自然暴露環(huán)境下混凝土部分碳化區(qū)長度預(yù)測模型*

牛荻濤 張賓強(qiáng) 劉 俊 李星辰 劉西光

(1.省部共建西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

混凝土材料是當(dāng)今用量最大、應(yīng)用范圍最廣的工程材料，然而大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命便已提前失效[1-2]。鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力降低的主要原因之一[3-5]。一般大氣環(huán)境下，鋼筋銹蝕的主要原因是碳化導(dǎo)致混凝土pH值降低和鋼筋表面鈍化膜破壞[6-7]。為了更準(zhǔn)確地對建筑結(jié)構(gòu)使用壽命進(jìn)行預(yù)測，需要確定更加合理的鋼筋開始銹蝕時(shí)間，而確定部分碳化區(qū)長度是鋼筋開始銹蝕時(shí)間研究中的關(guān)鍵問題。

目前已有學(xué)者對鋼筋開始銹蝕時(shí)間進(jìn)行了研究，普遍認(rèn)為碳化深度達(dá)到鋼筋表面所需時(shí)間即為鋼筋開始銹蝕時(shí)間[8]，且常用酚酞試劑測試碳化深度。Parrott研究發(fā)現(xiàn)酚酞試劑法只能測出混凝土完全碳化區(qū)，故無法考慮部分碳化區(qū)對鋼筋開始銹蝕的影響[9]。日本學(xué)者岸谷孝一[10]提出了“碳化殘量”的概念，其定義為在鋼筋開始銹蝕時(shí)用酚酞試劑測出的碳化前沿到鋼筋表面的距離。蔣利學(xué)根據(jù)Papadakis碳化模型，通過數(shù)值求解得到了部分碳化區(qū)長度的數(shù)值模型[11]。董振平等通過快速碳化及不同環(huán)境下長期暴露試驗(yàn)研究了碳化殘量，給出了碳化殘量的經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合蔣利學(xué)部分碳化區(qū)長度計(jì)算模型確定了鋼筋開始銹蝕時(shí)間[12]。張偉平等基于混凝土碳化深度實(shí)用數(shù)學(xué)模型與部分碳化區(qū)長度計(jì)算模型開展了鋼筋開始銹蝕時(shí)間預(yù)測[13]。已有研究常以鈍化膜不穩(wěn)定存在的pH范圍定義為部分碳化區(qū)，即pH在9.0～11.5之間的混凝土保護(hù)層[11-13]。而從碳化機(jī)理上看，部分碳化現(xiàn)象是碳化反應(yīng)速度落后于CO2擴(kuò)散速度的必然結(jié)果，故部分碳化區(qū)仍未完全碳化，仍存在著Ca(OH)2。因此，確定合理的部分碳化區(qū)長度對研究鋼筋開始銹蝕條件至關(guān)重要。此外，部分研究采用模擬孔溶液或者加速碳化的方法對鋼筋開始銹蝕進(jìn)行研究，這與結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境不符[14-15]。因此對自然暴露環(huán)境下混凝土部分碳化區(qū)長度進(jìn)行更深入的研究，建立更合理的部分碳化區(qū)長度預(yù)測模型，為準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋開始銹蝕時(shí)間奠定基礎(chǔ)。

本文對西安地區(qū)某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了現(xiàn)場測試和試驗(yàn)研究，采用壓榨法逐層測試了混凝土圓柱體試樣孔溶液pH值，根據(jù)孔溶液pH值測試結(jié)果，確定了實(shí)測混凝土部分碳化區(qū)長度，分析了碳化過程中的物質(zhì)平衡，采用數(shù)值方法計(jì)算了混凝土碳化進(jìn)程中物質(zhì)含量的變化，建立了混凝土部分碳化區(qū)長度理論計(jì)算模型，并與實(shí)測部分碳化區(qū)長度進(jìn)行對比，符合較好?；谠撃Ｐ瓦M(jìn)一步研究了水灰比、水泥用量、相對濕度、CO2濃度和碳化時(shí)間等因素對部分碳化區(qū)長度的影響。

1 現(xiàn)場測試及試驗(yàn)研究

1.1 現(xiàn)場測試

為了研究服役結(jié)構(gòu)的混凝土碳化規(guī)律，課題組對西安地區(qū)某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了耐久性測試。該廠房建于1953年，為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，南北長198 m，東西長175 m(圖1)。測試項(xiàng)目如下：

