基于表面防護理論的水工混凝土碳化仿真模型構(gòu)建及應用

段忠奎

(朝陽市大凌河風景區(qū)管理處，遼寧 朝陽 122000)

對于新建水工混凝土工程的特殊構(gòu)件(如溢流堰面、輸水隧洞閘室段、沿海擋潮閘排架柱等)或特殊部位(如浪濺區(qū)、水位變動區(qū)以及結(jié)構(gòu)縫等)，由于在工程完工但尚未運行前缺少提前進行防護措施，導致上述構(gòu)件或部位因惡劣環(huán)境作用而過早出現(xiàn)損壞的案例很多。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，以混凝土工程為代表的基礎設施建設也到了空前建設時期，但由于普遍存在“重結(jié)構(gòu)輕防護”的設計理念，導致許多混凝土結(jié)構(gòu)，如在沿海氯鹽侵蝕地區(qū)，長期處于水位變化區(qū)、高速水流沖刷區(qū)等部位，出現(xiàn)過早損壞的現(xiàn)象屢見不鮮。水利部組織的編寫的《全國水工混凝土建筑物耐久性及病害缺陷處理調(diào)查報告》中曾提到，在所調(diào)查的32座大壩和40余座水閘工程中，有近1/3的工程使用不到20年就在其閘板結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生混凝土裂縫；另外，約有60%的工程使用15年就發(fā)生了混凝土碳化和凍融破壞情況，出現(xiàn)缺陷的位置主要位于水位變化區(qū)、高速水流沖刷處以及氯鹽環(huán)境工程。近些年來通過對遼寧省88座水閘工程的混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，有19%的水閘工程在使用10年就發(fā)生了混凝土裂縫、剝蝕和碳化缺陷，而使用15年和20年發(fā)生缺陷的比例分別高達57%和73%。其中，處于水位變化區(qū)的混凝土閘墩、底板、排架柱等結(jié)構(gòu)甚至發(fā)現(xiàn)有鋼筋銹蝕現(xiàn)象?；炷凉こ踢^早出現(xiàn)各類病害缺陷，將嚴重影響工程正常運行，也造成基礎設施建設的極大浪費。因此，為了降低混凝土工程過早發(fā)生損壞的概率，借鑒國內(nèi)交通行業(yè)對特殊環(huán)境中的混凝土墩、柱采取早期防護措施的經(jīng)驗，本文提出在水工混凝土結(jié)構(gòu)設計階段除了考慮耐久性設計外，還應考慮必要的早期防護處理，以提升混凝土工程的質(zhì)量和耐久性，延長其使用壽命。

1 表面防護處理對象

對特殊環(huán)境或特殊部位新建水工混凝土結(jié)構(gòu)考慮5方面防護處理工藝，主要部位包括：

(1)特殊構(gòu)件及構(gòu)件特殊部位的防護施工工藝，比如溢流堰面、輸水隧洞閘室段等部位考慮涂刷抗沖磨、抗沖刷性的防護材料；

(2)混凝土結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)、水位變動區(qū)的混凝土防護施工工藝，比如水庫大壩迎水側(cè)面板水位變動區(qū)粘貼苯板、擠塑板等防冰害、防凍融損傷材料；

(3)混凝土結(jié)構(gòu)縫的防護施工工藝，比如隧洞結(jié)構(gòu)縫、面板壩接縫、底板接縫、導流墻接縫等部位進行灌漿、嵌縫等防護；

(4)大體積混凝土避免早期開裂的防護工藝，比如在混凝土初凝后盡快粘貼苯板等保溫結(jié)構(gòu)，以降低混凝土內(nèi)表溫差，從而控制早期開裂；

(5)在沿?；蚵塞}環(huán)境中的水工混凝土結(jié)構(gòu)防護工藝，考慮通過涂刷抗氯鹽侵蝕的涂層材料來降低氯鹽侵蝕的發(fā)生。

2 表面防護處理試驗對象

結(jié)合新建工程現(xiàn)場試驗段，近年來分別在東港白云閘工程邊墻，丹東三灣水利樞紐及輸水工程閘墩和魚道槽身，營口民興河擋潮閘邊墻、排架柱、閘墩二期混凝土等特殊部位開展防護試驗研究。

1.2 方法 所有入選者均于清晨空腹采血6 mL，分裝入兩個無熱源及內(nèi)毒素的清凈試管，一管送生化檢驗室用免疫比濁法測定肝功、空腹血糖、血甘油三酯、血尿酸，并用酶聯(lián)免疫吸附法檢測肝炎血清標志物，另一管選用EDTAK2管，抽血2 h內(nèi)送流式細胞術檢驗室檢測CD4+CD25+T細胞百分率（檢測試劑購自貝克曼庫爾特公司，CD4-FITC編號YZB/FRC 0773-2011，CD25-PE編號YZB/FRC 0041-2011，均為100測試/瓶）。嚴格按照說明書進行操作。

