亞熱帶濕熱環(huán)境橋梁混凝土錨碇碳化細(xì)觀研究

李 越，阮 欣，張少錦

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092；3.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

混凝土結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分，長期服役中也面臨環(huán)境作用導(dǎo)致的耐久性退化問題，其中最為常見的是碳化作用[1-3].大氣環(huán)境中的二氧化碳向混凝土內(nèi)部滲透擴(kuò)散并與礦物水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，降低混凝土內(nèi)部堿性水平，導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕失效、保護(hù)層開裂損傷，最終結(jié)構(gòu)性能受此影響[4-5].在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，碳化問題也是耐久性設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，但現(xiàn)行規(guī)范中將一般環(huán)境劃分為干燥和干濕循環(huán)等情況的處理策略仍較為粗放[6-7].碳化過程中的混凝土內(nèi)部水分物質(zhì)傳輸和反應(yīng)速率，受到環(huán)境溫濕度影響顯著，因此不同環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)碳化問題也存在較大差異，尤其是我國南方亞熱帶濕熱環(huán)境下服役的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)[8].因此，能夠考慮真實(shí)服役環(huán)境的復(fù)雜影響，建立精準(zhǔn)描述結(jié)構(gòu)碳化規(guī)律的預(yù)測方法，并分析潛在病害問題的空間分布和涌現(xiàn)時(shí)機(jī)，對(duì)于結(jié)構(gòu)服役性能的保障和提升十分關(guān)鍵.

目前，在研究層面，混凝土碳化試驗(yàn)研究中已經(jīng)關(guān)注到環(huán)境溫濕度影響并開展相關(guān)參數(shù)討論，但對(duì)比實(shí)際環(huán)境中日周期、年周期環(huán)境波動(dòng)相比試驗(yàn)參數(shù)仍過于簡單.因此，由試驗(yàn)研究得到的物理化學(xué)機(jī)理開展數(shù)值模擬研究逐漸吸引了工程研究者的關(guān)注[9-10].另一方面本世紀(jì)初我國建設(shè)的大量橋梁基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)歷十余年服役后，局部病害問題逐漸暴露.而基于試驗(yàn)回歸的碳化影響參數(shù)模型在面對(duì)實(shí)際退化空間涌現(xiàn)問題略顯乏力，難以描述退化問題的隨機(jī)空間分布，且局部碳化開裂損傷遠(yuǎn)早于設(shè)計(jì)預(yù)期.除了前述的環(huán)境輸入簡化，主流材料模型與實(shí)際混凝土內(nèi)部顆?？臻g隨機(jī)分布也差異較大[11].近年來，在模型變異性方面，大量前沿研究工作也在陸續(xù)開展，多尺度模型[12-13]、貝葉斯更新模型[14-15]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[16]等模型和方法也逐漸被引入混凝土碳化問題分析中.但精細(xì)化材料研究成果在應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)分析中，龐大的數(shù)據(jù)模型和計(jì)算成本激增難以避免.因此，聯(lián)結(jié)材料與結(jié)構(gòu)多尺度研究并推廣于工程應(yīng)用仍較為棘手，平衡分析效率和精度也是目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的共性難題.

綜合亞熱帶濕熱環(huán)境特點(diǎn)、碳化作用物理化學(xué)機(jī)理以及基礎(chǔ)設(shè)施大體積混凝土分析中多尺度計(jì)算瓶頸，本研究將架構(gòu)材料碳化機(jī)理與結(jié)構(gòu)局部退化之間的高效傳遞模型.模擬方法基于擴(kuò)散路徑映射(Diffusion Path Dependent Mapping)方法進(jìn)行改進(jìn)適用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)考慮精細(xì)環(huán)境參數(shù)的時(shí)程變化，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)細(xì)觀碳化過程的精準(zhǔn)高效仿真分析.研究依托我國東南省份某橋梁工程大體積混凝土錨碇結(jié)構(gòu)開展模擬，基于氣象數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，對(duì)長期服役過程中的碳化深度和鋼筋銹蝕概率空間分布進(jìn)行預(yù)測，且求解效率也大幅提升至工程應(yīng)用可以接受的程度.最終結(jié)合具體工程養(yǎng)護(hù)策略，研究對(duì)工程案例防護(hù)措施的耐久性能提升影響進(jìn)行評(píng)估，并為相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)服役管養(yǎng)提供建議.