圖1 某鋼筋混凝土工業(yè)廠房

1)混凝土強(qiáng)度試樣。使用鉆芯機(jī)鉆取各測點(diǎn)處混凝土柱的芯樣，用于后續(xù)強(qiáng)度測試。

2)混凝土保護(hù)層試樣。對混凝土保護(hù)層進(jìn)行取樣并密封保存，用于逐層測試pH值。

1.2 混凝土強(qiáng)度測試及結(jié)果

混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度按照J(rèn)GJ/T 384—2016《鉆芯法測試混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[16]中的方法進(jìn)行測試。芯樣直徑和長度均為100 mm，采用TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

混凝土圓柱體試樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表1，廠房混凝土柱強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度平均值為15.6 MPa。

表1 混凝土圓柱體試樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

1.3 混凝土孔溶液pH值測試及結(jié)果

采用自行研發(fā)的壓榨裝置，每隔5 mm切取一薄片，然后進(jìn)行烘干、破碎并噴水飽和、壓榨獲得混凝土孔溶液。通過直徑為5 mm的pH微電極來測量孔溶液pH值。測試過程如圖2所示。

a—切片；b—噴水飽和；c—壓榨。

表2給出了試樣pH值測試結(jié)果,表中1～6層表示從最外側(cè)到最內(nèi)側(cè)切片?？芍S著距混凝土表面距離的增加，pH值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由碳化機(jī)理可知，環(huán)境外部CO2向混凝土的內(nèi)部擴(kuò)散，與混凝土中的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，消耗了Ca(OH)2并生成CaCO3和其他物質(zhì)，使得Ca(OH)2的含量由表及里逐漸增加，最終導(dǎo)致混凝土pH值由外向里逐漸升高。由于取樣位置的不同和測試方法的限制，部分試樣測試結(jié)果離散型較大，但總體規(guī)律符合實(shí)際情況。同時(shí)根據(jù)pH值測試結(jié)果可將混凝土保護(hù)層分為完全碳化、部分碳化和未碳化三個(gè)區(qū)域。

表2 混凝土孔溶液pH值測試結(jié)果

2 混凝土碳化理論模型

2.1 混凝土碳化過程和數(shù)學(xué)模型

水泥與水混合后，水泥中各種物質(zhì)立即與水發(fā)生水化反應(yīng)，張玲峰[17]、Papadakis[18]給出了完全水化后混凝土中各種可碳化物質(zhì)的摩爾濃度計(jì)算公式和物質(zhì)的反應(yīng)速率ri(i表示氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(CSH)、硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S))，即每秒鐘內(nèi)單位體積混凝土中參加反應(yīng)物質(zhì)i的摩爾數(shù),mol/(m3·s)，計(jì)算式為:

ri=Ki[i][CO2]

(1)

式中，[i]為碳化過程單位體積混凝土中物質(zhì)i的摩爾數(shù)；Ki為相應(yīng)反應(yīng)的速度常數(shù)，m3/(mol·s)；[CO2]表示碳化過程中單位體積混凝土中CO2的濃度。

根據(jù)碳化反應(yīng)方程式，由化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量平衡條件可以得到混凝土碳化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

2.1.1CO2質(zhì)量平衡

單位時(shí)間內(nèi)由外界擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域的CO2摩爾數(shù)與參與碳化反應(yīng)的CO2摩爾數(shù)相同，由此得到[18]：

(2)

式中：De為CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)。

2.1.2Ca(OH)2質(zhì)量平衡

混凝土中碳化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)Ca(OH)2的摩爾濃度變化速率即為單位時(shí)間內(nèi)參與碳化反應(yīng)的Ca(OH)2的摩爾數(shù)：

(3)

2.1.3CSH質(zhì)量平衡

混凝土中碳化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)CSH的摩爾濃度變化速率即為單位時(shí)間內(nèi)參與碳化反應(yīng)CSH的摩爾數(shù)：

(4)

式(1)～式(4)的初始條件為：

[CO2]=0t=0

(5a)

[Ca(OH)2]=[Ca(OH)2]0t=0

(5b)

[CSH]=[CSH]0t=0

(5c)

式中：[Ca(OH)2]為碳化過程中單位體積混凝土中Ca(OH)2的濃度。

邊界條件為：

[CO2]=[CO2]0x=0

(6a)

(6b)

式中:[CO2]0為環(huán)境中CO2的摩爾濃度；x為混凝土深度；L為截面高度的一半。

混凝土孔溶液pH值與各物質(zhì)含量的關(guān)系可由式(7)計(jì)算[19]：

(7)

式中:[Ca(OH)2(aq)]0為[Ca(OH)2(aq)]在t=0時(shí)刻的初值，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，[Ca(OH)2(aq)]0=21.6 mol/m3；帶aq表示孔溶液的濃度，不帶aq表示環(huán)境中濃度。

式(1)～式(4)和初始條件式(5)和邊界條件式(6)組成了混凝土碳化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

