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混凝土碳化本構(gòu)關(guān)系與碳化深度數(shù)學(xué)模型論文
1前言
我國開展混凝土耐久性的研究較早，七五期間，我國就開展了混凝土耐久性的系統(tǒng)研究，取得了一定成果。九五期間，我國開展了混凝土耐久性廣泛的研究，在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2001修編時，引入了相關(guān)的章節(jié)。十一五期間，是我國混凝土耐久性研究成果最多的時期，修編出版了《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準》GB/T50082-2009,編制了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476-2008,《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準》CECS220-2007《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準》JGJ/T 193-2009 。
混凝土碳化破壞的影響因素較多，我國混凝土耐久性規(guī)范對混凝土均采用“雙控”的要求，控制最低混凝土強度等級，控制最大水膠比和最小水泥用量，顯然混凝土的抗碳化能力是碳化破壞的主要因素。混凝土的碳化系數(shù)是反映其抗碳化能力的主要指標(biāo)，混凝土的碳化系數(shù)與硬化混凝土的力學(xué)指標(biāo)立方體抗壓強度幾。有密切關(guān)系，德國在1967年提出的Smolezyk模型，是較早描述這一關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，由于硬化混凝土的碳化系數(shù)與混凝土的強度相關(guān)性很好，建立塑性混凝土的主要指標(biāo)孔隙比、水泥用量與強度的關(guān)系，就可建立與碳化系數(shù)的關(guān)系，筆者根據(jù)國內(nèi)奈系混凝土的使用情況研究了混凝土強度與混凝土碳化系數(shù)的關(guān)系，本文對在一研究的情況做一介紹，希望能達到“拋磚引玉”的作用。
2混凝土碳化的本構(gòu)關(guān)系
2.1混凝土的孔結(jié)構(gòu)和微觀裂縫
混凝土的強度、滲透性和抗碳化性能取決于混凝土的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)可分為凝膠孔和毛細孔。凝膠孔對混凝土無害，而毛細孔的最可兒孔徑(出現(xiàn)幾率最大的孔徑)分布對混凝土的強度和抗?jié)B性有比較大的影響，混凝土內(nèi)部連通的孔隙和毛細孔通道，則是造成抗?jié)B性降低的主要原因。
混凝土毛細孔則因水膠比和水化程度的差異，孔徑變化較大，可分為少害孔、有害孔和多害孔。混凝土凝結(jié)時，隨水膠比減小時，混凝土的總孔隙率減小，膠凝孔含量增多，毛細孔則減少。
減水劑是提高混凝土的抗碳化能力的最主要的因素，水膠比不同，水泥水化的晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、微觀裂縫及水化程度均發(fā)生明顯差異。當(dāng)水膠比小于0.5時，隨水膠比的變化混凝土的最可兒孔徑分布明顯向少害孔移動，毛細孔迅速減少，混凝土的滲透性也迅速減小。當(dāng)水膠比大于0.5后，混凝土的抗?jié)B性能迅速降低。混凝土的水膠比也影響著漿料與骨料的邊界厚度，當(dāng)水膠比為0.6時，漿料與骨料的邊界厚度約為3 0um，容易形成粗大晶體和較多大孔，較大水膠比混凝土的多余水分蒸發(fā)和泌水是造成混凝土內(nèi)部孔隙連通和產(chǎn)生毛細孔的重要原因。當(dāng)水膠比為0.4時，漿料與骨料的邊界厚度猛降到5um，形成較小的晶體和較少的大孔，使混凝土的抗碳化能力提高。當(dāng)水膠比大于0.42時，水泥的水化程度達到100%.