1 考慮環(huán)境影響的混凝土碳化細(xì)觀模型

1.1 擴(kuò)散路徑映射方法

混凝土碳化模擬的策略與實(shí)際碳化反應(yīng)過程是一致的，通過材料配比中礦物成分含量和可供反應(yīng)消耗的水分分布計(jì)算構(gòu)件內(nèi)部水化產(chǎn)物的空間分布，再通過考慮大氣環(huán)境的二氧化碳向內(nèi)傳輸過程中接觸的水化產(chǎn)物含量計(jì)算碳化反應(yīng)影響.傳統(tǒng)宏觀模擬建立材料均勻化假定，考慮混凝土等效的均質(zhì)材料內(nèi)部水化和碳化效應(yīng)，從而提供碳化作用的均值結(jié)論.細(xì)觀模擬在宏觀模擬的基礎(chǔ)上引入夾雜顆粒的空間隨機(jī)分布，采取更為復(fù)雜的網(wǎng)格劃分，賦予骨料、水泥漿體和界面層不同的單元屬性，最終得到帶有概率信息的碳化作用預(yù)測結(jié)果.混凝土碳化作用在宏觀和細(xì)觀不同尺度上的機(jī)理和模擬策略在本質(zhì)上沒有區(qū)別，而細(xì)觀求解效率方面的困境在于精細(xì)化網(wǎng)格劃分后，大量用于描述模型幾何特征的單元重復(fù)參與水化和碳化過程的迭代求解.

機(jī)理層面，混凝土水化與碳化作用機(jī)理如式(1)和式(2)所示，水化過程中礦物成分硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸二鈣以及鐵鋁酸四鈣消耗孔隙水分形成水合硅酸鈣、凝膠以及氫氧化鈣晶體，碳化過程中大氣環(huán)境中的二氧化碳擴(kuò)散溶解于孔隙溶液，水化產(chǎn)物與孔隙溶液中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳化產(chǎn)物碳酸鈣.其中反應(yīng)原料中化學(xué)物質(zhì)、水分和二氧化碳的空間濃度分布決定化學(xué)反應(yīng)能否順利進(jìn)行，而具體水化和碳化反應(yīng)速率也受到環(huán)境因素中溫度和濕度的影響，根據(jù)Papadakis的水化動(dòng)力學(xué)模型以及Henry定律中二氧化碳溶解平衡關(guān)系可以得到相關(guān)反應(yīng)的消耗和產(chǎn)物的生成[17-18].

(1)

(2)

考慮到礦物成分、水化產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部不可移動(dòng)，因此水化碳化過程的數(shù)值模擬主要考慮水分和二氧化碳的傳輸效應(yīng)以及時(shí)變消耗關(guān)系.基于Fick擴(kuò)散定律以及上述化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[12，19]，可以建立數(shù)值求解方程(3)和方程(4).

(3)

(4)

式中：H和C分別為混凝土內(nèi)部含水量和二氧化碳濃度；gH，水化和gH，碳化分別為水化過程水分消耗和碳化過程水分產(chǎn)生的時(shí)變函數(shù)；gC，碳化則為混凝土內(nèi)部碳化反應(yīng)的二氧化碳消耗函數(shù).在細(xì)觀數(shù)值模擬中，首先需要對(duì)模型單元按照骨料和水泥漿體位置進(jìn)行區(qū)分，求解過程僅在水泥漿體域內(nèi)進(jìn)行求解.因此如圖1所示，將細(xì)觀幾何特征影響與復(fù)雜化學(xué)機(jī)理求解過程進(jìn)行分離，這也是本研究中擴(kuò)散路徑算法的核心邏輯.計(jì)算過程中單獨(dú)提取由于顆粒阻礙效應(yīng)在水泥漿體內(nèi)部形成的擴(kuò)散路徑網(wǎng)絡(luò)，再通過純砂漿介質(zhì)屬性的代理模型計(jì)算復(fù)雜環(huán)境下碳化作用過程，最終將包括水化產(chǎn)物和二氧化碳濃度結(jié)果沿著擴(kuò)散路徑映射到細(xì)觀模型中得到場域碳化結(jié)果.

圖1 擴(kuò)散路徑映射方法流程圖

1.2 細(xì)觀路徑特征提取

擴(kuò)散路徑映射方法中的細(xì)觀路徑特征提取主要包含兩個(gè)部分：細(xì)觀幾何建模和擴(kuò)散路徑計(jì)算.

