混凝土防碳化數值模擬研究

【摘要】混凝土碳化是影響混凝土結構耐久性的重要因素之一，混凝土碳化反應過程由CO2在混凝土結構中的擴散引起。利用碳化反應過程CO2的擴散與熱傳導過程熱量的傳遞相似，對混凝土碳化過程進行數值模擬，與快速碳化實驗結果進行對比，得出碳化深度擬合關系式，利用擬合關系式，對外涂ST-9608防碳化涂料混凝土進行數值模擬，分析防碳化涂料的防碳化效果。

【關鍵詞】碳化；數值模擬；水閘；防碳化

引言

水利工程常建于深山大澤之中，大江大河之上，這些地方往往氣候環境更加惡劣且變化無常，故水工混凝土建筑物更加容易呈老化，目前，國內眾多中小型水庫等水利工程其主體建筑物老化問題已嚴重阻礙其正常運行，每年必須投入巨額資金進行維護加固。

1、混凝土碳化

混凝土碳化是一個復雜多相物理化學反應過程，以水泥石中的水化物產生的堿性物質與周圍環境中的酸性物質反應為基礎，從而使混凝土的堿性降低，也是混凝土中性化的過程。

混凝土是各向同性的均質體，所以CO2在混凝土內的擴散也可看做是各向同性的，混凝土碳化過程的微分方程為：

式中：P、t、D分別為微元體內的CO2濃度，碳化反應時間和擴散系數；▽為拉普拉斯算子。

2、碳化過程數值模擬

水閘是水利工程中常見的建筑物，本文以《引黃入冀補淀工程》某水閘為研究對象，對混凝土碳化過程進行數值模擬分析。

在模型建立過程中，假定結構在長度方向上均勻分布；CO2在結構中的擴散是各向同性的；環境介質沿結構長度方向均勻分布；結構邊界CO2濃度不因大氣流動而改變。

受環境因素、材料因素和施工條件及結構受力狀況等因素的影響，CO2在混凝土中的擴散速度有顯著差異，為排除以上因素對實驗模擬數據的影響，快速碳化實驗試塊取自同一拌合站，采用密閉環境，溫度、濕度及CO2濃度控制為定值，試塊受拉、受壓狀態分組進行。通過酚酞試劑對混凝土碳化深度進行檢測，快速碳化實驗碳化深度數據見表1，數值模擬CO2濃度見表2。

通過數值擬合，得混凝土碳化深度與CO2濃度的擬合關系式：

據此關系式，可根據數值模擬過程的CO2濃度變化探索水工混凝土碳化深度的變化規律。

3、混凝土防碳化

混凝土的防碳化研究包括預防和處理兩個方面。對于新建水工混凝土建筑物，主要是以預防為主，通過防碳化技術的實施提高混凝土的抗碳化能力，達到提高混凝土結構耐久、延長混凝土結構使用壽命的目的。外涂法和內摻法是目前常用的提高混凝土的抗碳化性能的兩種主要措施，從原理上看，外涂法主要通過阻斷CO2在混凝土表面的擴散，而內摻法則主要是通過一些添加劑改善混凝土結構的孔隙比來延緩CO2在混凝土結構內部的擴散。

根據Fick第一定律，氣體在固體中的滲透公式：

式中：為氣體量；為擴散系數；為表面積；分別為固體表面和吸收區的氣體濃度；為固體表面層厚。

本文以ST-9608防碳化涂料為例，對《引黃入冀補淀工程》某水閘進行數值模擬實驗分析，防碳化涂料厚度模型選為0.5mm，分別對碳化反應時間1、3、7、14、28天結構混凝土表面CO2濃度進行數值模擬分析，外涂ST-9608防碳化涂料的混凝土內部CO2擴散明顯減弱。根據數值模擬情況，不同碳化時間對應的混凝土內碳化鋒面CO2濃度見表3。

根據數值擬合關系式可得不同時間的混凝土碳化深度值見表4。

根據表中數據可以看出，初始時間段，防碳化涂料對混凝土的保護作用明顯，到14天左右的時間，因防碳化涂料老化失效，逐漸失去對混凝土的保護作用。

4、結語

本文根據混凝土碳化過程機理，通過快速碳化實驗得出碳化深度擬合關系式，結合《引黃入冀補淀工程》中某水閘設計方案對表面涂刷ST-9608防碳化涂料防碳化涂料的水閘結構進行模擬分析，為混凝土結構耐久性問題的研究提供了重要補充。

外涂防碳化涂料在前期對提高混凝土結構的抗碳化能力有顯著效果，當涂料老化失效后，效果急劇減弱，但通過刮除再次涂刷仍可起到很好的防護效果。目前市場上防碳化涂料的使用壽命大都在10年以上，涂料成本相對較低，對提高混凝土結構耐久性和使用壽命仍不失為一種很好的措施，尤其對于水工建筑物來講，環境相對惡劣，結構耐久性和使用壽命的提高意義更加重大。

本文實驗狀態環境相對固定，外涂防碳化涂料沒有考慮混凝土受力狀態的影響，受力狀態下的混凝土結構，涂料延展性、粘合性與混凝土的結構的應變的符合及復雜環境下的涂料使用性能仍有待進一步研究。

參考文獻：

[1]阿列克耶夫著，黃可信，吳興祖等譯，鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕與保護[M].北京：中國建筑工業出版社，1983.