水泥水化時水化熱的降溫梯度是在塑性混凝土中產(chǎn)生微觀裂縫的主要原因。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的試驗結(jié)果分析，當(dāng)混凝土的水膠比小于0.36時，混凝土的早期白收縮會異常加大，在約束條件下混凝土的微觀裂縫會增多，其抗?jié)B能力和抗碳化性能也相對降低。1994年，美國PKMehta提出了混凝土耐久性綜合破壞模型。
2.2國內(nèi)減水劑的使用情況
筆者按國內(nèi)減水劑的使用情況將“普通混凝土”劃為三代，以便對混凝土的碳化本構(gòu)關(guān)系進行描述，也有助于試驗數(shù)據(jù)的收集整理和分類統(tǒng)計，以下簡稱為“第一代混凝土”，“第二代混凝土”，“第三代混凝土”。
第一代混凝土:約1990年前，木鈣類減水劑(不摻或少摻)水灰比在0.50.6，一般沒有摻合料，一般為30-5Omm，水調(diào)整，非泵送，水用量大，耐久性一般。第二代混凝土:約1990年后，奈系類減水劑，減水性能好，水膠比可控制在0.45左右，摻合料為粉煤灰(摻或不摻)，坍落度在180mm左右，泵送，大量減少水用量，耐久性較好。第三代混凝土:約2000年后，聚梭酸類減水劑(主要用于中高強高性能混凝土)，水膠比可控制在0.4左右，摻合料為粉煤灰、磨細礦粉、硅粉，坍落度在180mm左右，泵送，減水性能更好，水用量更少，耐久性更好。近年來聚梭酸類減水劑也用于中低強度混凝土。
2001年為研究混凝土的早期開裂原因，中國建筑科學(xué)研究院組織國內(nèi)14個研究單位開展了相關(guān)研究，并對國內(nèi)奈系混凝土的使用情況進行了調(diào)查。
表格中，筆者增加了一個混凝土“漿體積比”的統(tǒng)計參數(shù)，此概念由普通混凝土配合比試驗時“控制漿骨體積比”的概念轉(zhuǎn)換而來，一般要求塑性混凝土的漿骨體積比為0.35:0.65以下，水泥漿體積比控制在0.270.35，相同強度等級的混凝土漿體積比提高一些，混凝土的早期強度高一些，但混凝土28d的強度相應(yīng)低一些。漿骨體積比小于0.27的混凝土則為干硬性混凝土，澆筑時采用平板振搗器或碾壓成型。漿骨體積比大于0.35的高強混凝土，由于采用高活性的硅灰等摻合料，混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布、水化熱和水化過程已與普通混凝土不同，其抗?jié)B性能和抗碳化性能總體較高。
3“胡蘇模型”的建立與驗證
在筆者收集的十八種混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型中，同濟大學(xué)的“張譽模型”是基于Fick第一定律最好的數(shù)學(xué)解析模型，但其不適用于“低濕度”條件。在分析“張譽模型”的這個間題時，發(fā)現(xiàn)是在引用希臘學(xué)者Papadakisde有效擴散系數(shù)時造成的。
張海燕模型提供了不同濕度條件下的快速碳化濕度模型，當(dāng)濕度從40%增大到80%時，碳化深度逐步減小，但筆者認為該濕度模型也不準確，CECS220:2007提供了一個偏峰的最大二乘法模型，其最大峰值對應(yīng)的濕度為60%，牛荻濤濕度模型的最大峰值對應(yīng)的濕度為50% 。 Papadakisde的試驗結(jié)果表明，相同條件下，濕度45%, 55%的碳化深度比濕度35%, 70%的碳化深度大3-4mm，這符合濕度對混凝土碳化影響的本構(gòu)關(guān)系，即濕度為0%時沒有電解液，不會發(fā)生碳化化學(xué)反應(yīng)，濕度為100%時，CO2氣體基本無法滲入，碳化化學(xué)反應(yīng)極慢。
在對比幾種濕度模型的關(guān)系后，筆者采用“略偏峰的微瘦的”一元二次方程濕度模型對“張譽模型”簡單修改，很輕易的解決了“張譽模型”不適用于“低濕度”條件的間題。
筆者將這一混凝土碳化數(shù)學(xué)模型稱為“胡蘇配合比模型”。與Papadakis的試驗結(jié)果的誤差其絕對誤差為1.1 mm，相對誤差小于5%，驗算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。
Papadakis的碳化試驗是在試塊90d水養(yǎng)護條件下進行的，混凝土的水化程度高，避免了混凝土早期復(fù)雜反應(yīng)的過程帶來的誤差，即使5d的碳化也能反映混凝土的碳化本構(gòu)關(guān)系。因此，筆者建議:(1)碳化試驗應(yīng)在混凝土“水養(yǎng)護”90d充分水化進行，(2)現(xiàn)在的快速碳化試驗箱應(yīng)加裝“白動濕度調(diào)控儀器系統(tǒng)”，用不同濕度的快速碳化試驗結(jié)果建立更好。的碳化濕度模型，(3)碳化試驗采用40%-60%的C02體積濃度，碳化時間為的試驗時間進行。建議快速碳化試驗開展這一方面的研究
4結(jié)論與建議
1.混凝土碳化的影響因素較多，有外部因素和內(nèi)部因素。混凝土的碳化速率取決于混凝土的孔隙結(jié)果和微觀裂縫，其碳化速度是由孔隙中二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)和和微觀裂縫的滲透性綜合決定的。
2.本文提出的“胡蘇模型”有一定的實用價值，尚需進一步的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和工程驗證。碳化深度的數(shù)學(xué)模型建立時，外因應(yīng)以濕度為第一白變量，內(nèi)因應(yīng)以水膠比為第一白變量，混凝土碳化深度數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用多參數(shù)的綜合模型。
3.現(xiàn)有的快速碳化試驗方法與現(xiàn)代混凝土的本構(gòu)關(guān)系不適應(yīng)，建議快速碳化試驗在膠凝材料充分水化后、在混凝土試塊標(biāo)養(yǎng)90d后進行，快速碳化試驗應(yīng)設(shè)置精確的“濕度白動調(diào)控系統(tǒng)”，濕度控制由70%降到最不利濕度50%左右。在快速碳化試驗時，應(yīng)“增加一組”同條件立方體試塊在快速碳化試驗結(jié)束后進行混凝土抗壓強度試驗，以便檢查快速碳化試驗的碳化系數(shù)變化和誤差情況。
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