基于Wang等[20-21]提出的隨機(jī)骨料結(jié)構(gòu)(Random Aggregate Structure，RAS)框架上，細(xì)觀建模方法快速發(fā)展，不同模型的建模效率存在差異，適用的分析場景也存在不同.針對(duì)精細(xì)化骨料顆粒粒徑、形狀以及棱角細(xì)節(jié)的模擬場景，本研究采用多重抽樣細(xì)觀建模，其參數(shù)形式如式(5)所示[22].骨料幾何特征由粒徑D，長寬比β以及棱角細(xì)節(jié)T三個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，各參數(shù)通過真實(shí)材料試塊切割圖像識(shí)別的方法得到概率分布函數(shù).在考慮各粒徑顆粒不同數(shù)量的情況下，不同粒徑骨料的形狀參數(shù)概率分布也有所區(qū)分，其中小顆粒骨料更易形成針片狀細(xì)長碎石，而大顆粒骨料則容易形成卵圓形狀骨料顆粒.實(shí)際建模中將骨料建模為多邊形形狀，通過形狀縮放和軸向拉伸，達(dá)到所需的顆粒尺寸和長寬比.骨料空間分布參數(shù)由空間坐標(biāo)X和主軸方位角θ進(jìn)行表示，建模過程中骨料顆粒按照粒徑從大到小的順序逐個(gè)隨機(jī)投放入模型空間，判斷顆粒與模型邊界以及已投放骨料是否沖突，直至所有顆粒投放進(jìn)入模型空間，最終形成所需的混凝土細(xì)觀模型[22].

SAgg={PAgg(D，β，T，X，θ)}

(5)

式中：SAgg為骨料幾何參數(shù)的集合；PAgg為單個(gè)骨料的特征參數(shù)集合包含的幾何和位置信息.

在骨料幾何特征明確后，模型內(nèi)部物質(zhì)最短路徑擴(kuò)散的過程則通過Dijkstra算法進(jìn)行求解.混凝土細(xì)觀擴(kuò)散路徑是指材料水泥漿體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)到環(huán)境暴露表面的所需距離，受到不可滲透骨料介質(zhì)空間隨機(jī)分布的影響，實(shí)際物質(zhì)傳輸擴(kuò)散長度要略長于各點(diǎn)到暴露表面的直線距離.因此，該路徑分布主要受到骨料顆粒的隨機(jī)分布影響，是與時(shí)間無關(guān)的標(biāo)量.Dijkstra算法是通過不斷更新網(wǎng)絡(luò)中兩兩節(jié)點(diǎn)之間的最短距離，以得到遍歷全圖的最短路徑網(wǎng)絡(luò)，較為常用的變體是設(shè)置部分“源”節(jié)點(diǎn)來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)所有其他節(jié)點(diǎn)到源頭的最短路徑樹，這也是本研究中采用的計(jì)算方式[23].通過網(wǎng)格劃分，將模型劃分為適應(yīng)于描述骨料幾何棱角細(xì)節(jié)的單元尺寸，并基于節(jié)點(diǎn)和單元所處位置區(qū)分骨料節(jié)點(diǎn)、水泥漿體節(jié)點(diǎn)以及界面層節(jié)點(diǎn)；擴(kuò)散路徑長度的計(jì)算更新主要基于Dijkstra最短路徑算法，基于介質(zhì)內(nèi)物質(zhì)主要沿最短路徑向低濃度區(qū)域傳輸擴(kuò)散的假定，將模型與外部環(huán)境直接接觸的暴露邊界設(shè)定為擴(kuò)散起點(diǎn)，由表面向內(nèi)遍歷所有水泥漿體節(jié)點(diǎn)并對(duì)擴(kuò)散路徑長度進(jìn)行更新，直至得到所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑長度場域分布.不同的骨料幾何模型下，物質(zhì)傳輸穿過水泥漿體的所需長度也存在較大差異，通過不同模型的路徑計(jì)算則可以在物理層面考慮對(duì)應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的局部抗侵蝕能力.由于界面層區(qū)域的孔隙率差異，其局部擴(kuò)散屬性容易形成物質(zhì)擴(kuò)散的快速通道，因此在路徑計(jì)算過程中需要對(duì)界面層局部路徑長度按照Dcm/DITZ進(jìn)行修正，其中Dcm和DITZ分別為水泥漿體和界面層內(nèi)的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù).

1.3 時(shí)變碳化效應(yīng)求解

代理模型的求解主要關(guān)注水泥漿體內(nèi)部水化和碳化過程的物質(zhì)傳輸遷移和化學(xué)反應(yīng)變化，對(duì)水分和主要礦物成分、水化產(chǎn)物、碳化產(chǎn)物的空間分布進(jìn)行建模，通過偏微分方程的逐時(shí)間步求解來考慮傳輸、產(chǎn)生和消耗.真實(shí)結(jié)構(gòu)服役退化難以精準(zhǔn)預(yù)測的關(guān)鍵在于邊界環(huán)境的時(shí)變波動(dòng)，諸如晝夜溫差、潮汐干濕循環(huán)等，因此求解過程需要能夠考慮并反映出環(huán)境參數(shù)波動(dòng)的影響.傳統(tǒng)模擬方法在面臨結(jié)構(gòu)尺度分析需求，或者精細(xì)化細(xì)觀骨料描述的需要，大模型小網(wǎng)格帶來計(jì)算效率的急劇下降.而本方法中代理模型則可以采用能夠反映碳化深度方向影響的狹長模型，不必考慮細(xì)觀特征的影響，也能夠調(diào)大網(wǎng)格劃分尺寸，帶來計(jì)算成本的下降.模擬能力的提升則可以用于關(guān)注環(huán)境參數(shù)的時(shí)變波動(dòng)變化，基于氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用3小時(shí)一步的計(jì)算步驟，能夠通過精細(xì)化的8個(gè)計(jì)算步來考慮服役過程中每一天的溫濕度波動(dòng)細(xì)節(jié).面向結(jié)構(gòu)百年服役過程的代理模型通過292 000步求解，能夠精細(xì)考慮晝夜溫差、季節(jié)溫差以及濕度變化的復(fù)雜影響.

