（材料学专业论文）基于碱度和密实度的混凝土碳化耐久性设计与寿命预测.pdf

东南气莩硕幸兰论文 摘要 钢筋锈蚀是造成混凝上结构耐久性降低的主要因素之一，保护层碳化是引起钢筋锈蚀 的一个重要原因。碳化降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，保护层失去对钢筋的保 护作用。在国内丈量城市已建成的明挖、盾构隧道中，车辆尾气的大量排放，导致隧道内 c 0 2 浓度急剧上升。因此，研究隧道混凝土碳化耐久性规律、抗碳化设计方法、结构碳化寿 命预测具有重要意义。 本文研究了多个混凝土的性能对碳化耐久性的影响规俸。试验结果表明：在相同碱度 条件下，混凝土孔隙率从6 2 增大到9 2 5 过程中，各龄期加速碳化深度有缓慢增大的趋 势，而当孔隙率从9 2 5 增大到1 2 8 过程中，各龄期加速碳化深度有明显增大的趋势。混 凝土抗碳化能力随抗压强度、超声波声速、碱度的增大而增强；随孔隙率的增大而减弱。混 凝土碳化深度对抗压强度、孔隙率和超声波声速的变化较碱度的变化更为敏感。试验同时确 定了基于碱度、密实度的抗碳化混凝土设计方法，即根据所设计混凝土的不同碱度、抗压强 度、孔隙率和超声波声速预测加速碳化深度；相反，可以根据设计要求的加速碳化深度值推 测混凝土应具有的碱度、抗压强度、孔隙率和超声波声速。 同时本文提出了一种基于现场混凝土施工管理水平( 保护层厚度与质量偏差) 的新建结 构概率碳化寿命的预测方法。首先开展了超声波声速与加速碳化深度相关关系的深入研究。 试验结果表明：混凝土超声波声速与加速碳化深度之间保持良好的线性关系，已知超声波声 速可以预测备龄期对应的加速碳化深度。因此，得到了概率碳化寿命的预测方法：假定现场 测得的混凝保护层厚度和超声波声速的值都服从正态分布规律，记保护层厚度y ( d ) 服从 n ( z ，仃) ，超声波声速x 。( v ) 服从n ( o t ，峨) ，因超声波声速和加速碳化深度拟合的是线性 关系，据数理统计方法经线性拟合的隧道混凝土保护层加速碳化深度x 。( d ) 服从 z ，最) ，又由公式2 弓器，得到经过n 年之后的自然碳化深度匕) 月从 n ( a 。，瓯) ，此时再经计算经过n 年之后的剩余保护层厚度乙，则有z 。= y ( d ) 一匕( d ) 且 服从( 一a n ，盯+ 瓦) ，求出剩余保护层厚度火予零时一口。0 的概率，即保护层碳化 寿命是1 1 年的概率。 最后对某隧道混凝士保护层厚度及质量进行系统地检测，得到隧道侧墙外侧、底板、顶 板保护层厚度的均值入于或略小于6 0 m m ；侧墙内部和中隔墙的保护层厚度不超过5 0 r a m ； 都属于正态分布。隧道混凝上保护层的超卢波声速值分布范围2 5 k m s ，属正态分布。利 用概率碳化寿命预测方法和某隧道保护层厚度及质量统计结粜，得到对丁所研究的隧道工 隶商 掌硕t 率位论文 程，2 8 天加速碳化深度线性拟合计算得到的保护层概率碳化寿命与1 4 天加速碳化深度线性 拟合的结果，具有很高的吻合度。得出在正常大气环境下该隧道混凝土保护层碳化寿命超过 1 0 0 年的概率都达到8 0 以上，超过2 0 0 年的概率达到5 0 以上；在2 倍大气c 0 2 浓度下 多数标段混凝土保护层的碳化寿命超过1 0 0 年的概率达到7 0 以上。隧道内部良好的通风 条件不仅有利于环保，而且还有利于提高隧道结构的耐久性。隧道各部位各标段都具有很高 的保护层厚度合格率，超过了9 0 ，除了a ，e 两个标段侧墙内侧合格率在8 5 左右。 关键词：碱度、抗压强度、孔隙率、超声波声速、保护层厚度、正态分布、概率碳化寿命 i i 东南 善顽士莩位论文 a b s t r a c t c o r r o s i o no f s t e e lb a r si so n eo f p r i m a r yf a c t o r sw h i c hc a nl e a dt ot h ed u r a b i l i t yd e g r a d a t i o n o fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s c o n c r e t ec o v e rc a r b o n a t i o ni st h eb a s i cc o n d i t i o no fs t e e lb a r s c o r r o s i o n a l k a l i n i t yd e c r e a s e sa n dp a s s i v a t i o nf i l mo fs t e e lb a r si sd e s t r o y e do n c ec o n c r e t ei s e x p o s e di nc a r b o n a t i o nc o r r o s i o nc o n d i t i o n a sar e s u l t , c o n c r e t ec o v e rl o s e si t sc a p a c i t yo f p r e v e n t i n gb a r sr u s t i n g a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e r ea r em o r ea n dm