基于表面防護理論的水工混凝土碳化仿真模型構建及應用

段忠奎

(朝陽市大凌河風景區管理處，遼寧 朝陽 122000)

對于新建水工混凝土工程的特殊構件(如溢流堰面、輸水隧洞閘室段、沿海擋潮閘排架柱等)或特殊部位(如浪濺區、水位變動區以及結構縫等)，由于在工程完工但尚未運行前缺少提前進行防護措施，導致上述構件或部位因惡劣環境作用而過早出現損壞的案例很多。隨著我國經濟快速發展，以混凝土工程為代表的基礎設施建設也到了空前建設時期，但由于普遍存在“重結構輕防護”的設計理念，導致許多混凝土結構，如在沿海氯鹽侵蝕地區，長期處于水位變化區、高速水流沖刷區等部位，出現過早損壞的現象屢見不鮮。水利部組織的編寫的《全國水工混凝土建筑物耐久性及病害缺陷處理調查報告》中曾提到，在所調查的32座大壩和40余座水閘工程中，有近1/3的工程使用不到20年就在其閘板結構處產生混凝土裂縫；另外，約有60%的工程使用15年就發生了混凝土碳化和凍融破壞情況，出現缺陷的位置主要位于水位變化區、高速水流沖刷處以及氯鹽環境工程。近些年來通過對遼寧省88座水閘工程的混凝土結構現場檢測發現，有19%的水閘工程在使用10年就發生了混凝土裂縫、剝蝕和碳化缺陷，而使用15年和20年發生缺陷的比例分別高達57%和73%。其中，處于水位變化區的混凝土閘墩、底板、排架柱等結構甚至發現有鋼筋銹蝕現象?；炷凉こ踢^早出現各類病害缺陷，將嚴重影響工程正常運行，也造成基礎設施建設的極大浪費。因此，為了降低混凝土工程過早發生損壞的概率，借鑒國內交通行業對特殊環境中的混凝土墩、柱采取早期防護措施的經驗，本文提出在水工混凝土結構設計階段除了考慮耐久性設計外，還應考慮必要的早期防護處理，以提升混凝土工程的質量和耐久性，延長其使用壽命。

1 表面防護處理對象

對特殊環境或特殊部位新建水工混凝土結構考慮5方面防護處理工藝，主要部位包括：

(1)特殊構件及構件特殊部位的防護施工工藝，比如溢流堰面、輸水隧洞閘室段等部位考慮涂刷抗沖磨、抗沖刷性的防護材料；

(2)混凝土結構浪濺區、水位變動區的混凝土防護施工工藝，比如水庫大壩迎水側面板水位變動區粘貼苯板、擠塑板等防冰害、防凍融損傷材料；

(3)混凝土結構縫的防護施工工藝，比如隧洞結構縫、面板壩接縫、底板接縫、導流墻接縫等部位進行灌漿、嵌縫等防護；

(4)大體積混凝土避免早期開裂的防護工藝，比如在混凝土初凝后盡快粘貼苯板等保溫結構，以降低混凝土內表溫差，從而控制早期開裂；

(5)在沿?；蚵塞}環境中的水工混凝土結構防護工藝，考慮通過涂刷抗氯鹽侵蝕的涂層材料來降低氯鹽侵蝕的發生。

2 表面防護處理試驗對象

結合新建工程現場試驗段，近年來分別在東港白云閘工程邊墻，丹東三灣水利樞紐及輸水工程閘墩和魚道槽身，營口民興河擋潮閘邊墻、排架柱、閘墩二期混凝土等特殊部位開展防護試驗研究。

1.2 方法 所有入選者均于清晨空腹采血6 mL，分裝入兩個無熱源及內毒素的清凈試管，一管送生化檢驗室用免疫比濁法測定肝功、空腹血糖、血甘油三酯、血尿酸，并用酶聯免疫吸附法檢測肝炎血清標志物，另一管選用EDTAK2管，抽血2 h內送流式細胞術檢驗室檢測CD4+CD25+T細胞百分率（檢測試劑購自貝克曼庫爾特公司，CD4-FITC編號YZB/FRC 0773-2011，CD25-PE編號YZB/FRC 0041-2011，均為100測試/瓶）。嚴格按照說明書進行操作。