隨著長期服役過程中碳化作用的影響加深，大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的堿性環(huán)境被逐漸削弱，進(jìn)而造成鋼筋表面中性化脫鈍銹蝕，其對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)是氫氧化鈣濃度的下降.因此，對(duì)代理模型各時(shí)間步中氫氧化鈣濃度隨深度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果按照對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散路徑長度映射到混凝土細(xì)觀路徑網(wǎng)絡(luò)中，則可以得到混凝土內(nèi)部關(guān)鍵物質(zhì)的細(xì)觀濃度分布.其中，由于骨料顆粒隨機(jī)分布和棱角細(xì)節(jié)影響，同樣服役條件下碳化作用的影響范圍也存在較大差異，結(jié)合具體工程需求則可以得到結(jié)構(gòu)耐久性退化整體水平和隨機(jī)特性.

2 大體積混凝土構(gòu)件碳化作用分析

2.1 大體積錨碇工程背景概述

本文選取了廣州地區(qū)某大跨徑斜拉橋錨碇結(jié)構(gòu)開展碳化作用分析，錨碇結(jié)構(gòu)平面尺寸73 m×73 m，地面以上部分高度47 m，地下埋置深度36 m以上，整體布置如圖2所示.

圖2 錨碇結(jié)構(gòu)側(cè)視圖與正視圖

錨碇結(jié)構(gòu)包含錨固系統(tǒng)和混凝土錨體兩部分，其中錨固系統(tǒng)包括核心區(qū)域拉桿、連接器、預(yù)應(yīng)力鋼束和管道、預(yù)應(yīng)力錨具以及錨頭防護(hù)等組件；而錨體結(jié)構(gòu)則包括錨塊、散索鞍支墩及底板、前錨室、后澆段.錨體結(jié)構(gòu)地上部分在長期服役過程中暴露于橋址大氣環(huán)境，在混凝土澆筑施工完成后，大氣二氧化碳侵入造成表面碳化作用影響.考慮到錨碇結(jié)構(gòu)表面積大，碳化作用病害的空間分布隨機(jī)性強(qiáng)，造成病害問題較為隱蔽且爆發(fā)時(shí)機(jī)難以預(yù)測，因此有必要針對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵局部開展相關(guān)碳化作用模擬和服役性能分析.

橋址地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22 ℃，夏季最熱月份為七月份，平均28.5 ℃，日最高氣溫≥35 ℃的天數(shù)為10 d，極端最高氣溫38.7 ℃；冬季1月份最冷，平均氣溫13.6 ℃，極端最低氣溫在0 ℃.多年平均降雨量1 694～1 726 mm，最大降雨量2 517 mm；最少降雨量1 243 mm.雨日在150 d以上，日降雨量≥80 mm的天數(shù)為3 d.暴雨較集中的月份為5～9月份.連續(xù)降雨天數(shù)為20 d，一般出現(xiàn)在6～7月份.基于橋址周邊氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得到環(huán)境溫度和濕度時(shí)變結(jié)果如圖3所示，數(shù)據(jù)頻率為3小時(shí)1次，溫度數(shù)據(jù)精度0.1 ℃，濕度數(shù)據(jù)精度1%.從圖中數(shù)據(jù)可以看出橋址亞熱帶濕熱環(huán)境的特點(diǎn)顯著，環(huán)境溫度季節(jié)溫差明顯，夏季溫度主要波動(dòng)于25～35 ℃，冬季溫度波動(dòng)于5～25 ℃溫差波動(dòng)更為顯著，季節(jié)之間過渡過程中短周期的升溫和降溫劇烈波動(dòng)也較為顯著且復(fù)雜；環(huán)境濕度則一直保持相對(duì)較高的水平，全年大部分時(shí)間濕度維持于60%以上，冬夏季節(jié)濕度較高且穩(wěn)定，而在春秋季節(jié)中溫度劇烈變化過程也常伴隨著濕度的短期下降，最低濕度約為35%.由此可見亞熱帶地區(qū)氣候條件特殊，對(duì)于混凝土碳化作用等耐久性溫度發(fā)展的影響較為復(fù)雜，有必要采用合適的模擬分析方法，用以預(yù)測環(huán)境波動(dòng)下結(jié)構(gòu)服役退化過程規(guī)律.

