基于混凝土碳化的預應力混凝土剩余壽命預測

李 匯，王學國，何國武

(中國十五冶金建設有限公司，湖北黃石435000)

碳化是大氣中CO2與混凝土中的堿性物質的作用過程，是在氣相、液相和固相中進行的一個十分復雜的多相物理化學連續反應過程。碳化使混凝土堿度降低的過程中，水泥水化產物有被分解的可能，最終可能導致混凝土強度降低或喪失。碳化過程中釋放出水化產物中的結晶水，使混凝土產生了不可逆轉的收縮，碳化收縮若在約束條件下進行，往往引起混凝土表面微裂紋，因而又加劇碳化過程[1]。

1 混凝土碳化的影響因素

從混凝土碳化的物理化學過程可以知道，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性儲備的大小[2]。具體分析影響混凝土碳化的因素可分為:材料因素、環境因素和施工因素三大類。材料因素包括水灰比、水泥品種和用量、骨料品種與級配、外摻劑等，材料因素主要是通過影響混凝土的堿度來影響混凝土碳化;環境因素主要包括相對濕度、溫度、壓力以及CO2濃度等，環境因素主要是通過影響碳化反應的發生條件來影響混凝土碳化速度的;施工因素對混凝土的影響主要指的是混凝土攪拌、振搗和養護等條件的影響，施工因素主要是通過影響混凝土密實性來影響混凝土碳化。

2 混凝土碳化深度預測數學模型

國內外學者考慮不同碳化因素的影響，雖然列出了多種形式的碳化深度預測的數學模型，但這些模型的實質是一致的，都認為碳化深度與時間的平方根成正比，即

式中:XC為碳化深度;α為碳化系數;t為碳化時間。

從建立模型的方法看，主要有兩種途徑:一種側重于理論推導;另一種側重于試驗分析[2]。對于理論模型，國內外的研究成果一致認為，CO2在混凝土中的擴散遵循Fick第一擴散定律，即CO2的擴散速度與CO2的濃度梯度成正比。理論模型從Fick第一擴散定律出發，推導出碳化深度的計算模型。對于試驗模型，通過試驗確定式中的系數α，各經驗公式的差別主要在于α的不同，由于不同的學者考慮的影響因素不同，因此得到了眾多的預測模型。國內外研究者在對混凝土抗碳化能力系數α的研究中，從不同觀點出發得到了計算混凝土碳化深度的經驗公式，這些公式都具有一定條件的適用性與可行性，避免了直接應用公式時α值難以測定的不足。下面對幾個較有代表性的碳化深度預測數學模型進行介紹和分析。

2.1 基于Fick定律的一般碳化模型[3]

假定CO2沿擴散方向的濃度梯度為一定值，CO2沿擴散方向的擴散量只與濃度梯度成正比，擴散服從Fick第一定律，其一維擴散的數學形式為:。如果單位體積混凝土結合CO2的體積濃度為a，則單位面積混凝土在d t時間內混凝土結合CO2量為d a=a d x。由Fick第一定律可得:

式中:D為CO2在混凝土中的擴散系數，m2/s;Cs為混凝土表面CO2濃度，kg/m3;XC為時間t時的碳化深度;a為混凝土結合CO2能力，kg/m3;t為碳化時間，a;K為碳化速度系數。

2.2 多系數碳化模型

中國建筑科學研究院混凝土研究所龔洛書等人提出了混凝土多系數碳化數學模型[4]:

式中:k1為水泥用量影響系數;k2為水灰比影響系數;k3為粉煤灰取代量影響系數;k4為水泥品種影響系數;k5為骨料品種影響系數;k6為養護方法影響系數;α為碳化速度系數，普通混凝土α=2.32，輕骨料混凝土α=4.18。

2.3 碳化深度預測模型

西安建筑科學大學牛荻濤等人從混凝土碳化的基本理論模型出發，提出了混凝土碳化深度預測的隨機模型[4]:

式中:珔XC為混凝土碳化深度平均值;kCO2為CO2濃度影響系數;fcuk為混凝土立方體抗壓強度標準值;t為碳化時間，a;ke為環境溫濕度影響因子。

此外還有一些根據其他條件或某種單一影響因素得出的計算混凝土碳化深度的公式，在工程上也具有一定的參考價值。在大氣條件下，影響混凝土耐久性的主要因素已基本查明并得以公認，考慮某一種或某幾種影響因素計算混凝土碳化深度的經驗公式已經相繼提出了很多，但是到目前為止還沒有一個可以同時考慮多種碳化模式、多種影響因素或多種因素組合的簡便、實用的經驗公式。

3 預應力混凝土剩余壽命預測

由前述碳化作用引起力筋腐蝕的機理和預應力混凝土與普通混凝土的使用壽命特征分析，預應力混凝土結構的耐久性極限狀態以混凝土碳化層深達鋼筋使鋼筋去鈍化開始腐蝕為標志，使用壽命取為碳化深度達到混凝土保護層厚度的時間，即tLife=t0。混凝土結構的使用壽命受到各種環境條件和材料本身性能的影響，要給出非常詳盡的計算在目前還有很多困難，然而根據已有的研究成果和基于神經網絡預測混凝土碳化深度技術，可建立如下的預應力剩余壽命預測模型。

根據(1)式，混凝土碳化所用的時間t與碳化深度Xc平方成正比，則有:

式中:d為混凝土保護層厚度，mm;t0為混凝土碳化深度達到保護層厚度時所需要的時間。

當結構使用Y0年后，根據前述智能化神經網絡技術預測得到碳化深度為X0，由式(5)、式(6)，則有:

則結構使用Y0年后，剩余壽命:

假定預應力混凝土條件、結構已使用年限同表1，采用上述剩余壽命預測模型，結合基于神經網絡技術的碳化深度預測值和式(8)、式(9)計算不同水灰比、水泥用量條件下結構的計算使用壽命t0及剩余壽命trest，結果見表1(水灰比為0.4時，保護層厚度15 mm;水灰比為0.6及0.65時，保護層厚度30 mm)。

表1 混凝土計算使用壽命、剩余壽命 (單位:a)

由表1計算結果可知:

(1)水灰比小的混凝土碳化速度小于水灰比大的混凝土，相同使用年限內水灰比小的混凝土的碳化深度小;水灰比較小的預應力混凝土結構使用壽命t0較長。

(2)水灰比為0.4的混凝土使用年限長達15～30 a時的碳化深度值很小，結構使用壽命t0很長;混凝土中水泥用量為450 kg/m3時，壽命長達130 a以上。

(3)同一水灰比混凝土，水用量越多，相同使用年限內的碳化深度值越小，計算使用壽命t0越長。

(4)相同水灰比、相同水泥用量預應力混凝土結構使用壽命t0基本相近。

4 結束語

壽命預測的準確性還依賴于合理的耐久性檢測與評估方法。科學的檢測與評估應該在混凝土結構中埋入耐久性傳感器，動態地、長期地獲取混凝土結構耐久性發展情況和混凝土結構原體耐久性關鍵參數的信息反饋;根據在時間軸上不斷積累的監測和檢測數據，對混凝土結構進行動態評估，并在此基礎上建立結構壽命預測模型。

[1]劉祖華，梁發云.混凝土碳化研究現狀述評[J].四川建筑科學研究，2000，26(3):52－54

[2]徐力，楊小平.預應力結構設計使用壽命模型[J].江蘇大學學報，2002，23(1):71－74

[3]劉志勇，孫偉.多因素作用下混凝土碳化模型及壽命預測[J].混凝土，2003(12):3－7

[4]張仲先，張靈.基于BP網絡的砼碳化深度預測與分析[J].華中理工大學學報，2000，28(10):97－99

[5]惠云玲.混凝土結構鋼筋銹蝕耐久性損傷評估及壽命預測方法[J].工業建筑，1997，27(6):19－22