3 碳化防護數(shù)值仿真模型原理

CO2在混凝土內(nèi)部的物理擴散和化學反應稱為碳化過程，混凝土內(nèi)部的可碳化物質(zhì)與CO2在擴散過程中不斷被消耗。碳化過程中的CO2含量按照質(zhì)量守恒定律其計算公式為：

(1)

式中，C—CO2濃度變量，kg/m3；D—CO2擴散系數(shù)(無量綱)；υ—碳化反應速率，kg/m3·g/m。D和υ均受環(huán)境溫度、濕度等因素影響。根據(jù)已有研究成果，CO2碳化擴散系數(shù)DC的變化規(guī)律可以用式(2)表示，即：

DC=DC，0·F1(T)·F2(H)·F3(η)·F4(σ)

(2)

式中，DC，0—混凝土結(jié)構(gòu)未碳化前，在參考溫度、濕度條件下CO2擴散系數(shù)，由混凝土的水灰比等材料自身因素決定，取值方程為：

DC，0=8×10-7(W/C-0.34)(1-Href)

(3)

式中，W/C—水灰比，Href—混凝土內(nèi)的參照相對濕度，%。水灰比在深度方向的變化主要受混凝土拌合振搗影響，內(nèi)部孔隙比低于表層孔隙比，具有較差的密實度，而內(nèi)部由于CO2易侵蝕擴散總體較為穩(wěn)定?？紤]到水灰比在深度方向上的變化，需采取分層確定擴散系數(shù)的方法，具體混凝土分層情況及特點見表1。

表1 混凝土分層情況及特點

F1(T)—溫度對混凝土結(jié)構(gòu)CO2擴散系數(shù)的影響系數(shù)，其函數(shù)表達式為：

(4)

式中，E—1molCO2反應所消耗的能量21800，J/mol；R—摩爾氣體常數(shù)，8.314，J/mol·K；Tref—混凝體結(jié)構(gòu)未碳化前參考溫度測定值，℃；F2(H)—混凝土結(jié)構(gòu)CO2擴散系數(shù)受周圍環(huán)境濕度影響系數(shù)，其函數(shù)表達式為：

F2(H)=(1-H)2.5

(5)

式中，H—相對環(huán)境濕度，%；F3(η)—混凝土碳化程度對CO2擴散系數(shù)的影響系數(shù)，其函數(shù)表達式為：

(6)

(7)

受周圍環(huán)境溫度、濕度以及碳化和CO2擴散過程均對碳化反映速率υ產(chǎn)生影響。碳化反應速率υ需要重點考慮溫度和濕度的影響：

υ=υ0·f1(T)·f2(H)

(8)

式中，υ0—混凝土碳化結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)下的速率，取值為2.80化結(jié)構(gòu)-7s7mol。碳化反應受溫度影響程度可采用以下公式進行計算：

(9)

式中，E0—混凝土結(jié)構(gòu)碳化活化能，取91.52kJ/mol；f2(H)—環(huán)境相對濕度對碳化反應速度的影響系數(shù)，其函數(shù)表達式為：

(10)

4 模型構(gòu)建及應用

4.1 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS中的瞬態(tài)熱分析模塊對混凝土碳化過程進行數(shù)值模擬，并根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》選取100mm-2006》凝土碳化過程進棱柱體試件進行碳化試驗，對數(shù)學模型進行驗證校準。按照100mm進行驗證校準的模型尺寸建立混凝土截面的二維平面模型。對模型按照深度Z方向進行分層，各層間距為0.5mm，并對每1層混凝土的CO2擴散系數(shù)和反應速度進行定義。建立好的平面二維分層混凝土模型如圖1所示，并將所建模型以0.5mm單元尺寸進行網(wǎng)格劃分，定義單元類型為二維8節(jié)點熱實體單元，8節(jié)點單元具有一致的溫度變形函數(shù)。劃分好的網(wǎng)格共包含120801節(jié)點，40000個單元。

圖1 分層混凝土的有限元網(wǎng)格模型

4.2 模型邊界

在邊界條件建立過程中，首先要確定環(huán)境中CO2濃度。一般而言CO2濃度為體積百分比濃度，要先將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度，以便于進行混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)CO2濃度分析。標準大氣情況下(標壓101325Pa，溫度273.5K)CO2質(zhì)量濃度和體積濃度間關系為：

C0=1.8Cv

(11)