圖3 橋址位置環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)

2.2 亞熱帶濕熱環(huán)境錨碇碳化作用模擬

基于前述擴(kuò)散路徑映射方法求解策略，針對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)開展關(guān)鍵截面細(xì)觀建模與碳化作用代理模型求解.選擇錨碇表面與角隅區(qū)域共計(jì)6處關(guān)鍵局部，分別建立平均寬度600 mm、深度200 mm的混凝土細(xì)觀模型，如圖4左側(cè)所示.針對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)混凝土材料配合比設(shè)計(jì)，考慮到骨料含量46.9%，模擬骨料級(jí)配為經(jīng)典Fuller級(jí)配中1.0～25.0 mm粒徑范圍，骨料具體形狀建模方面采用多邊形碎石骨料模型，單個(gè)局部細(xì)觀模型中投放骨料5 000顆左右.為了能夠較為精準(zhǔn)地描述各粒徑尺寸下骨料顆粒形狀與棱角細(xì)節(jié)，擴(kuò)散路徑計(jì)算精度達(dá)到0.1 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到107量級(jí).針對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)觀模型的深度，代理模型建模尺寸為20.0 mm×200.0 mm，模型單元的化學(xué)屬性設(shè)置為考慮界面層效應(yīng)的水泥漿體材料.考慮到結(jié)構(gòu)服役的亞熱帶濕熱氣候的復(fù)雜影響，本研究代理模型求解中采用3 h的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算步時(shí)長，環(huán)境邊界的溫度、濕度和大氣二氧化碳濃度也采用氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入.通過細(xì)觀路徑計(jì)算考慮骨料顆粒對(duì)于迂曲擴(kuò)散路徑的影響，由于材料內(nèi)部非均勻性與時(shí)間無關(guān)所以擴(kuò)散路徑僅需單次求解，而真實(shí)服役的碳化過程則通過代理模型的傳統(tǒng)偏微分方程進(jìn)行求解.代理模型尺寸20.0mm×200.0mm，網(wǎng)格尺寸5.0mm，得益于小模型和大網(wǎng)格，對(duì)百年服役按照3小時(shí)一步進(jìn)行求解分析，292 000步驟，計(jì)算耗時(shí)約15分鐘，對(duì)氫氧化鈣的時(shí)變濃度-深度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)體積100KB以內(nèi)，可見該方法在求解效率和存儲(chǔ)空間方面優(yōu)勢顯著.代理模型求解結(jié)果如圖4右側(cè)所示.選取氫氧化鈣濃度作為材料局部堿性的判斷依據(jù)，其中較淺的黃色區(qū)域?yàn)樘蓟饔糜绊懛秶?，而較深的藍(lán)色區(qū)域?yàn)槲词芴蓟绊懙膮^(qū)域范圍.隨著結(jié)構(gòu)百年服役過程中碳化作用在水泥漿體中逐步侵入，碳化早期侵入速率較快，深度達(dá)到20 mm左右，服役百年后水泥漿體內(nèi)碳化深度約為60 mm.

圖4 錨碇結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面建模與代理模型求解

將長期服役下水泥漿體內(nèi)部碳化作用模擬結(jié)果，映射于錨碇截面關(guān)鍵局部細(xì)觀擴(kuò)散路徑網(wǎng)絡(luò)，可以得到不同位置、角隅區(qū)域的碳化作用分布情況，如圖5所示.模擬結(jié)果表明錨碇結(jié)構(gòu)長期服役過程中，環(huán)境二氧化碳侵入與材料內(nèi)部水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成由暴露表面向內(nèi)的堿性下降.碳化作用影響范圍隨服役時(shí)間增長而不斷擴(kuò)大，在服役百年后錨碇結(jié)構(gòu)一般區(qū)域平均碳化深度達(dá)到50 mm左右，而在角隅區(qū)域由于兩段暴露邊界的向內(nèi)傳輸共同作用，碳化深度略有增大，總體差異并不顯著.但基于本方法中細(xì)觀擴(kuò)散路徑場的計(jì)算，骨料顆粒隨機(jī)分布對(duì)于碳化作用空間分布的復(fù)雜影響也得到充分考慮，不同骨料顆粒粒徑、形狀、棱角分布對(duì)碳化作用的擴(kuò)散影響形成阻礙，這也是結(jié)構(gòu)與純水泥漿體代理模型差異的關(guān)鍵所在.綜上，基于擴(kuò)散路徑映射方法，能夠得到錨碇結(jié)構(gòu)在亞熱帶濕熱環(huán)境服役的碳化作用細(xì)觀尺度分布，也可以為后續(xù)保護(hù)層厚度下鋼筋局部銹蝕概率以及結(jié)構(gòu)耐久性能演化分析提供量化依據(jù).