采用MATLAB對此方程組進(jìn)行編程求解，可以得到任意時(shí)刻、任意位置的CO2、Ca(OH)2和CSH的濃度，從而得到任意時(shí)刻、任意位置的pH值。

2.2 模型驗(yàn)證

從碳化機(jī)理看，部分碳化現(xiàn)象是因?yàn)樘蓟磻?yīng)速度落后CO2擴(kuò)散速度。課題組已有研究[20-21]基于對自然暴露環(huán)境下混凝土的微觀測試結(jié)果，確定了部分碳化區(qū)pH值范圍為9.5～12.1，根據(jù)表2所測得的孔溶液pH值，采用線性插值的方法計(jì)算pH在9.5～12.1之間的保護(hù)層厚度，此厚度即為實(shí)測部分碳化區(qū)長度。同時(shí)用數(shù)值模型計(jì)算pH值在9.5～12.1之間的保護(hù)層厚度，此厚度即為數(shù)值模型計(jì)算的部分碳化區(qū)長度。將數(shù)值模型計(jì)算的部分碳化區(qū)長度與實(shí)測部分碳化區(qū)長度進(jìn)行對比，用以驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果見表3。

表3 部分碳化區(qū)長度數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果

由表3的結(jié)果可知，誤差的算數(shù)平均值為-3.42%，因此用數(shù)值模型求解部分碳化區(qū)長度的方法是合理可行的。現(xiàn)場實(shí)測過程中部分混凝土試樣表面由于長期碳化出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，對實(shí)測保護(hù)層厚度和部分碳化區(qū)長度有一定影響，導(dǎo)致部分測點(diǎn)的誤差超過20%。

3 混凝土部分碳化區(qū)參數(shù)分析

根據(jù)MATLAB的計(jì)算過程可知，影響混凝土pH值的主要因素有水灰比(w/c)、水泥用量(c)、相對濕度(RH)、CO2濃度(c0)以及碳化時(shí)間(t)。因此，以這五個(gè)因素為變量來研究混凝土部分碳化區(qū)長度理論模型。

以w/c=0.5，c=400 kg/m3，RH=50%，t=100 a為基準(zhǔn)參數(shù)，分別變化上述5個(gè)參數(shù)中的一個(gè)，同時(shí)固定其他4個(gè)參數(shù)，通過MATLAB程序計(jì)算相應(yīng)的pH值，結(jié)果見圖3。最終根據(jù)部分碳化區(qū)pH值的范圍得到混凝土部分碳化區(qū)長度。

a—水灰比；b—水泥用量；c—相對濕度；d—二氧化碳濃度；e—碳化時(shí)間。

3.1 水灰比

由圖4可知，隨著混凝土水灰比的增大，部分碳化區(qū)的長度逐漸增加。從碳化機(jī)理上看，水灰比增大后，水泥漿體的濃度會(huì)下降，導(dǎo)致水泥漿體的黏結(jié)性變差，水泥硬化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量微裂縫，致使混凝土的密實(shí)度降低，孔隙率也隨著增大，CO2向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速度也會(huì)加快，最終碳化反應(yīng)的速率更加跟不上CO2的擴(kuò)散速度。因此，混凝土水灰比越大，部分碳化區(qū)的長度就越長。

圖4 混凝土水灰比對部分碳化區(qū)長度的影響

3.2 水泥用量

由圖5可知，混凝土部分碳化區(qū)長度隨著水泥用量的增加而減少。由碳化機(jī)理可知，水泥用量的增加導(dǎo)致了水泥水化后可碳化物質(zhì)濃度增加，從而導(dǎo)致了碳化反應(yīng)速率加快，即CO2消耗速率加快，水泥用量的變化對CO2擴(kuò)散速率影響較小，最終導(dǎo)致CO2侵入混凝土更深處的量變少，部分碳化現(xiàn)象隨之減弱。因此，混凝土水泥用量越多，部分碳化區(qū)長度就越短。

圖5 混凝土水泥用量對部分碳化區(qū)長度的影響

3.3 相對濕度

由圖6可知，隨著相對濕度的增加，混凝土部分碳化區(qū)長度逐漸減小。由碳化機(jī)理可知，隨著環(huán)境中相對濕度的增加，混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度將增大，而CO2是極難溶于水的，這就導(dǎo)致了CO2在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度降低，而碳化反應(yīng)速度加快，部分碳化現(xiàn)象不明顯，造成了部分碳化區(qū)長度減小。

圖6 相對濕度對部分碳化區(qū)長度的影響

當(dāng)環(huán)境濕度RH≥80%后，部分碳化區(qū)基本已經(jīng)消失；當(dāng)RH=70%時(shí)，部分碳化區(qū)的長度很短，基本可以忽略；當(dāng)RH=60%時(shí)，部分碳化區(qū)在整個(gè)碳化區(qū)中已占有一定比例，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮部分碳化區(qū)的影響。

