再生粗骨料混凝土碳化分析的多場耦合模型及驗證

余波　劉才勇　楊綠峰

摘要：

再生粗骨料混凝土的碳化是一個復(fù)雜的物理擴散和化學(xué)反應(yīng)過程，其分析和預(yù)測較為困難。鑒于此，基于再生粗骨料混凝土的碳化機理，結(jié)合再生粗骨料混凝土中CO2的擴散定律和可碳化物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律，綜合考慮再生粗骨料混凝土中CO2的有效擴散系數(shù)、碳化反應(yīng)速率系數(shù)、可碳化物質(zhì)的量、再生粗骨料的表面附著砂漿等重要參數(shù)的影響，建立了再生粗骨料混凝土碳化分析的多場耦合模型，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的有效性和適用性。

關(guān)鍵詞：

混凝土；再生粗骨料；碳化；附著砂漿；礦物摻合料

中圖分類號：TU311.3

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02005008

Abstract：

Carbonation of recycled coarse aggregate （RCA） concrete was a complicated physical diffusion and chemical reaction process， which was difficult to analyze and predict. According to the carbonation mechanism of the RAC concrete， a multifield coupled model for carbonation analysis of the RCA concrete was developed by combining the diffusion rule of CO2 within the RCA concrete with the conservation law of mass for the carbonatable substances. The proposed model adopted effective diffusion coefficient of CO2， coefficient of carbonation reaction rate， amount of carbonatable substances and adhesive mortar of the RCA as major control parameters. Efficiency and applicability of the proposed model were validated by comparing with experimental data.

Keywords：

concrete； recycled coarse aggregate； carbonation； adhesive mortar； mineral admixture

與天然粗骨料相比，再生粗骨料表面附著的硬化水泥砂漿疏松多孔且棱角較多，導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的孔隙率明顯高于天然粗骨料混凝土。由于混凝土的孔隙率直接影響外部環(huán)境腐蝕性二氧化碳向混凝土內(nèi)部的傳輸，所以，再生粗骨料混凝土更加容易發(fā)生碳化[1]。再生粗骨料混凝土的碳化是一個復(fù)雜的物理擴散和化學(xué)反應(yīng)過程，不僅與混凝土的材料參數(shù)有關(guān)，而且與環(huán)境條件密切相關(guān)，導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的碳化分析和預(yù)測較為困難。

目前，再生粗骨料混凝土的碳化分析主要包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗?zāi)Ｐ蛢纱箢?。?jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕谠囼灁?shù)據(jù)的擬合分析，直接建立再生粗骨料混凝土的碳化深度與水灰比、水泥用量、再生粗骨料取代率、溫度、相對濕度、環(huán)境CO2濃度等參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系。肖建莊等[2]基于所收集的28組試驗數(shù)據(jù)，以混凝土抗壓強度作為控制參數(shù)，并考慮環(huán)境CO2濃度、工作應(yīng)力、環(huán)境溫度、相對濕度等因素的影響，提出了再生粗骨料混凝土的碳化深度預(yù)測模型；鐘榮富等[3]基于32組試驗數(shù)據(jù)，綜合考慮環(huán)境CO2濃度、溫度、相對濕度和混凝土抗壓強度等因素的影響，提出了再生粗骨料混凝土的碳化深度預(yù)測模型；耿歐等[4]考慮水灰比、再生粗骨料取代率、水泥用量、溫度、環(huán)境CO2濃度等因素的影響，提出了再生粗骨料混凝土的碳化深度預(yù)測模型。總的來說，上述經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷男问胶唵危阌诠こ虘?yīng)用，但是由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿狈烂艿睦碚撏茖?dǎo)，其適用性局限于特定的材料參數(shù)和環(huán)境條件。半經(jīng)驗?zāi)Ｐ突诨炷恋奶蓟瘷C理，通過理論推導(dǎo)建立混凝土碳化深度與水灰比、環(huán)境CO2濃度、礦物摻合料等因素之間的關(guān)系，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，引入溫度、相對濕度、再生粗骨料、水泥品種等因素的修正系數(shù)。WANG等[5]在普通混凝土碳化分析的理論模型基礎(chǔ)上，結(jié)合所收集的28組試驗數(shù)據(jù)，通過引入再生粗骨料影響系數(shù)，提出了再生粗骨料混凝土的碳化深度預(yù)測模型；類似地，肖文廣等[6]通過引入混凝土強度、相對濕度、水灰比、水泥用量、水泥品種、水泥水化程度等因素的修正系數(shù)，建立了再生粗骨料混凝土的碳化深度預(yù)測模型?？偟膩碚f，半經(jīng)驗?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ睦碚摶A(chǔ)，但是仍然需要基于特定的試驗數(shù)據(jù)來擬合分析確定溫度、相對濕度、再生粗骨料、水泥品種等因素的經(jīng)驗修正系數(shù)，而無法定量分析上述因素的影響，導(dǎo)致適用性有限。綜上所述，目前缺乏一種具有嚴密理論基礎(chǔ)、而且能夠綜合考慮水灰比、礦物摻合料等材料參數(shù)以及溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件影響的再生粗骨料混凝土的碳化分析模型。