圖5 錨碇結(jié)構(gòu)長期服役碳化作用映射結(jié)果

為了對(duì)比分析亞熱帶濕熱環(huán)境對(duì)于結(jié)構(gòu)碳化的具體影響，以及材料精細(xì)化模擬的差異，研究針對(duì)錨碇截面關(guān)鍵局部開展簡化模擬分析，材料屬性采用均質(zhì)化混凝土物理化學(xué)屬性，環(huán)境邊界溫濕度按照實(shí)測數(shù)據(jù)年平均數(shù)值進(jìn)行取值，其中溫度19.89 ℃濕度81.80%，得到對(duì)應(yīng)的局部碳化模擬結(jié)果如圖6所示.對(duì)比結(jié)果表明，采用均質(zhì)化材料模型中碳化作用從暴露表面均勻向內(nèi)侵入，各局部位置碳化深度一致與細(xì)觀模擬結(jié)果差異顯著；采用年平均溫濕度環(huán)境條件輸入后，碳化作用在高溫干濕交替影響下的加速侵入難以考慮，整體碳化深度略小于復(fù)雜環(huán)境工況.從右側(cè)模擬結(jié)果局部對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，考慮材料和環(huán)境復(fù)雜影響下的截面碳化分布復(fù)雜，更加接近真實(shí)混凝土碳化作用情況，采取擴(kuò)散路徑映射方法在碳化模擬效果方面優(yōu)勢顯著.

圖6 亞熱帶濕熱環(huán)境碳化作用細(xì)觀模擬與簡化模擬結(jié)果差異

圖7 考慮亞熱帶濕熱氣候影響與簡化氣候環(huán)境的錨碇碳化深度對(duì)比

圖8 橋梁錨碇結(jié)構(gòu)涂層防護(hù)過程(攝于2020年10月)

2.3 考慮濕熱環(huán)境影響的碳化深度對(duì)比

基于圖6中錨碇結(jié)構(gòu)在亞熱帶濕熱環(huán)境下碳化作用隨服役時(shí)間變化規(guī)律，為比較分析精細(xì)化氣候環(huán)境模擬對(duì)于結(jié)構(gòu)碳化的具體影響，因此，本研究將背景工程服役碳化過程與忽略氣候特征的簡化模型進(jìn)行對(duì)比.對(duì)比研究中針對(duì)百年服役采用的292 000計(jì)算步驟(8步/d×365 d/a×100 a服役)中每步溫濕度更新輸入，簡化模型中采用年平均溫度和年平均濕度進(jìn)行輸入，而模型其余方面設(shè)定均與前述模型保持一致，求解得到對(duì)應(yīng)碳化作用影響.對(duì)平均碳化深度、95%分位深度以及深度標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表1所示，結(jié)果表明考慮濕熱環(huán)境影響下的錨碇結(jié)構(gòu)碳化深度的平均值、極值以及變異性均略高于簡化模型計(jì)算結(jié)果，偏差水平約為3.7%左右.通過量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用考慮日周期、年周期的環(huán)境時(shí)變輸入能夠較好地反映結(jié)構(gòu)真實(shí)退化過程，而采用簡化模擬的環(huán)境年平均水平輸入策略則會(huì)忽視溫差和濕度波動(dòng)對(duì)于碳化作用的加速和減緩效果，最終結(jié)果中對(duì)于碳化深度的預(yù)測結(jié)果略低也會(huì)導(dǎo)致低估碳化對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要在結(jié)構(gòu)碳化仿真分析中考慮具體服役環(huán)境氣候和時(shí)變特征.

