混凝土中性化研究進(jìn)展★

劉勇　羅克嵩　謝愛麗　黃瀅

（江西科技師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌　330000）

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·建筑材料及應(yīng)用·

混凝土中性化研究進(jìn)展★

劉勇羅克嵩謝愛麗黃瀅

（江西科技師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌330000）

摘要：介紹了酸與硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕過程，從侵蝕強(qiáng)度、酸化深度、彈性模量等方面，建立了混凝土侵蝕模型，闡述了混凝土中性化的研究進(jìn)展，提出了一些改良混凝土實(shí)驗(yàn)方法與完善數(shù)值模擬的建議。

關(guān)鍵詞：混凝土，酸雨，侵蝕強(qiáng)度，數(shù)值模擬

根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，近十年，全國同類酸雨城市、較重酸雨城市、重酸雨城市的比例總體在不斷下降，僅2005年—2011年，分別降低5. 5%，8. 1%和6. 7%，其中浙江、上海全境的酸雨頻率在25%以上，江西、福建有80%地區(qū)的酸雨在25%以上；但在總體趨勢下降的情況下，重慶、上海、福建的酸雨頻率升幅在10%以上［1］。

酸雨主要分布在長江以南、青藏高原以東的120萬km2。對(duì)混凝土受到的化學(xué)（酸雨）腐蝕、物理荷載等中性化的研究也是在這樣的環(huán)境下產(chǎn)生的，研究混凝土中性化對(duì)預(yù)判混凝土壽命，對(duì)做好安全防護(hù)措施有較大意義；從研究模擬方法到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程，許多的線性數(shù)理模型概念、實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段都得到了應(yīng)用，本文主要就是介紹過程中出現(xiàn)不同的概念和技術(shù)［2］。

1　混凝土侵蝕

混凝土是堿性材料，由于內(nèi)部水分很少，所以水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2濃度很高，pH值（約13）很大。工業(yè)廢氣、汽車尾氣等有大量CO2，SO2和氮氧化物，這些氣體溶入大氣并與水發(fā)生液相氧化反應(yīng)，最后形成酸雨；酸雨的主要成分中，陰離子有，， F-，Cl-，陽離子有，Mg2 +，Ca2 +，Na+，K+等。王昌永的結(jié)果表明，反應(yīng)產(chǎn)物均分別以溶解型化學(xué)腐蝕和膨脹型化學(xué)腐蝕這兩種方式對(duì)混凝土產(chǎn)生破壞作用［3］。

空氣中有大量的CO2氣體，它會(huì)滲透進(jìn)混凝土的孔隙與毛細(xì)管中，進(jìn)而擴(kuò)散于毛細(xì)管中的液體，與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2等相互作用，達(dá)到酸化混凝土的效果，碳化作用的快慢主要取決于CO2的擴(kuò)散速度。CO2繼續(xù)深入后與鋼筋反應(yīng)，產(chǎn)物的體積變大，使鋼筋混凝土破壞過程為Fe→FeO→Fe3O4→Fe2O3→Fe（OH）2→Fe（OH）3→Fe（OH）3·3H2O。碳化過程可由下列反應(yīng)式表示：

1.1酸侵蝕

CO2與SO2等酸性氣體溶于水形成酸性液，酸性液與混凝土成分反應(yīng)生成易溶于水的物質(zhì)，對(duì)混凝土造成逐層破壞；酸同時(shí)破壞孔隙結(jié)構(gòu)的凝膠體，降低混凝土的強(qiáng)度［4］。酸腐蝕過程可由下列反應(yīng)式表示：

1.2硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽腐蝕是使混凝土發(fā)生膨脹，即膨脹性腐蝕。硫酸鹽腐蝕分為鈣礬石型腐蝕、石膏型腐蝕和結(jié)晶型腐蝕［5］。腐蝕過程可由下列反應(yīng)式表示：