o r eo p e n c u ta n ds h i e l dt u n n e l s i nc o n s t r u c t i o n c 0 2c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sr a p i d l yi nt u n n e l sd u et ot h ee m i s s i o no fv e h i c l e e x h a u s t t h e r e f o r e i t ss i g n i f i c a n tt om a k er e s e a r c h e so f ft h ec a r b o n a t i o nm e c h a n i s m , d u r a b i l i t y d e s i g na n dc a r b o n a t i o ns e r v i c el i f ep r e d i c t i o no f t h et u n n e lc o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t em i x i n gr a t i oo fm a i nc o n s t r u c t i o no ft h ed u s h u h ur u n n e l ，t h e i n f l u e n c e so nc a r b o n a t i o nd u r a b i l i t yc a u s e db ys e v e r a ik i n d so fc o n c r e t em a c r o p e r f o r m a n c ea r e i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i t ss h o w nt h a t i fc o n c r e t eh a v et h es a r n ea l k a l i n i t y , e a c ha g e s a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hi n c r e a s e sm o d e r a t e l yw i t ht h ep o r o s i t yr a n g i n gf r o m6 2 t o9 2 5 w h i l ea c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hi n c r e a s er a p i d l yw i t hp o r o s i t yr a n g i n gf r o m9 2 5 t o1 2 8 c a r b o n a t i o nr e s i s t a n c e o fc o n c r e t ei si m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa l k a l i n i t y ，c o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n du l t r a s o n i cv e l o c i t y , d e c r e a s eo fp o r o s i t y a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hi sl e s s s e n s i t i v et oa l k a l i n i t yt h a nt h et h r e eo t h e r s c a r b o n a t i o nd e p t hd i s t r i b u t i n gr e g i o n sa r ep a r t i t i o n e d c l e a r l yi nt h er e s p e c t i v ec o u p l i n gi n f l u e n c eo fa l k a l i n i t ya n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a l k a l i n i t ya n d p o r o s i t y , a l k a l i n i t ya n du l t r a s o n i cv e l o c i t y m e t h o do fc o n c r e t ec a r b o n a t i o nd u r a b i l i t yb a s e do n a l k a l i n i t ya n dc o m p a c t n e s si sf o u n do u t a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hi sp r e d i c t e da c c o r d i n gt o a l k a l i n i t y , c o m p r e s s i v es 订e n g t h p o r o s i t y , u l t r a s o n i