提高。這是因?yàn)榛炷撂蓟瘯r(shí)生成的碳酸鈣密實(shí)了混凝土的結(jié)構(gòu)。需要注意的是，實(shí)驗(yàn)條件下的試件碳化反應(yīng)是在設(shè)定好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中進(jìn)行的，受到的影響因素少。而實(shí)際的混凝土構(gòu)筑物由于受到多種因素的影響，其碳化的程度會(huì)增加，因此實(shí)際的混凝土構(gòu)筑物的強(qiáng)度會(huì)有所下降。

3.2.4 堿度的影響

當(dāng)混凝土的pH 值達(dá)到較高的堿度時(shí)，鋼筋的表面會(huì)形成一層鈍化膜，可以有效對(duì)鋼筋進(jìn)行保護(hù)。隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，pH 值會(huì)逐漸降低。當(dāng)達(dá)到碳化完全發(fā)生時(shí)，混凝土的pH 值會(huì)處在8.5～9.0之間，混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕。同時(shí)，碳化反應(yīng)引起的中性化在氯離子的共同作用下會(huì)加速鋼筋的腐蝕。

4 基于碳化耐久性的混凝土全壽命預(yù)測(cè)建議

目前關(guān)于混凝土碳化耐久性的全壽命預(yù)測(cè)研究理論，都是以設(shè)定某一因素為定量，其他因素為變量的條件下的實(shí)驗(yàn)得出的。但在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估和全壽命預(yù)測(cè)會(huì)受到許多變量的影響。這些變量可能同時(shí)多個(gè)存在并具有不定性，難以定量化，很多都是發(fā)生在碳化的初級(jí)階段，因此無(wú)法設(shè)計(jì)較為合理的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估模式。在實(shí)際工程中更多的是以經(jīng)驗(yàn)判斷為基礎(chǔ)，通過(guò)層次分析來(lái)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)估。

基于這種情況，筆者認(rèn)為，要對(duì)混凝土進(jìn)行更為準(zhǔn)確的全壽命預(yù)測(cè)，需要完善以下兩方面：一是要采用耐久性好的材料，建立其與混凝土密實(shí)度、孔結(jié)構(gòu)等混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及鋼筋銹蝕速度、銹蝕量之間的關(guān)系；二是對(duì)存在碳化耐久性問(wèn)題的混凝土結(jié)構(gòu)建立動(dòng)態(tài)評(píng)估體系，并根據(jù)檢測(cè)得到的耐久性指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立壽命預(yù)測(cè)模型。最后，要對(duì)混凝土碳化做好防護(hù)措施?；炷恋奶蓟艿江h(huán)境、材料和施工的影響，保證混凝土有良好的密實(shí)性，就能得到很好的抗碳化性能?；诖?，可以提出以下改善措施：合理設(shè)計(jì)混凝土配合比、采用機(jī)械振搗、用涂料或者其他措施對(duì)混凝土表面進(jìn)行隔絕氣體處理、選用透氣性小且密實(shí)的骨料、增加混凝土的保護(hù)層厚度等。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立多因素作用下的混凝土的碳化耐久性研究及全壽命預(yù)測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜且艱巨的任務(wù)。本文對(duì)混凝土碳化進(jìn)行研究，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該過(guò)程中混凝土的pH 值和孔隙率的變化，對(duì)混凝土碳化做出了相對(duì)完善的壽命預(yù)測(cè)，并提出了預(yù)測(cè)方法。各類預(yù)測(cè)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中要考慮其可操作性。筆者認(rèn)為，應(yīng)該優(yōu)先采用基于碳化試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行混凝土的全壽命預(yù)測(cè)，而不是選擇理論模型。理論模型由于更偏向于理想化且相關(guān)參數(shù)不易獲取，不適合在工程實(shí)踐中應(yīng)用。

碳化是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要方向，但由于對(duì)此試驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)較少且混凝土離散較大，因此碳化對(duì)混凝土全壽命的影響結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。為此，應(yīng)該多多開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)測(cè)，并利用各種有限元軟件進(jìn)行理論模擬；其次，要考慮混凝土結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)無(wú)征兆的脆性破壞。因此，要善于利用現(xiàn)代信息技術(shù)以及人工智能手段，對(duì)新建和實(shí)踐中的混凝土結(jié)構(gòu)的碳化耐久性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便對(duì)可能出現(xiàn)的狀況及時(shí)預(yù)報(bào)，這也是今后的主要研究方向。