2　模型研究

侵蝕模型在得到化學(xué)、物理機(jī)理后建立，包括侵蝕強(qiáng)度、酸化深度、彈性模量等。

國內(nèi)方面，周飛鵬提出用量綱分析原理，原理中的π原理提到混凝土的強(qiáng)度和侵蝕時(shí)間、酸化深度、SO2 -4濃度、H+濃度之間的關(guān)系。建立侵蝕強(qiáng)度模型，假定侵蝕后混凝土的強(qiáng)度（F，量綱：Pa）和初始強(qiáng)度（f，量綱：Pa）、酸化深度（X，量綱：mm）、時(shí)間（t，量綱：d）、SO2 -4濃度（S，量綱：mol/L）、H+濃度（H，量綱：mol/L）因素關(guān)聯(lián)，量綱分析采用MKS制，主定參量六個(gè)，導(dǎo)出參量三個(gè)。主定參量六個(gè)中最大有三個(gè)線性無關(guān)，另外三個(gè)可以表示成它們的線性組合，關(guān)系式如下：

依據(jù)π定理得矩陣形式，解得后可以得強(qiáng)度損失率和各因素間的關(guān)系：

由π定理得：

再用同樣的方法建立酸化深度模型，假定酸化深度（X，量綱：mm）和初始強(qiáng)度（f，量綱：Pa）、H+濃度（H，量綱：mol/L）、時(shí)間（t，量綱：d）、SO2 -4濃度（S，量綱：mol/L）因素關(guān)聯(lián)，得關(guān)系式如下：

張英姿應(yīng)用復(fù)合材料細(xì)觀損傷力學(xué)彈性模量模型，通過實(shí)驗(yàn)室加速侵蝕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，得侵蝕后混凝土彈性模量（E）關(guān)系式為［6］：

式中：C1——混凝土內(nèi)孔洞的體積含量；

E0——侵蝕前材料彈性模量；

v0——泊松比。

陳夢(mèng)成通過球壓痕法測試不同pH值模擬酸雨中的水泥砂漿應(yīng)力—應(yīng)變曲線，得水泥砂漿表面彈性模量EC關(guān)系式如下［7］：

式中：vm——水泥砂漿泊松比，取0. 15；

a——球壓痕半徑；

F——試驗(yàn)加載荷載；

R——軸承鋼球（壓頭）半徑；

vq——軸承鋼球（壓頭）泊松比；

Eq——軸承鋼球（壓頭）彈性模量。

曹雙寅提出強(qiáng)度損失數(shù)學(xué)模型，假定1，受侵蝕的混凝土強(qiáng)度損失率（Rd/R）與侵蝕持續(xù)時(shí)間成正比；假定2，在侵蝕介質(zhì)濃度不高時(shí)，受侵蝕混凝土的強(qiáng)度損失率與侵蝕介質(zhì)的濃度成正比，則可得受侵蝕混凝土的強(qiáng)度損失模型為［8］：

式中：Rd——混凝土的強(qiáng)度損失；

R——未侵蝕混凝土的強(qiáng)度；

C——侵蝕介質(zhì)的濃度；

T——侵蝕的持續(xù)時(shí)間；

T0——混凝土強(qiáng)度開始降低的時(shí)間；

Kd——介質(zhì)對(duì)混凝土的蝕強(qiáng)率系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸，假定1與2均成立。

彭建新在Fick第二擴(kuò)散定律的基礎(chǔ)上，綜合滲透系數(shù)、侵蝕時(shí)間、濃度和濕度、侵蝕濃度等因素，應(yīng)用隨機(jī)微分方程理論建立隨機(jī)模型，建立Cl-侵蝕模型［9］?？杀硎緸椋?/p>

式中：C——氯離子濃度；t為結(jié)構(gòu)暴露與氯離子環(huán)境中的時(shí)間；

x——侵蝕的深度；

D——氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；

C0——初始濃度；

Cs——表面濃度。

國外方面，V. Pavlik提出侵蝕深度與腐蝕濃度間的經(jīng)驗(yàn)公式，通過受酸雨侵蝕的混凝土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析所得［10］，可表示為：

式中：c——侵蝕溶液的濃度，mol/L；

t——侵蝕時(shí)間，d；

d——混凝土受侵蝕深度，mm；

由侵蝕溶液組成、混凝土水灰比和養(yǎng)護(hù)條件綜合確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k，m，n。

