混凝土中性化研究进展★

刘勇　罗克嵩　谢爱丽　黄滢

（江西科技师范大学建筑工程学院，江西南昌　330000）



·建筑材料及应用·

混凝土中性化研究进展★

刘勇罗克嵩谢爱丽黄滢

（江西科技师范大学建筑工程学院，江西南昌330000）

摘要：介绍了酸与硫酸盐对混凝土的侵蚀过程，从侵蚀强度、酸化深度、弹性模量等方面，建立了混凝土侵蚀模型，阐述了混凝土中性化的研究进展，提出了一些改良混凝土实验方法与完善数值模拟的建议。

关键词：混凝土，酸雨，侵蚀强度，数值模拟

根据中国气象数据平台统计的数据显示，近十年，全国同类酸雨城市、较重酸雨城市、重酸雨城市的比例总体在不断下降，仅2005年—2011年，分别降低5. 5%，8. 1%和6. 7%，其中浙江、上海全境的酸雨频率在25%以上，江西、福建有80%地区的酸雨在25%以上；但在总体趋势下降的情况下，重庆、上海、福建的酸雨频率升幅在10%以上［1］。

酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东的120万km2。对混凝土受到的化学（酸雨）腐蚀、物理荷载等中性化的研究也是在这样的环境下产生的，研究混凝土中性化对预判混凝土寿命，对做好安全防护措施有较大意义；从研究模拟方法到实验验证的过程，许多的线性数理模型概念、实验技术手段都得到了应用，本文主要就是介绍过程中出现不同的概念和技术［2］。

1　混凝土侵蚀

混凝土是碱性材料，由于内部水分很少，所以水泥水化产生的Ca（OH）2浓度很高，pH值（约13）很大。工业废气、汽车尾气等有大量CO2，SO2和氮氧化物，这些气体溶入大气并与水发生液相氧化反应，最后形成酸雨；酸雨的主要成分中，阴离子有，， F-，Cl-，阳离子有，Mg2 +，Ca2 +，Na+，K+等。王昌永的结果表明，反应产物均分别以溶解型化学腐蚀和膨胀型化学腐蚀这两种方式对混凝土产生破坏作用［3］。

空气中有大量的CO2气体，它会渗透进混凝土的孔隙与毛细管中，进而扩散于毛细管中的液体，与水泥的水化产物Ca（OH）2等相互作用，达到酸化混凝土的效果，碳化作用的快慢主要取决于CO2的扩散速度。CO2继续深入后与钢筋反应，产物的体积变大，使钢筋混凝土破坏过程为Fe→FeO→Fe3O4→Fe2O3→Fe（OH）2→Fe（OH）3→Fe（OH）3·3H2O。碳化过程可由下列反应式表示：

1.1酸侵蚀

CO2与SO2等酸性气体溶于水形成酸性液，酸性液与混凝土成分反应生成易溶于水的物质，对混凝土造成逐层破坏；酸同时破坏孔隙结构的凝胶体，降低混凝土的强度［4］。酸腐蚀过程可由下列反应式表示：

1.2硫酸盐侵蚀

硫酸盐腐蚀是使混凝土发生膨胀，即膨胀性腐蚀。硫酸盐腐蚀分为钙矾石型腐蚀、石膏型腐蚀和结晶型腐蚀［5］。腐蚀过程可由下列反应式表示：

2　模型研究

侵蚀模型在得到化学、物理机理后建立，包括侵蚀强度、酸化深度、弹性模量等。

国内方面，周飞鹏提出用量纲分析原理，原理中的π原理提到混凝土的强度和侵蚀时间、酸化深度、SO2 -4浓度、H+浓度之间的关系。建立侵蚀强度模型，假定侵蚀后混凝土的强度（F，量纲：Pa）和初始强度（f，量纲：Pa）、酸化深度（X，量纲：mm）、时间（t，量纲：d）、SO2 -4浓度（S，量纲：mol/L）、H+浓度（H，量纲：mol/L）因素关联，量纲分析采用MKS制，主定参量六个，导出参量三个。主定参量六个中最大有三个线性无关，另外三个可以表示成它们的线性组合，关系式如下：

依据π定理得矩阵形式，解得后可以得强度损失率和各因素间的关系：

由π定理得：

再用同样的方法建立酸化深度模型，假定酸化深度（X，量纲：mm）和初始强度（f，量纲：Pa）、H+浓度（H，量纲：mol/L）、时间（t，量纲：d）、SO2 -4浓度（S，量纲：mol/L）因素关联，得关系式如下：