3 碳化防護數值仿真模型原理

CO2在混凝土內部的物理擴散和化學反應稱為碳化過程，混凝土內部的可碳化物質與CO2在擴散過程中不斷被消耗。碳化過程中的CO2含量按照質量守恒定律其計算公式為：

(1)

式中，C—CO2濃度變量，kg/m3；D—CO2擴散系數(無量綱)；υ—碳化反應速率，kg/m3·g/m。D和υ均受環境溫度、濕度等因素影響。根據已有研究成果，CO2碳化擴散系數DC的變化規律可以用式(2)表示，即：

DC=DC，0·F1(T)·F2(H)·F3(η)·F4(σ)

(2)

式中，DC，0—混凝土結構未碳化前，在參考溫度、濕度條件下CO2擴散系數，由混凝土的水灰比等材料自身因素決定，取值方程為：

DC，0=8×10-7(W/C-0.34)(1-Href)

(3)

式中，W/C—水灰比，Href—混凝土內的參照相對濕度，%。水灰比在深度方向的變化主要受混凝土拌合振搗影響，內部孔隙比低于表層孔隙比，具有較差的密實度，而內部由于CO2易侵蝕擴散總體較為穩定?？紤]到水灰比在深度方向上的變化，需采取分層確定擴散系數的方法，具體混凝土分層情況及特點見表1。

表1 混凝土分層情況及特點

F1(T)—溫度對混凝土結構CO2擴散系數的影響系數，其函數表達式為：

(4)

式中，E—1molCO2反應所消耗的能量21800，J/mol；R—摩爾氣體常數，8.314，J/mol·K；Tref—混凝體結構未碳化前參考溫度測定值，℃；F2(H)—混凝土結構CO2擴散系數受周圍環境濕度影響系數，其函數表達式為：

F2(H)=(1-H)2.5

(5)

式中，H—相對環境濕度，%；F3(η)—混凝土碳化程度對CO2擴散系數的影響系數，其函數表達式為：

(6)

(7)

受周圍環境溫度、濕度以及碳化和CO2擴散過程均對碳化反映速率υ產生影響。碳化反應速率υ需要重點考慮溫度和濕度的影響：

υ=υ0·f1(T)·f2(H)

(8)

式中，υ0—混凝土碳化結構理想狀態下的速率，取值為2.80化結構-7s7mol。碳化反應受溫度影響程度可采用以下公式進行計算：

(9)

式中，E0—混凝土結構碳化活化能，取91.52kJ/mol；f2(H)—環境相對濕度對碳化反應速度的影響系數，其函數表達式為：

(10)

4 模型構建及應用

4.1 網格劃分

采用ANSYS中的瞬態熱分析模塊對混凝土碳化過程進行數值模擬，并根據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》選取100mm-2006》凝土碳化過程進棱柱體試件進行碳化試驗，對數學模型進行驗證校準。按照100mm進行驗證校準的模型尺寸建立混凝土截面的二維平面模型。對模型按照深度Z方向進行分層，各層間距為0.5mm，并對每1層混凝土的CO2擴散系數和反應速度進行定義。建立好的平面二維分層混凝土模型如圖1所示，并將所建模型以0.5mm單元尺寸進行網格劃分，定義單元類型為二維8節點熱實體單元，8節點單元具有一致的溫度變形函數。劃分好的網格共包含120801節點，40000個單元。

圖1 分層混凝土的有限元網格模型

4.2 模型邊界

在邊界條件建立過程中，首先要確定環境中CO2濃度。一般而言CO2濃度為體積百分比濃度，要先將其轉換為質量濃度，以便于進行混凝土結構內CO2濃度分析。標準大氣情況下(標壓101325Pa，溫度273.5K)CO2質量濃度和體積濃度間關系為：

C0=1.8Cv

(11)