cv e l o c i t y o nt h e o t h e rs i d e ，a l k a l i n i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，p o r o s i t y , u l t r a s o n i cv e l o c i t yo fc o n c r e t ec a nb ed e d u c e da c c o r d i n gt ot h e a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hd e m a n d e di nt h ed e s i g n t h e n ，i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fp r e d i c t i n gc o n c r e t ep r o b a b l ec a r b o n a t i o ns e r v i c el i f ei n n e wc o n s t r u c t i o ni sa l s ob r o t i g h tb a s e do ni n s i t uc o n s t r u c t i o nl e v e li n c l u d i n gc o n t r o lo fc o v e r t h i c k n e s sa n dq u a i l t y f i r s t l y , f u r t h e rd i s c u s s i o no nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i cv e l o c i t y a n da c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t ha r es t u d i e d t h e r ei sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i c v e l o c i t ya n da c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t ho fc o n c r e t e ，i na d d i t i o n ，t h em e t h o do fp r o b a b l e c a r b o n a t i o ns e r v i c el i f e p r e d i c t i o ni s f o r m e di nt h i s p a p e ls u p p o s e dc o v e rt h i c k n e s sa n d u l t r a s o n i cv e l o c i t yb o t ho b e yn o r m a ls i z ed i s t r i b u t i o n ，c o v e rt h i c k n e s sy ( d ) o b e y s ( ，仃) ，a n d u l t r a s o n i cv e l o c i t y x l ( v ) o b e y s n ( a l ，8 1 ) b e c a u s eo fl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i c v e l o c i t ya n da c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t ho fc o n c r e t e ，a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t ho ft u n n e l c 。n c r e t e c o v e r x ( d ) o b e y s n ( o t 2 , 8 2 ) b ”e d 。n = 型c 盟i c ，i t i sk n o w nt h a t c a r b o n a t i o nd e p t hu n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s 匕( d ) o b e y s ( d 目，瓯) ，a n dt h e nr e m n a n tc o n c r e t e c o v e r 乙a f t e r n y e a r s n a t u r a l c a r b o n a t i o nc a n b e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h e i i i 东南 苹硕士乒位i 拿文 e q u a t i o n ，z 。= y ( j ) 一l ( d ) ，z no b e y s ( 一a 。