3.4 CO2濃度

由圖7可知，CO2濃度對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。由碳化機(jī)理可知，CO2濃度的增加，會(huì)引起CO2在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散速率的加快，同時(shí)碳化反應(yīng)的速率也會(huì)加快，由于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度都與CO2濃度成正比，最終導(dǎo)致部分碳化區(qū)長度未發(fā)生變化。

圖7 CO2濃度對部分碳化區(qū)長度的影響

3.5 碳化時(shí)間

由圖8可知，碳化時(shí)間對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。部分碳化現(xiàn)象的產(chǎn)生是碳化反應(yīng)速度跟不上CO2的擴(kuò)散速度而導(dǎo)致，當(dāng)環(huán)境參數(shù)未變化時(shí)，碳化反應(yīng)速度和CO2擴(kuò)散速度都不會(huì)發(fā)生改變，即兩者的速度差不變。因此，隨著碳化時(shí)間的增加，混凝土部分碳化區(qū)整體向更深處移動(dòng)，而長度不會(huì)發(fā)生變化。

圖8 碳化時(shí)間對部分碳化區(qū)長度的影響

4 混凝土部分碳化區(qū)長度理論模型

4.1 部分碳化區(qū)長度理論模型的建立

根據(jù)第3節(jié)分析可知，對部分碳化區(qū)有影響的主要是水灰比、水泥用量以及相對濕度，其中相對濕度對部分碳化區(qū)的影響最為顯著。因此，以相對濕度作為部分碳化區(qū)長度的主要參數(shù)，以水灰比和水泥用量進(jìn)行修正。

在w/c=0.5，c=400 kg/m3，c0=0.03%，t=100 a的條件下，環(huán)境相對濕度對部分碳化區(qū)長度的影響如圖6所示，對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得：

xl=345.5×(0.7-RH)1.92

(8)

以w/c=0.5，c=400 kg/m3，RH=50%時(shí)混凝土部分碳化區(qū)長度為基準(zhǔn)進(jìn)行修正，表4和表5分別給出了不同水灰比和不同水泥用量條件下的修正系數(shù)，由此擬合可得：

表4 水灰比修正系數(shù)

表5 水泥用量修正系數(shù)

(9a)

(9b)

式中:λω和λc分別為水灰比和水泥用量的修正系數(shù)。

因此，考慮了水灰比、水泥用量以及相對濕度的混凝土部分碳化區(qū)長度為：

(10)

該模型可對處于一般大氣環(huán)境下，環(huán)境相對濕度小于70%的混凝土結(jié)構(gòu)部分碳化區(qū)長度進(jìn)行預(yù)測，可為結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測提供理論支撐。

4.2 部分碳化區(qū)長度理論模型的驗(yàn)證

用實(shí)測結(jié)果對式(10)的混凝土部分碳化區(qū)長度模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表6?？芍?，由擬合模型所得到的部分碳化區(qū)長度的誤差算數(shù)平均值為-2.46%，小于數(shù)值模型的計(jì)算誤差。因此，本文建立的混凝土部分碳化區(qū)長度計(jì)算模型是合理可行的，可為鋼筋開始銹蝕時(shí)間和混凝土壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

表6 部分碳化區(qū)長度理論模型驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過對某鋼筋混凝土工業(yè)廠房進(jìn)行了現(xiàn)場測試和試驗(yàn)研究，根據(jù)碳化過程中的物質(zhì)平衡，建立了基于碳化反應(yīng)進(jìn)程的數(shù)值模型，研究了混凝土部分碳化區(qū)長度的影響因素，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與自然暴露環(huán)境下混凝土部分碳化區(qū)長度實(shí)測值進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，所得模型可用于預(yù)測一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時(shí)間，并得到了以下結(jié)論：

1)混凝土部分碳化區(qū)長度隨著水灰比的增大而增加，隨著水泥用量和相對濕度的增加而減小，相對濕度對部分碳化區(qū)的影響最為顯著。

2)當(dāng)環(huán)境濕度RH≥80%后，部分碳化區(qū)基本消失；當(dāng)RH=70%時(shí)，部分碳化區(qū)長度很短，基本可以忽略。CO2濃度和碳化時(shí)間對混凝土部分碳化區(qū)長度影響較小。

3)以混凝土水灰比、水泥用量和環(huán)境相對濕度為參數(shù)建立了混凝土部分碳化區(qū)長度計(jì)算模型，模型精度較好，可為鋼筋開始銹蝕時(shí)間和混凝土壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)。