式中，C0—CO2質量濃度，kg/m3；Cv—CO2體積濃度，%。根據式(11)可知，如Cv為20%，則其C0值為0.36kg/m3。

4.3 碳化數值模擬結果

為了驗證數學模型的正確性，將碳化試驗結果與數學模型結果進行比較，以對仿真模型進行校準。在混凝土碳化試驗規程中，標準試驗條件為CO2體積濃度為20%±3%，溫度為20℃±5℃，濕度為70%±5%，并將棱柱體試塊3個側面用石蠟密封，僅留1個側面進行碳化研究。在數值模型中，根據混凝土水灰比、環境溫度和濕度等因素確定各層CO2的擴散系數和反應速度，并在深度方向的第1層外邊界的CO2質量濃度值為0.36kg/m3，其余各外邊界的濃度值均定義為0。沿深度方向上5、10、15mm處，其CO2質量濃度隨時間變化如圖2所示。圖中CO2濃度值均表示為CO2質量濃度(kg/m3)。

圖2 混凝土不同深度處CO2濃度變化圖

從混凝土不同深度CO2質量濃度變化可看出，CO2質量濃度在模擬初期的5min內快速上升，濃度變化率隨著混凝土齡期的增長而逐步趨于穩定，在14d齡期前后CO2質量濃度在深度為10mm處才逐步加大，濃度變化速率相對較為緩慢。CO2質量濃度在深度為15mm處保持穩定變化，碳化深度在28d齡期內低于15mm。水工混凝土表層和內部CO2擴散速率從不同齡期混凝土碳化深度數值模擬結果可看出存在明顯差異的水灰比，碳化過程中在水工混凝土內部不同深度下濃度也存在明顯差異。

4.4 碳化深度試驗驗證

為了將碳化深度數值求解值和試驗測定值進行驗證，通過試驗室碳化快速試驗方法，對不同齡期碳化深度的均值進行計算，計算方程如下:

(12)

式中：dt—td后混凝土試件碳化深度的均值，mm;di—試驗面不同測點的碳化深度，mm;n—檢測數量。CO2體積濃度為20%±3%、溫度和濕度分別設置為20±5和70%±5%為其試驗標準條件，對水工混凝土進行碳化深度的試驗分析。按照碳化試驗每個試驗組含3個試件，碳化深度測定值為各時期不同試件深度的均值，通過將室內試驗測定的碳化深度和不同齡期模擬計算的碳化深度值對比進行驗證。在初期碳化擴散速率較大，碳化深度數值求解值和試驗測定對比在碳化初期有一定的差異性，偏差相對較大。隨后，碳化深度數值求解值和試驗測定之間的吻合度隨著齡期的增長逐步改善，偏差最大值可控制在5%以內。

5 不同碳化防護試驗結果對比

試驗共分2組，第1組棱柱體試塊混凝土強度等級為C30，采用SK手刮聚脲為涂層防護材料；第2組試塊混凝土強度等級為C20，采用HK- 988彈性體為涂層防護材料。根據規范要求，將混凝土試塊2個相對的側面涂抹石蠟密封，另外2個側面分別涂覆涂層材料和未做處理混凝土以便進行防碳化效果對比。2組試驗中未做防碳化處理的側面混凝土碳化深度試驗結果見表1。由于防護材料密實性高，與混凝土表面粘接良好，故2組試驗涂覆涂層材料的側面碳化深度在全部試驗齡期測得的碳化深度值均為0。

表1 未做防碳化處理的混凝土側面碳化深度試驗結果

混凝土上表面未做防護處理面，下表面涂覆涂層材料HK- 988彈性體面，而左右端面則采用石蠟密封。涂覆防護材料可極大程度地提高混凝土的抗碳化性能，水工混凝土表層防護材料建議可采用具有優異氣密性能的聚脲材料，混凝土基底可與脲材料具有較好的粘接性，使用周期長，可長期對水工混凝土表層進行防碳化防護。

6 結論

(1)水工混凝土CO2濃度在模擬初期的5min內快速上升，濃度變化率隨著混凝土齡期的增長而逐步趨于穩定，在14d齡期前后CO2濃度在深度為10mm處才逐步加大，濃度變化速率相對較為緩慢。CO2濃度在深度為15mm處保持穩定變化，碳化深度在28d齡期內低于15mm。

(2)水工混凝土表層防護材料建議可采用具有優異氣密性能的聚脲材料，混凝土基底可以與聚脲材料具有較好的粘接性，使用周期長，可長期對水工混凝土表層進行防碳化防護。

(3)本次研究只是在標準條件下進行數值模擬，今后可進行多種防護條件下的模擬計算，并重點分析不用影響因素的敏感程度，進一步提高數值模擬的準確性。