，o - + 瓯) p r o b a b i l i t y c a l lb ec a l c u l a t e d a s p a n 0 w h i c hi sj u s tt h ep r o b a b i l i t yw h e nc o v e rh a si t sc a r b o n a t i o ns e r v i c el i f ee x p e c t e d t o n y e a r s f i n a l l y , t h e t h i c k n e s sa n d q u a l i t y o fs o m et u n n e lc o n c r e t ec o v e ra r e i n v e s t i g a t e d m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c si su s e d i tc a nb e c o n c l u d e dt h a ta v e r a g ec o v e rt h i c k n e s so fo u t s i d e s i d e w a l l s ，f o u n d a t i o ns l a b sa n dr o o f si sm o r eo ra p p r e c i a b l yl e s st h a n6 0 m m ，o nt h eo t h e rs i d e ， i n s i d es i d e w a l l sa n dm i d d l ew a l l sl e s st h a n5 0 m m a l it h ec o v e rt h i c k n e s so b e y sn o r m a l d i s t r i b u t i o n t h eu l t r a s o n i cv e l o c i t yo b e y sn o r m a ld i s t r i b u t i o n r a n g i n gf r o m2t o5 k m s a c c o r d i n gt oa b o v es t u d i e s ，c o m p a r e dt o2 8 da c c e l e r a t e dc a r b o n m i o nd e p t h ，p r o b a b l ec a r b o n a t i o n s e r v i c ei i r ei i n e a r l yf i t t e db y1 4 da c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nd e p t hm a i n t a i n sc o n s i s t e n t i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ep r o b a b i l i t ye x c e e d s8 0 w h e nt h et u n n e lc o n c r e t ec o v e rh a si t sc a r b o n m i o n s e r v i c el i f ee x p e c t e dt ob e1 0 0y e a r s ，m o r et h a n5 0 e x p e c m dt ob e2 0 0y e a r s ，u n d e rd o u b l ec 0 2 c o n c e n t r a t i o nc o n d i t i o n , t h ep r o b a b i l i t ye x c e e d s7 0 w h e n 血et u m l e lc o n c r e t ec o v e rh a si t s c a r b o n a t i o ns e r v i c el i f ee x p e c t e dt ob e1 0 0y e a r s h i 曲a b i l i t yo fv e n t i l a t i o ni n s i d et h et u n n e li s h e l p f u l t 0e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt u n n e lc o n c r e t ed u r a b i l i t y t h et u n n e lh a sah i i 曲 q u a l i f i c a t i o nr a t i oe x c e e d i n g9 0 o nc o n c r e t ec o v e rt h i c k n e s s ，o t h e rt h a naa n des e c t i o nw i t h r a t i oa b o u t8 5 k e yw o r d s ：a l k a l i n i t y , c o m p r e s s i v es 打e n g t h ，p o r o s i t y , u l t r a s o n i cv e l o c i t y , t h i c k n e s so f c o n c r e t e c o v e nn o r m a ls i z ed i s t r i b u t i o n ，p r o b a b l ec a r b o n a t i o ns e r v i c el i f e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墅k 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲擅： 日期：丝； 蕞南大拿硕t 竽位论文 1 1 本文研究背景 第一章绪论 自1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料以其广泛的适用性和低廉的造价而 在土木工程领域普遍应用。