表1 考慮亞熱帶氣候影響與簡化環(huán)境輸入的碳化深度差異

3 大體積混凝土構(gòu)件碳化防護(hù)效能分析

3.1 考慮涂層防護(hù)的錨碇碳化模擬

得益于擴(kuò)散路徑映射方法在復(fù)雜服役環(huán)境方面的模擬精度，在大體積錨碇結(jié)構(gòu)關(guān)鍵局部碳化作用模擬的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)耐久性能防護(hù)措施效果開展精細(xì)化研究分析.考慮到錨碇結(jié)構(gòu)耐久性能保障和提升的主要策略是通過防護(hù)涂層、添加劑等形式封閉阻斷環(huán)境物質(zhì)侵入和改良材料自身抗?jié)B透能力，其中涂層防護(hù)方法成熟高效，且在長期服役管養(yǎng)維護(hù)方面相對(duì)便捷經(jīng)濟(jì).混凝土結(jié)構(gòu)涂層防護(hù)是通過隔絕混凝土暴露表面的環(huán)境物質(zhì)侵入實(shí)現(xiàn)耐久性能提升，考慮到橋梁建成開通于2008年12月，距今服役已有14 a，因此本研究也考慮了無防護(hù)碳化、建成10 a后防護(hù)和建成后立即防護(hù)三種工況進(jìn)行對(duì)比，也能夠?yàn)轭愃乒こ痰男陆蛄悍雷o(hù)方案制定和在役橋梁耐久性能提升提供支撐.

不同防護(hù)方案下錨碇結(jié)構(gòu)長期服役碳化作用如圖9所示，模擬結(jié)果表明考慮涂層防護(hù)后錨碇結(jié)構(gòu)百年服役碳化作用影響深度大幅減少，碳化深度縮短一半以上.

對(duì)比無防護(hù)方案下碳化深度50 mm以上，服役10 a后采取涂層防護(hù)的方案，盡管在服役早期10 a內(nèi)碳化深度達(dá)到22 mm左右，但得益于涂層隔絕二氧化碳輸入，后續(xù)服役的90 a內(nèi)碳化深度僅僅向內(nèi)侵入2 mm，可以結(jié)構(gòu)服役早期的耐久性能防護(hù)措施能夠及時(shí)杜絕繼續(xù)退化問題.而對(duì)比服役后立即采用涂層隔絕的防護(hù)方案效果，后者防護(hù)效果更為顯著，新建結(jié)構(gòu)早期快速退化過程被及時(shí)避免，結(jié)構(gòu)百年服役內(nèi)總體碳化深度不足20 mm.結(jié)合本方法細(xì)觀模擬結(jié)果，骨料顆粒隨機(jī)分布影響也十分顯著，臨近結(jié)構(gòu)表面的大顆粒骨料對(duì)于碳化過程的阻礙效應(yīng)顯著，大顆粒骨料和狹窄間隙下方能夠看到碳化影響區(qū)域的缺口；而大顆粒缺失小顆粒聚集的局部，水分和環(huán)境物質(zhì)的傳輸擴(kuò)散通道暢通，該局部碳化影響的范圍也更深，容易形成鋼筋銹蝕和耐久性退化的薄弱位置.

3.2 考慮涂層防護(hù)的碳化深度分析

基于錨碇截面細(xì)觀模擬能夠獲得碳化作用影響區(qū)域的空間分布，以及隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)服役不同階段碳化區(qū)域發(fā)展規(guī)律，但與結(jié)構(gòu)整體耐久性能演化和對(duì)應(yīng)的不確定性概率仍有差距.因此可以將氫氧化鈣濃度驟降的臨界區(qū)域作為碳化鋒面位置，提取考慮細(xì)觀材料特性的碳化深度概率分布情況，并深入對(duì)比不同防護(hù)措施對(duì)于碳化深度的量化影響.因此得到具體各個(gè)防護(hù)方案下錨碇截面百年服役后碳化深度概率密度分布如圖10所示，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)量化指標(biāo)數(shù)值如表2所示.圖中黃色分布為無防護(hù)方案，綠色分布為服役10后采取涂層防護(hù)方案，藍(lán)色分布為服役初始即采用涂層防護(hù)方案.結(jié)果表明自然服役無防護(hù)方案下碳化平均深度最深達(dá)53.43 mm，變異性更大，考慮到常規(guī)錨碇結(jié)構(gòu)50 mm左右的凈保護(hù)層厚度，鋼筋表面受碳化區(qū)域達(dá)到90%左右，存在表層鋼筋大面積脫鈍銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，有必要采取合適的耐久性能保障措施進(jìn)行防護(hù)；而在服役10 a相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行涂層防護(hù)，雖然錯(cuò)過了早期快速碳化防護(hù)的關(guān)鍵階段，但后續(xù)阻斷環(huán)境物質(zhì)侵入，碳化深度也得以控制，平均深度24.45 mm最大深度也不超過26.90 mm，在保障涂層防護(hù)完好的前提下能夠有效降低百年服役期間耐久性能退化病害風(fēng)險(xiǎn)；顯然在新建結(jié)構(gòu)服役初始階段采取必要的防護(hù)措施能夠達(dá)到較好的防護(hù)效果，百年服役碳化深度極值降低至20 mm左右.

