基于數(shù)值模擬的混凝土碳化環(huán)境影響因素研究

□孟衛(wèi)濤

基于數(shù)值模擬的混凝土碳化環(huán)境影響因素研究

□孟衛(wèi)濤

混凝土碳化是影響混凝土建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的不利因素之一，混凝土碳化反應(yīng)是CO2在混凝土建筑物結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散的結(jié)果。對(duì)比碳化反應(yīng)中CO2在混凝土中擴(kuò)散與熱傳導(dǎo)中熱量傳遞的相似性，利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)不同環(huán)境因素下的混凝土碳化進(jìn)行數(shù)值模擬，分析環(huán)境溫度、濕度和CO2濃度對(duì)混凝土碳化的影響。

碳化；數(shù)值模擬；水閘

混凝土碳化是一個(gè)復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程，具體為水泥中的水化物與周圍環(huán)境中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鹽，而使混凝土趨于中性化的現(xiàn)象。碳化混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變化，使混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高，抗拉強(qiáng)度和混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能則顯著降低。

1.混凝土碳化過程

取混凝土結(jié)構(gòu)碳化部分內(nèi)一微元體進(jìn)行碳化分析，設(shè)微元體各邊長分別為dx、dy、dz，則根據(jù)碳元素質(zhì)量守恒定律，CO2通過微元體的碳化過程可表示為：

式中C、Cin、Cout和Cr分別表示微元體內(nèi)CO2含量、進(jìn)入、流出和碳化反應(yīng)消耗的CO2含量。

考慮混凝土是各向同性的均質(zhì)體，CO2在混凝土介質(zhì)的擴(kuò)散也是各向同性的，混凝土碳化的微分方程可表示為：

式中P、t、D分別為混凝土內(nèi)的CO2濃度，碳化反應(yīng)時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)；▽為拉普拉斯算子。

2.碳化與熱傳導(dǎo)過程相似性

瞬態(tài)熱分析中溫度場變量微分方程：

在熱傳導(dǎo)問題中，熱量從一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)或者由系統(tǒng)的一部分傳到另一部分，而混凝土的碳化過程則可看成是CO2由環(huán)境中進(jìn)入到混凝土中擴(kuò)散的過程?；炷撂蓟剡^程與熱傳導(dǎo)過程在形式上基本相同，控制方程也類似，只是兩者的物理量不同。將CO2濃度與溫度，CO2含量與物體熱量一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)存在溫度差時(shí)，熱量將沿溫度梯度傳遞，同理，當(dāng)兩個(gè)介質(zhì)之間CO2存在濃度差時(shí)，CO2會(huì)濃度梯度擴(kuò)散。類比方程（2）和方程（3），令：

則混凝土的碳化問題就可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾鲗?dǎo)問題而利用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.水閘碳化過程數(shù)值模擬分析

水閘是水利工程中常見的結(jié)構(gòu)型式，本文以引黃入冀補(bǔ)淀工程某水閘為研究對(duì)象，對(duì)混凝土碳化過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。引黃入冀補(bǔ)淀工程是在兼顧河南、河北兩省沿線地區(qū)農(nóng)業(yè)用水前提下，為白洋淀提供生態(tài)補(bǔ)水的大型引調(diào)水工程。

在模型建立過程中，假定水閘結(jié)構(gòu)和環(huán)境介質(zhì)在長度方向上均勻分布；CO2在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散各向同性，且CO2濃度不隨大氣流動(dòng)而變化。

按照ANSYS熱分析，微分單元需反映結(jié)構(gòu)中CO2濃度變化，ANSYS常用單元PLANE55四節(jié)點(diǎn)四邊形單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都只有一個(gè)自由度溫度。結(jié)合快速碳化實(shí)驗(yàn)，可得到混凝土碳化深度和碳化鋒面的CO2濃度擬合關(guān)系式：

4.環(huán)境因素影響分析

4.1 溫度影響分析

設(shè)定環(huán)境濃度為0.18kg/m3，濕度為75%不變，并且不考慮混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)溫度為-5℃，0℃，10℃，20℃，25℃和30℃，水閘迎水面混凝土碳化鋒面濃度值分別為0.00112，0.00135，0.00172，0.00217，0.00253和0.00324kg/ m3。

4.2 濕度影響分析

設(shè)定環(huán)境濃度為0.18kg/m3，溫度為20℃不變，并且不考慮混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，濕度40%，50%，60%，70%，80%和90%情況下，水閘迎水面混凝土碳化鋒面的CO2濃度值分別為0.00109，0.00117，0.00124，0.00091，0.00064和0.00026kg/m3。

4.3 CO2濃度影響分析

設(shè)定環(huán)境濕度為75%，溫度為20℃不變，并且不考慮混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)濃度為0.016，0.08，0.18，0.25和0.32，水閘迎水面混凝土碳化鋒面CO2濃度值分別為0.00012，0.00046，0.00075，0.00097和0.00126kg/m3。

由擬合關(guān)系式知，混凝土碳化鋒面CO2濃度與碳化深度呈正相關(guān)關(guān)系，將CO2濃度值代入擬合關(guān)系式，溫度在30℃時(shí)水閘迎水面混凝土的碳化深度為17.5mm，溫度高低對(duì)混凝土碳化深度的影響不會(huì)對(duì)鋼筋混凝土保護(hù)層的破壞產(chǎn)生本質(zhì)影響；當(dāng)濕度小于60%時(shí)，混凝土碳化深度逐漸增大，當(dāng)濕度大于60%時(shí)，混凝土碳化深度逐漸降低；CO2濃度值的變化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)碳化鋒面CO2濃度值的影響不大，實(shí)際環(huán)境中CO2濃度變化更加微小，環(huán)境CO2濃度對(duì)混凝土碳化深度的影響不大。

5.結(jié)語

根據(jù)混凝土碳化反應(yīng)過程機(jī)理，利用ANSYS熱分析處理模塊對(duì)水閘迎水面混凝土的碳化過程進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)溫度、濕度和CO2濃度等影響混凝土碳化反應(yīng)速率的因素進(jìn)行了敏感性分析。對(duì)提高新建水工建筑物混凝土的老化和耐久性研究有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)水工建筑物在復(fù)雜多變的自然環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土碳化過程仍有待于進(jìn)一步研究?！?/p>

2016-05-06

孟衛(wèi)濤，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院。