混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因 素。研究表明，钢筋锈蚀是造成混凝土结构性能过早退化的主要原因，不仅减小了钢筋的有 效截面，而且改变了混凝土与钢筋接触面的性质，导致粘结性能退化，锈蚀产物体积膨胀使 混凝土保护层胀裂甚至脱落，承载能力与适用性都明显下降，剩余使用寿命大为缩短；在 钢筋混凝土中，混凝土的碳化引起的钢筋锈蚀，大大降低结构的使用性和耐久性。未被腐蚀 的混凝土对其内部钢筋具有良好的保护作用，这是因为混凝土呈强碱性，其p h 值约为 1 2 1 3 ，在这样的强碱性环境中，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，使钢筋处于钝化状态不 被腐蚀。混凝土碳化是混凝土中的碱性物质与环境中的0 0 2 发生化学反应生成c a c 0 3 的过 程，它使混凝土的碱性降低，钢筋表面的氧化膜被破坏，从而失去对钢筋的保护作用口j 。 长期以来，在人们的传统观念中，总是认为混凝土是一种最为耐久的建筑材料，虽然钢 筋易发生锈蚀，但是有混凝土保护层，钢筋就不会锈蚀。因此钢筋混凝上结构的使用寿命一 直被期望很高，从而造成了对钢筋混凝土结构耐久性的研究相对滞后。为此付出了很大的代 价。因此耐久性不足问题引起的结构破坏的事故也屡见不鲜，其中因混凝土碳化和钢筋锈蚀 造成的损失也是难以估计的。因此钢筋混凝土结构的耐久性闯题已受到国内外土木工程界 和学术界的高度重视。 在国外，发达国家都十分重视基础设施中混凝t 结构的耐久性，2 0 0 5 年美国工程调查 报告i ”表明，基建工程的质量有所下降，从1 9 9 8 年的c 级下降到2 0 0 5 年的d 级。5 9 万座 桥梁中有2 7 1 有缺陷或丧失功能。船闸5 0 失效，存在不安全隐患的大坝达3 3 ( 3 5 0 0 座) ，公路冈路况不好每年的维修费用高达5 4 0 亿美元。在美国州际公里路网5 6 万座桥中， 处于严重失效的就有9 万座，大部分由钢筋锈蚀引起的【4 】。英国2 0 世纪8 0 年代到目前的2 0 多年期间，混凝土结构修补费用已高达4 5 0 0 万亿英镑，为初始造价的1 6 倍”1 。英国每年用 于修复钢筋混凝上结构的费用高达2 0 0 亿英镑。日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即 达4 0 0 亿日元，大约有2 1 4 的铡筋混凝土结构损坏是斟钢筋锈蚀引起的。引以为豪的新干 线使用不到1 0 年，就出现混凝土大面积开裂、剥蚀现象。 我国钢筋混凝 ：结构耐久性阐题不容忽视。据报道p 深圳至汕头2 8 0 k i n 公路，2 0 0 1 年 至2 0 0 5 年【太j 路况不好造成1 4 4 3 人死亡，7 2 9 0 人受伤。京珠高速公路2 0 0 1 年建成，湖南湘 潭至宜章段共3 0 0 k m 每6 k m 就有一维修处。湖南境内的长潭、莲易、长久高速公路在通车 后进行了全面维修。京广线石家庄1 5 4 甲号桥1 0 3 孔，2 0 0 2 年开裂、破坏、换梁，京通、 京秦、胶济、京沪等线有大黾预应力铡筋混凝土桥梁因碱骨料反应而损坏。在工业与民用建 筑中，钢筋混凝土结构占有相当比例，由于混凝j ：碳化和钢筋锈蚀引起的结构破坏问题非常 鬟南 4 e 硕t 掌位论， 严重。钢筋锈蚀已成为导致我国钢筋混凝卜：结构耐久性失效的主要原因之一。 在一般大气环境下，混凝上碳化则是混凝士中钢筋锈蚀的前提条件，因此，研究混凝土 碳化及其预测模型对混凝土结构耐久性评估具有重要的实际意义。2 0 世纪6 0 年代，国际上 一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，对混凝土碳化进行了大量的试验研究及 理论分析。国内在这方面起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代开始研究混凝土碳化与钢筋锈蚀问题， 通过快速碳化试验、长期暴露试验及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响凼素与碳化深度 预测模型。经过4 0 年多年的研究，国内外对混凝土碳化机理与影响因素已经有了深刻的认 识，并提出了很多种碳化深度的计算模型，为进一步研究混凝土中的钢筋锈蚀与混凝土结构 的寿命预测提供了基础。 1 2 混凝土碳化及其预测模型的研究现状 国内外学者对混凝土碳化所进行的大量研究内容涉及了碳化机理、碳化的影响因素、碳 化深度检测方法、预测模型等等。前期的研究主要集中在宏观层次上，研究影响因素与预测 模型主要采用以试验为基础的经验法：2 0 世纪8 0 年代末，希腊学者p a p a d a k i s ”1 从分子层 次上研究了混凝土碳化的机理，使混凝土碳化研究前进了一大步。 