式中，C0—CO2質(zhì)量濃度，kg/m3；Cv—CO2體積濃度，%。根據(jù)式(11)可知，如Cv為20%，則其C0值為0.36kg/m3。

4.3 碳化數(shù)值模擬結(jié)果

為了驗證數(shù)學模型的正確性，將碳化試驗結(jié)果與數(shù)學模型結(jié)果進行比較，以對仿真模型進行校準。在混凝土碳化試驗規(guī)程中，標準試驗條件為CO2體積濃度為20%±3%，溫度為20℃±5℃，濕度為70%±5%，并將棱柱體試塊3個側(cè)面用石蠟密封，僅留1個側(cè)面進行碳化研究。在數(shù)值模型中，根據(jù)混凝土水灰比、環(huán)境溫度和濕度等因素確定各層CO2的擴散系數(shù)和反應速度，并在深度方向的第1層外邊界的CO2質(zhì)量濃度值為0.36kg/m3，其余各外邊界的濃度值均定義為0。沿深度方向上5、10、15mm處，其CO2質(zhì)量濃度隨時間變化如圖2所示。圖中CO2濃度值均表示為CO2質(zhì)量濃度(kg/m3)。

圖2 混凝土不同深度處CO2濃度變化圖

從混凝土不同深度CO2質(zhì)量濃度變化可看出，CO2質(zhì)量濃度在模擬初期的5min內(nèi)快速上升，濃度變化率隨著混凝土齡期的增長而逐步趨于穩(wěn)定，在14d齡期前后CO2質(zhì)量濃度在深度為10mm處才逐步加大，濃度變化速率相對較為緩慢。CO2質(zhì)量濃度在深度為15mm處保持穩(wěn)定變化，碳化深度在28d齡期內(nèi)低于15mm。水工混凝土表層和內(nèi)部CO2擴散速率從不同齡期混凝土碳化深度數(shù)值模擬結(jié)果可看出存在明顯差異的水灰比，碳化過程中在水工混凝土內(nèi)部不同深度下濃度也存在明顯差異。

4.4 碳化深度試驗驗證

為了將碳化深度數(shù)值求解值和試驗測定值進行驗證，通過試驗室碳化快速試驗方法，對不同齡期碳化深度的均值進行計算，計算方程如下:

(12)

式中：dt—td后混凝土試件碳化深度的均值，mm;di—試驗面不同測點的碳化深度，mm;n—檢測數(shù)量。CO2體積濃度為20%±3%、溫度和濕度分別設置為20±5和70%±5%為其試驗標準條件，對水工混凝土進行碳化深度的試驗分析。按照碳化試驗每個試驗組含3個試件，碳化深度測定值為各時期不同試件深度的均值，通過將室內(nèi)試驗測定的碳化深度和不同齡期模擬計算的碳化深度值對比進行驗證。在初期碳化擴散速率較大，碳化深度數(shù)值求解值和試驗測定對比在碳化初期有一定的差異性，偏差相對較大。隨后，碳化深度數(shù)值求解值和試驗測定之間的吻合度隨著齡期的增長逐步改善，偏差最大值可控制在5%以內(nèi)。

5 不同碳化防護試驗結(jié)果對比

試驗共分2組，第1組棱柱體試塊混凝土強度等級為C30，采用SK手刮聚脲為涂層防護材料；第2組試塊混凝土強度等級為C20，采用HK- 988彈性體為涂層防護材料。根據(jù)規(guī)范要求，將混凝土試塊2個相對的側(cè)面涂抹石蠟密封，另外2個側(cè)面分別涂覆涂層材料和未做處理混凝土以便進行防碳化效果對比。2組試驗中未做防碳化處理的側(cè)面混凝土碳化深度試驗結(jié)果見表1。由于防護材料密實性高，與混凝土表面粘接良好，故2組試驗涂覆涂層材料的側(cè)面碳化深度在全部試驗齡期測得的碳化深度值均為0。

表1 未做防碳化處理的混凝土側(cè)面碳化深度試驗結(jié)果

混凝土上表面未做防護處理面，下表面涂覆涂層材料HK- 988彈性體面，而左右端面則采用石蠟密封。涂覆防護材料可極大程度地提高混凝土的抗碳化性能，水工混凝土表層防護材料建議可采用具有優(yōu)異氣密性能的聚脲材料，混凝土基底可與脲材料具有較好的粘接性，使用周期長，可長期對水工混凝土表層進行防碳化防護。

6 結(jié)論

(1)水工混凝土CO2濃度在模擬初期的5min內(nèi)快速上升，濃度變化率隨著混凝土齡期的增長而逐步趨于穩(wěn)定，在14d齡期前后CO2濃度在深度為10mm處才逐步加大，濃度變化速率相對較為緩慢。CO2濃度在深度為15mm處保持穩(wěn)定變化，碳化深度在28d齡期內(nèi)低于15mm。

(2)水工混凝土表層防護材料建議可采用具有優(yōu)異氣密性能的聚脲材料，混凝土基底可以與聚脲材料具有較好的粘接性，使用周期長，可長期對水工混凝土表層進行防碳化防護。

(3)本次研究只是在標準條件下進行數(shù)值模擬，今后可進行多種防護條件下的模擬計算，并重點分析不用影響因素的敏感程度，進一步提高數(shù)值模擬的準確性。