本文基于再生粗骨料混凝土的碳化機理，結(jié)合CO2在再生粗骨料混凝土中的擴散定律和可碳化物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律，以再生粗骨料混凝土中CO2的有效擴散系數(shù)、碳化反應(yīng)速率系數(shù)和可碳化物質(zhì)的量為主要參數(shù)，并考慮再生粗骨料表面附著砂漿的影響，建立了再生粗骨料混凝土碳化分析的多場耦合模型，并通過試驗數(shù)據(jù)對比驗證了該模型的有效性和適用性。

1碳化分析的微分控制方程

基于混凝土碳化的物理擴散和化學(xué)反應(yīng)過程，根據(jù)各反應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量平衡條件，可以建立再生粗骨料混凝土碳化分析的多場耦合模型。以一維碳化為例，對應(yīng)的微分控制方程為

再生粗骨料混凝土的碳化深度的試驗測試值與各模型的計算值見表1，模型計算值與試驗測試值散點分布見圖1，模型計算值與試驗測試值的比值圖2。結(jié)合表1、圖1和圖2可知，文獻[5]模型的計算值與試驗測試值的比值的均值和標準差分別為0.39和0.14，說明該模型的計算結(jié)果總體偏?。晃墨I[2]和[6]模型主要以再生粗骨料混凝土的抗壓強度為控制參數(shù)，模型的計算值與試驗值的比值的均值分別為1.64和2.36，標準差分別為0.43和076，說明這兩個模型的計算結(jié)果總體偏大，且離散性較大；文獻[4]模型主要以水灰比、再生粗骨料取代率、水泥用量和溫度等影響因素作為控制參數(shù)，計算值與試驗值的均值和標準差分別為1.97和049，計算值也明顯偏大；在不同的配合比設(shè)計參數(shù)情況下，模型計算值與試驗測試值均比較接近，二者的比值的均值和標準差分別為1.19和0.18，說明模型的計算值與試驗值總體比較吻合，且離散性較小。

3.2再生粗骨料取代率的影響規(guī)律分析

假定單位體積再生粗骨料混凝土中膠凝材料用量為400 kg/m3，水膠比為0.45，粗骨料的總用量為1 000 kg/m3，再生粗骨料的吸水率為5%，天然粗骨料的吸水率為0.5%，標準碳化試驗條件下的CO2體積分數(shù)為20%，溫度20 ℃，相對濕度為70%，碳化時間為28 d，再生粗骨料的摻量分別為0%、30%、50%、70%和100%這5種情況。

再生粗骨料取代率對混凝土內(nèi)部CO2濃度分布的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，在與混凝土表面距離相同的條件下，隨著再生粗骨料取代率的增加，CO2的濃度逐漸增大，原因在于隨著再生粗骨料取代率的增大，再生粗骨料的表面附著砂漿含量增多，導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的孔隙率增大，從而有利于CO2氣體的擴散。

再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土內(nèi)部CH濃度分布的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，在與混凝土表面距離相同的條件下，隨著再生粗骨料取代率的增大，再生粗骨料混凝土部分碳化區(qū)內(nèi)CH濃度降低，而未碳化區(qū)內(nèi)的CH濃度增大，主要原因在于兩方面：一方面，當粗骨料總量一定時，再生粗骨料的取代率越大，再生粗骨料的表面附著砂漿的含量越高，可碳化物質(zhì)的量越多，所以未碳化區(qū)內(nèi)的CH濃度越大；另一方面，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土的孔隙率增大，碳化反應(yīng)消耗的CH增多，所以部分碳化區(qū)內(nèi)混凝土中的CH濃度減小。

再生粗骨料的取代率對再生粗骨料混凝土內(nèi)部CSH濃度分布的影響規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土未碳化區(qū)內(nèi)的CSH濃度增大，主要原因在于：當粗骨料的總量一定時，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料的表面附著砂漿含量增加，導(dǎo)致可碳化物質(zhì)的量增多，所以未碳化區(qū)內(nèi)的CSH濃度增大。

再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土內(nèi)部pH值分布的影響規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，在再生粗骨料取代率一定的條件下，隨著與混凝土表面距離的增加，pH值逐漸升高；在距混凝土表面距離一定的條件下，隨著再生粗骨料取代率的增大，pH值逐漸減小，原因在于再生粗骨料的取代率越高，再生粗骨料混凝土的孔隙率越大，導(dǎo)致碳化反應(yīng)消耗的CH越多，所以pH值越低。

4結(jié)論

建立了再生粗骨料混凝土碳化分析的多場耦合模型，通過試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的有效性和適用性，并分析了再生粗骨料取代率對混凝土內(nèi)各物質(zhì)濃度分布的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：

1）所建立的再生粗骨料混凝土碳化分析模型，不僅可以綜合考慮材料參數(shù)（如水膠比、礦物摻合料、再生粗骨料表面附著砂漿等）和環(huán)境條件（如溫度、相對濕度和二氧化碳濃度）的影響，而且可以定量分析再生粗骨料取代率對混凝土中各物質(zhì)濃度分布的影響，計算精度和適用性較好。

2）在其他條件相同的情況下，隨著再生粗骨料取代率的增加，CO2的濃度逐漸增大，部分碳化區(qū)內(nèi)的CH濃度和pH值降低，而未碳化區(qū)內(nèi)的CH和CSH濃度增大，總體說明隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能降低。

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