1 2 1 碳化机理 混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳作用，生成碳酸钙或其他物 质。这是一个复杂的多相化学过程。 普通硅酸盐水泥混凝上中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、 铁铝酸四钙，水化产物为氢氧化钙( 约占2 5 ) 、水化硅酸钙( 约占6 0 ) 、水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙等，充分水化后，混凝土孔隙水溶液为氢氧化钙饱和溶液，其p h 值约为1 2 1 3 ， 呈强碱性。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等多种原因，在混凝土内部存在 大小不同的毛细管、孔隙等。大气中的二氧化碳通过这些孔隙向混凝土内部扩散，并溶解于 孔隙内的液相，在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的町碳化物质发生碳化反应，生成碳酸 钙“。 混凝土碳化的主要化学反应式如式( 1 - 1 ) 至( 1 4 ) 。 c o ，+ h ，0 寸h ，c o ，( 式i 1 ) c a ( o h ) 2 + h 2c 0 3 - - 9 , c a c q + 2 2 0 3 c a o s i 0 2 3 h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 - - - - 3 c a c 0 3 + 2 s i 0 2 + 6 h 2 0 ( 式1 - 2 ) ( 式1 3 ) 2 c a o s i 0 5 4 h2 d 十2 h 2 c 0 3 2 c a c 0 3 + s i 0 2 + 6 h 2 0 ( 式1 - 4 ) 由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶解性钙盐，比原反应物的体积膨胀约为1 7 口1 ， 2 末雨查兰兰三兰竺兰苎一 一 竺混篓豢篙誓翌茎篇：鬈慧筹z 篙黧冀鬈 提高，一定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝土内部嘲口取。刀 “一 凝土的p h 值下降到约为8 5 9 0 ，使钢筋脱钝 混凝土碳化是环境中的二氧化碳向混凝土内部扩散，并与翼登圭? 的可碳化物质发生化 学反垂曼罴卜篓：，凳薹茎鬟罢茎毳麓蠢鬻尝羹篓矗。，与碳化时间 国内外的大量碳化试验与碳化调查结果“”均表明7 昆戚工联儿体8 7 一 舯：。：意襞采嚣篓篇鬈嚣速度主要取决趟化碳的扩 。，。燮：麓篓等篆搿淼嚣嚣蒹萧喜赫茹兰 竺墨曩竺菱化竺篡裹嚣羹黧髫篡篡芸嚣嚣耄：罴i 巍羞赢 燮黧：警黧慧； 黧絮篙蒿蓑豢主磊磊淼磊 篓三黧黑慧戮鬻茹篇蒜i ” 关，这些影响因素可以归结为与环境外部因素和与混凝士不封何太“。”。”。 ：匕翟竺翼霉黑鬟纂境条件主要是环境中的环境温度湿度及二氧化碳浓 对混凝土碳化速度产生影响的环境条件主萤是蚧聪删卅、悌“8 一一 ，耋羹爱轰酐朴的环堵湍度披高，二氧化碳在混凝土中的扩散速度及二氧化碳与水化 混凝土构筑物所处的环境温度越高，二氧化碳在混融士甲剀。烈“8 “一”“ 图l1 温度时碳化速度的影响【2 1 ：二篡川，羔栌7d 的混凝士在不同湿度条件下碳化1 6 年后试验结果表明，相对 一群黧鬈黧黧筹篙黧篙嚣篓薹淼凳磊 湿度5 0 6 0 范围内碳化速度最快，如图1 2 所尔。岔厦戡7 3 ”“”1 “4 。 东南大事项孕j 论文 含水率较低的状态，虽然二氧化碳气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故 碳化速度较慢：湿度较高时，混凝土的湿含量较高，毛细孔的饱水程度较高，阻碍了二氧化 碳气体在混凝土中的扩散，因此碳化速度也慢。 望 l 型 捌 兰 型 相对湿度， 图1 2 环境相对湿度对碳化速度的影响翻 ( 3 ) 二氧化碳浓度 由于碳化反应是一种化学反应，二氧化碳浓度对碳化速度有很大影响，二氧化碳浓度 越高。碳化速度加快，如图1 3 所示。阿部等 2 1 通过在二氧化碳浓度为1 2 0 范围内进行 加速碳化试验后认为混凝土碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比。 l 童 淤 兰 疆 时嘲，月 图1 3c 0 2 浓度对碳化速度的影响【2 1 ( 2 ) 混凝上内部因素对碳化速度的影响 1 ) 水灰比 水灰比是决定混凝七性能的重要参数，对混凝斗：碳化速度影响极人。水灰比基本上决 定了混凝十的孔结构，水灰比越大。混凝土内部的孔隙率就越大，孔径越丈，孔的连通性越 大。二氧化碳在混凝土中的扩散速度越快。s k i j o l s v o l d t ”j 利用快速试验得到碳化深度与水灰 比的关系，如图1 4 所示。 4 ，鬟南大掌硕士享位论文 l 薹拍 麓 羞 l o 诅40 60 l 1 0i o h 虿，+ 图1 4 堡和碳化深度的关系旧图二一和碳化深度的关系【”l c 2 ) 水泥品种 水泥品种不同，水泥水化产物中c a ( o h ) 2 含量及混凝土的渗透性不同，对混凝土碳化速 度有一定影响。