圖10 不同防護(hù)方案下錨碇碳化深度概率密度分布

從碳化深度變異性的角度，細(xì)觀方法通過考慮材料內(nèi)部組分的不均勻性來反映出耐久性退化的不確定性，這也揭示出以碳化作用為代表的耐久性退化存在顯著的空間變異性，傳統(tǒng)數(shù)值模擬均質(zhì)化假定得到的平均退化程度與實(shí)際局部極值仍存在差異，如分析結(jié)果中碳化深度平均值與5%分位數(shù)差值接近5 mm.實(shí)際退化過程不同于結(jié)構(gòu)整體的均勻退化，往往會(huì)表現(xiàn)出早期局部退化隨機(jī)涌現(xiàn)和后期病害大規(guī)模爆發(fā)的情況，且退化時(shí)機(jī)早于傳統(tǒng)預(yù)測結(jié)果中的均值失效.由此可見，結(jié)合細(xì)觀尺度模型的擴(kuò)散路徑映射方法能夠揭示大體積混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜服役環(huán)境下退化的空間隨機(jī)分布，也具備支撐工程耐久性能演化概率分析的潛力.

4 結(jié)論

碳化作用是大體積混凝土基礎(chǔ)設(shè)施在長期服役過程中最為常見的耐久性退化問題，亞熱帶濕熱環(huán)境中碳化問題更為顯著，有必要開展模擬預(yù)測和量化分析.本研究提出適用于復(fù)雜服役環(huán)境下大體積混凝土結(jié)構(gòu)碳化分析的擴(kuò)散路徑映射方法，研究依托我國東南沿海地區(qū)某橋梁錨碇結(jié)構(gòu)開展細(xì)觀碳化分析，對(duì)長期服役過程碳化深度和鋼筋銹蝕概率特征進(jìn)行預(yù)測，求解效率和精度均實(shí)現(xiàn)大幅提升，可以總結(jié)為以下結(jié)論：

(1)在亞熱帶濕熱環(huán)境大體積混凝土構(gòu)件碳化作用模擬中，材料內(nèi)部組分不均勻分布和環(huán)境溫濕度時(shí)變波動(dòng)，與結(jié)構(gòu)退化空間分布以及時(shí)間隨機(jī)涌現(xiàn)緊密關(guān)聯(lián).通過采用基于擴(kuò)散路徑映射的細(xì)觀碳化模擬方法，能夠保持100 μm網(wǎng)格劃分和3 h時(shí)間步的精度下，完成構(gòu)件百年服役求解.其中精細(xì)化模型路徑求解可以充分考慮1～25 mm粒徑范圍內(nèi)骨料級(jí)配、形狀、棱角細(xì)節(jié)對(duì)于局部碳化的復(fù)雜效應(yīng)，百年服役中每天8計(jì)算步的環(huán)境邊界時(shí)變輸入也能夠較為精準(zhǔn)反映濕熱環(huán)境下溫濕度晝夜波動(dòng)、季節(jié)波動(dòng)等對(duì)于碳化進(jìn)程的影響；

(2)選取錨碇截面6個(gè)關(guān)鍵局部開展細(xì)觀建模，單個(gè)模型內(nèi)部骨料顆粒數(shù)量約5 000顆粒，網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到107量級(jí)；代理模型基于橋址周邊氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境邊界建模.模擬結(jié)果表明錨碇結(jié)構(gòu)百年服役中一般區(qū)域碳化深度達(dá)到50 mm左右.通過將亞熱帶濕熱環(huán)境碳化細(xì)觀模擬結(jié)果與材料環(huán)境簡化模型進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果在碳化深度整體水平和變異性存在差異，精細(xì)化材料建模和環(huán)境邊界模擬十分必要；

(3)針對(duì)耐久性能防護(hù)措施效果開展精細(xì)化研究分析，模擬結(jié)果表明，服役10 a后采取涂層防護(hù)的方案，可以將無防護(hù)狀態(tài)下百年服役50 mm以上的碳化深度降低至24 mm左右，而服役后立即采用涂層隔絕的防護(hù)方案效果更為顯著，平均碳化深度18.05 mm變異性也更小.基于對(duì)比分析，對(duì)于現(xiàn)役時(shí)間不長的大型混凝土基礎(chǔ)設(shè)施采取必要的防護(hù)方案十分必要；

(4)研究通過橋梁錨碇結(jié)構(gòu)案例論證了該方法在求解效率和模擬效果方面的優(yōu)勢，研究結(jié)論為結(jié)構(gòu)早期退化隨機(jī)涌現(xiàn)和后期病害整體爆發(fā)的性能突變提供量化支撐.在后續(xù)研究中，將該方法遷移至相關(guān)耐久性問題數(shù)值模擬，能夠?yàn)榇笮突炷两Y(jié)構(gòu)服役災(zāi)變演化預(yù)測提供依據(jù)，也能夠?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施耐久性與韌性提升提供支撐.