應力作用下混凝土碳化深度預測模型

唐官保， 姚 燕， 王 玲， 曹 銀， 崔素萍

(1.北京工業大學 材料科學與工程學院， 北京 100124；2.中國建筑材料科學研究總院 綠色建筑材料國家重點試驗室， 北京 100024)

碳化會將混凝土孔溶液的pH值降低至8.5～9.0[1]，使鋼筋表面的堿性保護膜逐漸損壞而造成銹蝕[2]．混凝土碳化和氯離子侵蝕是引起鋼筋銹蝕最普遍和最重要的2個原因，準確預測混凝土碳化深度對于實際工程的安全性評估和壽命預測具有極其重要的意義．混凝土碳化是空氣中的CO2擴散進入混凝土內部，并與Ca(OH)2等水化產物發生反應的過程[3]．CO2的擴散速度與混凝土中的微裂縫、孔隙等氣體傳輸通道密切相關．由此可見，混凝土碳化速度與其氣體滲透性能具有一定的相關性．

Kropp等[4]提出可以采用表層混凝土的氣體滲透系數來評估混凝土的抗碳化能力．已有研究[5]表明：混凝土碳化深度的2次方與氣滲系數呈線性關系．滲透性能夠表征與氣體傳輸相關的孔結構和微裂縫的本質特征，而這些特征參數是決定混凝土碳化速度的重要因素，所以可以采用氣體滲透性來表征混凝土的抗碳化能力．Parrott[6]、Dhir等[7]和Hewlett等[8]研究發現混凝土的氣體滲透性可以被用來有效評估混凝土的抗碳化能力.另外，在實際工程中，混凝土結構受到的外部應力對其介質傳輸通道的影響較大，應力的形式和大小會引起混凝土孔隙和微裂縫的閉合、萌生、擴展和連通[9-11]．所以，外部應力對混凝土氣滲性能和碳化速度的影響不容忽視．

基于Fick第一定律推導得到的混凝土碳化深度預測模型[12-15]已經被學者廣泛認可和應用，如 式(1) 所示：

(1)

式中：xCO2為碳化深度，m；DCO2為CO2擴散系數，m2/s；ρCO2為混凝土表層CO2質量濃度，kg/m3；a為單位體積混凝土吸收CO2的質量，kg/m3；t為碳化時間，a．

該模型在應用中最大的難點在于如何確定CO2擴散系數DCO2和可吸收的CO2量a．文獻[16]匯總了現有研究中對這2個參數的取值情況，其中a與 Ca(OH)2含量或其他水化產物相關，DCO2與水灰比、濕度等因素相關．這2個參數的取值都是根據經驗模型來確定的，并且忽略了應力對CO2擴散系數的影響．所以，本文在應力作用下混凝土氣體滲透試驗和加速碳化試驗的研究基礎上，以式(1)為基礎模型，優化了a的取值，建立了基于氣滲系數的應力作用下混凝土碳化深度預測模型，為實際服役狀態下混凝土耐久性的定量評估及服役壽齡預測提供科學依據與理論支持．

1 試驗

1.1 原材料和成型

水泥(C)為P·Ⅰ 42.5水泥，比表面積為 346m2/kg，表觀密度為3.10g/cm3；砂(S)為河砂，細度模數為2.8；水(W)為自來水；碎石(CA)采用連續級配，粒徑分別為5～10mm和10～20mm，按質量比3∶7混合均勻．混凝土配合比和28d強度如表1如示．

表1 混凝土配合比和強度

成型尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱型混凝土試件用于抗壓強度測試，成型圖1所示的啞鈴型混凝土試件[17]用于抗拉強度測試．成型時不使用脫模劑，而是將聚四氟乙烯薄膜均勻覆蓋在混凝土模具內表面，以避免脫模劑對氣體滲透的影響．成型試件在20℃，相對濕度為95%的環境下養護24h后拆模；然后放入20℃的飽和Ca(OH)2溶液中養護至28d．

圖1 抗拉強度試件示意圖Fig.1 Diagram of specimen for tensile stress(size:mm)

1.2 應力作用下混凝土氣滲試驗和加速碳化試驗

養護好的混凝土試件在(50±2)℃的烘箱中進行干燥．完全干燥的試件除了保留1個平整側面，其余表面在常溫下粘貼2層鋁箔膠帶后進行應力加載試驗．應力加載設備采用Yao等[18]設計的壓應力和拉應力加載裝置(見圖2)，應力比(X)均為0、0.3和0.6，以C代表壓應力比，T代表拉應力比加以區分．

加速碳化試驗中CO2體積分數為2.0%，相對濕度為70%，溫度為20℃，在加載狀態下碳化28、56d．采用酚酞酒精溶液測試混凝土碳化深度，根據碳化深度和文獻[12]可以計算得到混凝土CO2擴散系數．CO2體積分數取2.0%是由于此時混凝土加速碳化與自然碳化的相關性更強[19]．

圖2 應力加載裝置Fig.2 Equipment for stress loading

氣體滲透試驗中相對濕度為70%，溫度為 20℃．試件在加載狀態下采用Autoclam測試系統[20-21]測試其氣滲系數(K)，測試需要在加載完成后12h進行．

2 結果與討論

2.1 K和DCO2

應力會引起混凝土微結構的變化，從而導致混凝土氣體滲透性能的變化．圖3為應力作用下混凝土氣滲系數K和CO2擴散系數DCO2的變化規律．

由圖3可見：壓應力比為0.3時，K和DCO2比未施加應力時有所降低；壓應力比為0.6和拉應力比為0.3時，K和DCO2有微弱增加；拉應力比為0.6時，K和DCO2有顯著增加．試驗結果與Choinska等[10]和Tegguer等[11]的研究結果大致相同．