文献f 嘲试验结果表明，在快速试验条件下，矿渣水泥混凝土比蔺水灰比的 普通水泥混凝土碳化快1 0 - 2 0 ，在室外暴露条件下快5 0 , - , 9 0 ，并给出了水泥品种的影 响系数，如表l - 1 所示。 表1 1 水泥品种对碳化速度比值的影响 3 ) 水泥用星 水泥用量直接影响混凝土吸收二氧化碳的量，因此对混凝土碳化速度有一定影响。混凝 土吸收二氧化碳的量取决于水泥用量和混凝士的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢。 m e y e r 1 2 1 等人通过试验给出了不同水泥用量的碳化深度比值，如表1 2 所示；同济大学【1 9 1 也 进行了快速碳化试验，得出碳化深度与水泥用量指数的倒数成正比，如图1 5 所示。 表】，2 水泥用景对碳化深度的影响【1 2 水泥用屋；( k g m 3 ) 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 碳化深度比值 1 8 0 1 4 0 1 0 0 o 8 5 0 7 0 0 6 0 5 东南大掌硕士擘位j e ，t | 童 旋 兰 翟 木泥用熏，( k 蛔) 图1 , 5 水泥用量与碳化速度的关系”】 4 ) 矿物掺合料 在普通水泥混凝土中，掺加粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相应减少，水化产物中 c a ( o d 2 量降低，此外矿物掺合料的火山灰反应也消耗部分c a ( o h ) 2 ，致使混凝土中c a ( o h h 含量降低，吸收二氧化碳的能力降低，加速混凝土的碳化。此外，粉煤灰混凝土的早期强度 低，孔隙率高，也加速t - - 氧化碳的扩散速度，从而使碳化速度加快。 1 2 3 碳化深度检测方法 混凝土碳化深度的检测方法主要有化学试剂法、x 射线法、热分析法和电子探针法等。 化学试剂法测试碳化深度的常用试剂是l 浓度的酚酞酒精溶液，它以p h = 9 为界线， 己碳化区呈无色，未碳化区呈粉红色，这种方法虽然简单，但是取芯及劈裂时对构筑物有一 定损伤；而且只能确定混凝土完全碳化区域。另外有种彩虹指示剂( r a i n b o wi n d i c a t o r ) ， 可以根据反应的颜色判别不同的p h 值( 5 - 1 3 ) ，i 刮此可测出完全碳化和部分碳化的深度“。 根据晶体对波长为 的x 射线的衍射特征，对晶体物质进行定性定量分析的方称为粉 末x 射线物相分析法。通过x 射线物相分析可以判定碳化深度。并可确定酚酞指示剂呈无色 的碳化深度和氢氧化钙一碳酸钙浓度分布i 2 1j ，但是定量精度差。 按一定升温速度加热混凝土时，混凝土中的水化产物在不同温度范围内发生物理化学 反应，造成混凝土重最的变化，并伴随着吸热与放热现象。混凝二l 的c a ( o h ) 2 和c a c 0 3 在 一定温度下发生热分解反应。此时记录混凝土重量与时间或温度关系的方法称为热重分析 ( t g ) ；记录混凝土和参比物质问的温差与温度( 或时间) 关系的方法称为差热分析( d t a ) 。 往往把筹热分析和热重分析联合使用，可以获得有关碳化更完整的有用数据和资料。热分析 法直接反映水化矿物的碳化程度，可评价末完全碳化区碳化程度。但只能评价c a ( o h ) 2 的碳 化，不能评价c s h 的碳化；使用石灰岩类骨料或混合材料时，难以确定碳化生成c a c 0 3 的 含最。 电子探针显微分析仪( e p m a ) 是试样表面照射电子束时的2 次电子和反射电子来观察试 样表面状态，并利用此时所产生的儿素特有x 射线来获取微区表面状态、化学元素的浓度及 其空间分布的一种装置。混凝土碳化时，e p m a 可以使微区元素分布的面分析结果以彩图形 式表示，从而清楚地反映c 、s 、n a 、k 、c 1 、c a 等各种元素在混凝十= 碳化时的存在和迁移 6 束鼾 掌硕- a ：孚谴沦文 行为。e p m a 法适用于截面尺寸小于5 c m 的样品；试样表面浸渍树脂研磨时，测定的碳含 量包括树脂中的碳兀素，应予考虑 2 2 】。 1 2 4 碳化深度的预测模型 ( 1 ) 己建碳化模型 近3 0 多年来，国内外学者已经提出了很多种碳化预测模型。这些模型基本上可以归纳 为三种类型： 1 ) 基于扩散理论建立的理论模型： 2 ) 基于碳化试验( 快速碳化试验、长期暴露试验及实际结构碳化调查) 的经验模型； 3 ) 基于扩散理论与试验结果的复合碳化模型。 目前公认的混凝土碳化深度的预测公式如式( 1 - 6 ) ： d = q t l 7 2( 式1 - 6 ) 式中：d 为碳化深度；a 为混凝土的渗透系数；t 为预测的时间。 但是也有很多研究者对此预测公式提出了异议，认为在混凝土碳化深度的预测公式里， 应该是以一个碳化指数来代替1 2 ，即： d ：a t l( 式1 - 7 ) 式中： 为碳化指数：其它与式( 1 - 6 ) 相同。 碳化指数 的大小对深度和时间预测的影响是很大的，同一时间下，深度预测差幅很大， 得出的耐久性寿命也有很大的差别，所以，需准确确定碳化指数x 的大小。 ( 2 ) 基于碳化机理的实用碳化模型【1 l 张誉等人在p a p a d a k i s 碳化机理基础上，推导得到碳化深度预测的实用模型。实用碳化 模型是基于以下3 个假定而建立起来的。 