人們提出FicK擴(kuò)散定律為回歸分析的侵蝕模型提供充足的理論基礎(chǔ)：

其中，（A + BW/C）為水灰比修正系數(shù)，其他同上。

Zivica Vladimir提出侵蝕度（CD）的概念，表述侵蝕的速率［11］，可表示為：

式中：η0——侵蝕溶液的濃度系數(shù)，η0= C/（ac+ bcC）；

C——侵蝕溶液的濃度；

ac，bc——與侵蝕條件有關(guān)的系數(shù)；

ηt——侵蝕溶液的系數(shù)，ηt= t/（ac+ bct）；

t——構(gòu)件酸性侵蝕時(shí)間，d；

ηth——侵蝕溶液的侵蝕深度系數(shù)，ηth= a + bx + cx2；

x——酸性溶液的侵蝕深度，mm；

a，b，c——與侵蝕條件有關(guān)的系數(shù)。

岸谷孝一提出水灰比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2］：

式中：W/C——水灰比；

rc——水泥品種影響系數(shù)；

ra——骨料品牌影響系數(shù)；

rs——混凝土摻加劑影響系數(shù)。

3　數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的本質(zhì)就是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)穩(wěn)定快速的特性。模擬過程一般分為三個(gè)方面，首先要建立能夠解決問題的數(shù)學(xué)模型，把各影響變量間的關(guān)聯(lián)用微分方程表示，設(shè)定定解條件；其次要尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法；最后編制程序進(jìn)行計(jì)算，據(jù)實(shí)踐的反映，這是整個(gè)工作的主體。上述操作得到大量數(shù)據(jù)通過圖像顯示，完成圖像模擬工作。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能揭示許多實(shí)驗(yàn)無法觀測的現(xiàn)象，解釋其破壞和強(qiáng)度變化機(jī)理。

王路平通過參數(shù)轉(zhuǎn)化，APDL編程，采用以有限元方法為基礎(chǔ)的ANSYS熱分析模塊，對(duì)CO2擴(kuò)散系數(shù)和碳化反應(yīng)速率分析，可實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)碳化過程數(shù)值模擬，分析過程中加入混凝土所處的溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境因素的影響［13］；劉振平基于鋼筋混凝土矩形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁、ANSYS預(yù)應(yīng)力混凝土做數(shù)值模擬，得出混凝土采用非線性彈性模型，混凝土壓碎開關(guān)關(guān)閉，鋼筋采用彈塑性模型，效果好精度高［14］；張德海建立梁—顆粒數(shù)值模型，對(duì)混凝土在單軸壓縮和拉伸載荷作用時(shí)微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通、產(chǎn)生宏觀裂紋進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)論給出最大拉應(yīng)力分布狀況、混凝土拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線和三點(diǎn)彎曲載荷—位移曲線［15］。

4　結(jié)語

對(duì)混凝土的中性化過程，是在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)碳化、酸侵蝕對(duì)混凝土的重疊破壞作用，使混凝土有一個(gè)中性化的深度；隨著時(shí)間的變化，材料被中性化的深度在不斷的加深，最終使得鋼混結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。人們現(xiàn)在多從碳化與酸蝕等因素通過一個(gè)耦合機(jī)制，將碳化與酸蝕結(jié)合在一個(gè)關(guān)聯(lián)公式內(nèi)，從而對(duì)混凝土的性能變化有一個(gè)更精確的預(yù)算。

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Research progress of concrete neutralization★

Liu Yong Luo Kesong Xie Aili Huang Ying
（College of Building Engineering，Jiangxi Normal University of Science & Technology，Nanchang 330000，China）

Abstract：The paper introduces the erosion process of acid and sulfates upon concrete，establishes concrete erosion model from aspects of erosion strength，acidizing and elastic modulus，describes concrete neutralization research progress，and finally puts forward some suggestions of improving concrete testing methods and perfecting numerical simulation.

Key words：concrete，acid rain，erosion strength，numerical simulation

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0112-03

收稿日期：2016-01-16★：江西科技師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)、科研基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20150903006）；江西科技師范大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：300098010502）

作者簡介：劉勇（1994-），男，在讀本科生；羅克嵩（1994-），男，在讀本科生；謝愛麗（1993-），女，在讀本科生；黃瀅（1978-），女，講師，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師