圖3 應力作用下混凝土氣滲系數和CO2擴散系數

在壓應力比較低時，混凝土界面過渡區存在的原始缺陷和微裂紋均保持穩定，幾乎沒有擴展，即使在局部區域引起的一些裂紋也能保持穩定，所以其介質傳輸速率表現出不同程度的下降或者基本沒有變化．當壓應力比超過某特定值或者特定范圍后，混凝土界面過渡區的微裂紋擴展變得不穩定，新產生的微裂紋也會進一步擴展[22-23]，其介質傳輸速率會明顯增大．隨著拉應力比的增加，混凝土界面過渡區原生裂紋的變化會變得更敏感，穩定裂紋擴展的時間間隔被大大縮短，混凝土中孔隙和微裂縫的連通程度會逐漸提高，其介質傳輸速率也隨之增大．當拉應力比增加到一定程度時，混凝土介質傳輸速率會急劇增加[24-25]．

應力作用下混凝土K和DCO2的變化規律雖然一致，但是DCO2的變化幅度并沒有K的變化幅度大，這可能是由于碳化過程中生成的碳化產物CaCO3會填充混凝土微裂縫和孔隙，從而降低了介質傳輸速率．

2.2 CDep-GPL模型

2.2.1參與反應的CO2量

對于參與反應的CO2量取值的研究比較多，文獻[26]認為硅酸鹽水泥熟料中75%的CaO相能夠轉化成CaCO3．本文同樣假定礦物摻和料中75%的CaO相轉化成CaCO3，那么單位體積混凝土吸收CO2的量等于完全碳化條件下的CO2吸收量，參與反應的CO2量a的取值就可由式(2)確定：

(2)

式中：wclinker為水泥中熟料質量分數，%；C為水泥用量，kg/m3；S為礦物摻和料用量，kg/m3；wCaO為單位質量膠凝材料中CaO質量分數，%；MCO2、MCaO分別為CO2和CaO的摩爾質量．

2.2.2DCO2和K的相關性

采用最小二乘法對應力作用下的混凝土氣滲系數和CO2擴散系數進行擬合，結果如圖4和式(3)所示，相關系數R2=0.81．

(3)

圖4 CO2擴散系數和氣滲系數的相關性Fig.4 Relationship between CO2 diffusion coefficient and gas pemeability coefficient

由圖4可見：當混凝土內部濕度比較高的時候，水分會降低CO2在混凝土中的擴散速度，但是有利于擴散進入混凝土內部CO2的溶解和化學反應；當混凝土內部濕度比較低的時候，有利于CO2的擴散，但碳化反應所需的水分不足，所以反應速率會比較慢．由此可以看出，內部濕度對混凝土碳化速度的影響較大，本文中采用文獻[12]中得到相對濕度RH對CO2擴散系數β的影響系數，如式(4)所示：

(4)

式中：無量綱常數為23.32，在本研究中碳化試驗和氣滲試驗的相對濕度都為70%，故對式(4)進行修正，無量綱參數經計算取值為28.09．結合式(3)、(4)和無量綱常數28.09，可以得到應力作用下CO2擴散系數的表達式，如式(5)所示：

(5)

2.2.3模型的建立

基于以上分析，通過聯立式(1)～(5)得到CDep-GPL模型，如式(6)所示：

(6)

對于實際工程中承載狀態下的混凝土結構，利用CDep-GPL模型來預測其不同齡期下的混凝土碳化深度時，需要了解環境參數、混凝土配合、膠凝材料化學組成和應力作用下的混凝土氣滲系數．環境參數包括相對濕度和表層混凝土CO2濃度，混凝土配合比中需要知悉水泥和礦物摻和料的具體用量及其CaO含量．唯一需要試驗測試的參數只有應力作用下混凝土氣滲系數，可采用Autoclam測試系統進行現場測試，非常簡單、便利．

2.2.4模型的驗證

將應力作用下的混凝土碳化深度試驗值與CDep-GPL模型計算得到的碳化深度計算值進行了比較．CDep-GPL模型中需要輸入的參數見表2，計算值與試驗值的對比如圖5所示．

表2 模型輸入參數

圖5 混凝土碳化深度的計算值與試驗值的對比Fig.5 Comparison of carbonation depth between model calculated value and test value

由圖5可見：碳化齡期為28d和56d時，CDep-GPL模型計算值與試驗值之間的總體吻合度較好，計算值都在試驗值的誤差棒范圍內，說明該模型對于應力作用下2.0%CO2標準加速碳化試驗的預測結果非常精確，也證實了采用氣滲系數來表征混凝土CO2擴散系數的可靠性．

CDep-GPL模型在建立過程中采用的壓應力比和拉應力比都不大于0.6，在此應力比下加載周期對于混凝土氣體傳輸性能的影響不會太大，模型的適應性良好．當混凝土結構承受的應力比非常大時，加載周期會明顯改變混凝土的氣體傳輸性能，此時CDep-GPL模型不再適用．

3 結論

(1)壓應力比為0.3時，混凝土氣滲系數和CO2擴散系數有微弱降低；壓應力比為0.6、拉應力比為0.3時，氣滲系數和CO2擴散系數有微弱增大；拉應力比為0.6時，氣滲系數和CO2擴散系數有顯著提高．在應力作用下，CO2擴散系數的變化幅度比氣滲系數的變化幅度低．

(2)混凝土CO2擴散系數與氣滲系數具有相關性，CO2擴散系數和氣滲系數的定量表達式為0.33次方的函數式．

(3)基于CO2擴散系數和氣滲系數的定量表達式，以及膠凝材料用量及其CaO含量確定的可吸收CO2量，建立了CDep-GPL模型，驗證結果表明模型適用性良好．