a 二氧化碳在混凝土中的扩散服从f i c k 第一定律如公式( i 一8 ) ： n c o ：d e c 堕掣 ( 式1 - 8 ) a x 。 式中：，c 0 2 的扩散速度， n 。- - c 0 2 在已碳化混凝，h 孔隙中的有效扩散系数， 【c 0 2 】- - c 0 2 的摩尔浓度， x 一混凝斗：的碳化深度。 b 认为c 0 2 浓度在混凝上孔隙中呈直线下降，在混凝上表面的浓度为环境浓度，在碳 化最前沿为0 ； c 忽略部分碳化区内混凝上的碳化影响，即假定存在一个碳化界面，界面两侧物质的 7 i 南 孚顽士掌位论文 浓度为常量，根据以上假定，在疵时间内由孔隙扩散进入混凝十内部的c 0 2 ，会被d x 长 度范围内混凝土中的可碳化物质所吸收，即为公式( i - 9 ) ： m o 出。= n c o ，击 ( 式1 - 9 ) 由式( 1 8 ) 和假定b ，可将式( 1 - 9 ) 写成公式( 1 - 1 0 ) ： m 0 d x 。：d e c c 0 2 od t ( 式1 1 0 ) 工c 对两边积分，可得混凝土碳化的理论数学模型如公式( i - 1 1 ) ： j c = 式中：【c o ! 】o 一混凝上所处的环境中c 0 2 浓度； 卜碳化时间。 对于m o 、见。确定，经计+ 算及推导得到： 2 8 0 3 c ，c 为水泥用量 d 。8 x 1 0 ( w c 一0 3 4 ) ( 1 一e h ) 2 2 。w 为单位用水量：兄h 为环境湿度。 根据气体状态方程，把c 0 2 摩尔浓度【c 0 j o 换算成体积浓度，即可得碳化深度实用 计算模犁如公式( 1 1 2 ) ： x 。= 8 3 9 ( 1 一e a t )w c - o 3 4 n o 以 ，c 1 3 混凝土耐久性预测方法的研究现状 对混凝士结构而言，有种种原i 大j 可造成使用寿命的终结，例如：冈材料劣化导致承载力 降低而不能满足安全要求；因氯离子渗透到铡筋表面且其浓度超过一定值使钢筋锈蚀的危险 性达到难以控制的地步：凶继续进行维修的费用过人达到难以承受的程度：因外观陈i h 达到 不能接受的程度；凼用途改变而原有建筑不能满足要求等。英国的s o m e r v i l l e 口”从使用寿命 终结的角度出发，将使用寿命分成三类，技术性使用寿命、功能性使用寿命和经济性使用寿 命。人们所说的使用寿命基本上是指结构的技术性使用寿命。目前，在混凝上结构耐久性评 估中。主要有以下几种寿命准则。 8 东南大掌硕葶位沦文 1 3 1 碳化寿命准则 碳化寿命准则例是以保护层混凝土碳化，从而失去对钢筋的保护作用，使钢筋开始产生 锈蚀的时间作为混凝土结构的寿命。影响钢筋开始锈蚀的主要因素是混凝土本身的质量( 如 密实度) 、混凝土保护层厚度、混凝土碳化深度及所处环境，而这些因素都具有一定的随机 性。因此，以钢筋开始锈蚀为标志的寿命准则为随机碳化寿命准则，可表示为公式( 1 1 3 ) ： q 。= c 一工。一彳o ) o 式中：c 一混凝土保护层厚度，随机变量； 而一碳化残量，是强度、环境湿度及保护层厚度的函数，随机变量 工( f ) 一混凝土碳化深度，随机过程； q ，一混凝土碳化寿命准则，随机过程。 采用碳化寿命准则，主要是考虑到钢筋一旦开始锈蚀，不大的锈蚀量、不长的时间就足 以使混凝土开裂，而开裂后锈蚀受到很多随机因素的影响，很难做出定量的估计。这一准则 比较适合不允许钢筋锈蚀的钢筋混凝土构件( 如预应力构件) ，但对于大多数混凝土结构来 说，以钢筋开始锈蚀作为结构使用寿命终止的标志。当然也有实际工程调查表明，有些使用 了二三十年的构件，碳化深度已达到甚至超过钢筋表面，而钢筋尚未发生锈蚀。 1 3 2 锈胀开裂寿命准则 锈胀开裂寿命2 埋论是以混凝土表面出现沿筋的锈胀裂缝所需时间作为结构使用寿命。 这一准则提出了基于钢筋锈蚀的结构构件使用寿命两阶段预测模型。结构构什使用寿命 t = f ，+ 乙，其中f ，为混凝土保护层完全碳化、钢筋脱钝开始锈蚀时间；乙为园钢筋锈蚀发 展导致结构构件达到耐久性极限状态的时间。混凝士结构的锈胀开裂寿命准则町以表示为公 式( 1 1 4 ) ： q 。= 磙一坑1 ( f ) 0 ( 式i - 1 4 ) 但试验表明，在一般情况下，保护层开裂所需要的锈蚀失重率只有o 5 1 9 。对于有 装修、观感要求的结构构件，采用混凝土开裂寿命准则比较恰当。 1 3 3 裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则2 由于锈胀开裂的标准很难定屋，也比较保守。人们又提出了裂缝宽度与钢筋锈蚀量控制 的寿命准则，即认为锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀量达到某一界限值时寿命终止。如有人提出以 保护层出现0 1 5 0 2 5 r a m 裂缝宽度或钢筋截面损失率达到l 作为耐久性极限状态的标志。 9 禾* 革硕士掌沧支 但对工业厂房或一般民用建筑，采用以上准则仍然偏严。对于一般混凝士构件，以受力 破坏为判断寿命终结的标准更为合理一些。 1 3 4 承载力寿命准则 承载力寿命口j 理论是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化，以构件的承载力降低到某一界限 值作为耐久性极限状态。也即将由于承载力降低不能承受结构的作用作为结构寿命终结的标 志。承载力寿命准则可以表示为公式(