张英姿应用复合材料细观损伤力学弹性模量模型，通过实验室加速侵蚀实验验证模型与实验数据相近，得侵蚀后混凝土弹性模量（E）关系式为［6］：

式中：C1——混凝土内孔洞的体积含量；

E0——侵蚀前材料弹性模量；

v0——泊松比。

陈梦成通过球压痕法测试不同pH值模拟酸雨中的水泥砂浆应力—应变曲线，得水泥砂浆表面弹性模量EC关系式如下［7］：

式中：vm——水泥砂浆泊松比，取0. 15；

a——球压痕半径；

F——试验加载荷载；

R——轴承钢球（压头）半径；

vq——轴承钢球（压头）泊松比；

Eq——轴承钢球（压头）弹性模量。

曹双寅提出强度损失数学模型，假定1，受侵蚀的混凝土强度损失率（Rd/R）与侵蚀持续时间成正比；假定2，在侵蚀介质浓度不高时，受侵蚀混凝土的强度损失率与侵蚀介质的浓度成正比，则可得受侵蚀混凝土的强度损失模型为［8］：

式中：Rd——混凝土的强度损失；

R——未侵蚀混凝土的强度；

C——侵蚀介质的浓度；

T——侵蚀的持续时间；

T0——混凝土强度开始降低的时间；

Kd——介质对混凝土的蚀强率系数，通过实验结果回归，假定1与2均成立。

彭建新在Fick第二扩散定律的基础上，综合渗透系数、侵蚀时间、浓度和湿度、侵蚀浓度等因素，应用随机微分方程理论建立随机模型，建立Cl-侵蚀模型［9］。可表示为：

式中：C——氯离子浓度；t为结构暴露与氯离子环境中的时间；

x——侵蚀的深度；

D——氯离子在混凝土中的扩散系数；

C0——初始浓度；

Cs——表面浓度。

国外方面，V. Pavlik提出侵蚀深度与腐蚀浓度间的经验公式，通过受酸雨侵蚀的混凝土的实验结果进行线性回归分析所得［10］，可表示为：

式中：c——侵蚀溶液的浓度，mol/L；

t——侵蚀时间，d；

d——混凝土受侵蚀深度，mm；

由侵蚀溶液组成、混凝土水灰比和养护条件综合确定经验系数k，m，n。

人们提出FicK扩散定律为回归分析的侵蚀模型提供充足的理论基础：

其中，（A + BW/C）为水灰比修正系数，其他同上。

Zivica Vladimir提出侵蚀度（CD）的概念，表述侵蚀的速率［11］，可表示为：

式中：η0——侵蚀溶液的浓度系数，η0= C/（ac+ bcC）；

C——侵蚀溶液的浓度；

ac，bc——与侵蚀条件有关的系数；

ηt——侵蚀溶液的系数，ηt= t/（ac+ bct）；

t——构件酸性侵蚀时间，d；

ηth——侵蚀溶液的侵蚀深度系数，ηth= a + bx + cx2；

x——酸性溶液的侵蚀深度，mm；

a，b，c——与侵蚀条件有关的系数。

岸谷孝一提出水灰比的经验模型［12］：

式中：W/C——水灰比；

rc——水泥品种影响系数；

ra——骨料品牌影响系数；

rs——混凝土掺加剂影响系数。

3　数值模拟

数值模拟的本质就是用计算机进行实验，利用计算机稳定快速的特性。模拟过程一般分为三个方面，首先要建立能够解决问题的数学模型，把各影响变量间的关联用微分方程表示，设定定解条件；其次要寻求高效率、高准确度的计算方法；最后编制程序进行计算，据实践的反映，这是整个工作的主体。上述操作得到大量数据通过图像显示，完成图像模拟工作。该方法的优点是能揭示许多实验无法观测的现象，解释其破坏和强度变化机理。

王路平通过参数转化，APDL编程，采用以有限元方法为基础的ANSYS热分析模块，对CO2扩散系数和碳化反应速率分析，可实现混凝土结构碳化过程数值模拟，分析过程中加入混凝土所处的温度、湿度和CO2浓度等环境因素的影响［13］；刘振平基于钢筋混凝土矩形梁和预应力混凝土T形梁、ANSYS预应力混凝土做数值模拟，得出混凝土采用非线性弹性模型，混凝土压碎开关关闭，钢筋采用弹塑性模型，效果好精度高［14］；张德海建立梁—颗粒数值模型，对混凝土在单轴压缩和拉伸载荷作用时微裂纹的萌生、扩展、贯通、产生宏观裂纹进行数值模拟，结论给出最大拉应力分布状况、混凝土拉伸应力—应变曲线和三点弯曲载荷—位移曲线［15］。

4　结语

对混凝土的中性化过程，是在一个单位时间内碳化、酸侵蚀对混凝土的重叠破坏作用，使混凝土有一个中性化的深度；随着时间的变化，材料被中性化的深度在不断的加深，最终使得钢混结构失稳。人们现在多从碳化与酸蚀等因素通过一个耦合机制，将碳化与酸蚀结合在一个关联公式内，从而对混凝土的性能变化有一个更精确的预算。

参考文献：

［1］解淑艳. 2005年—2011年全国酸雨状况分析［J］.环境监控与预警，2012，4（5）：33-37.

［2］赵艳霞. 1993年—2006年中国区域酸雨变化特征及成因分析［J］.气象学报，2008，66（6）：1032-1042.

［3］王凯.混凝土酸雨侵蚀研究进展［J］.硅酸盐通报，2014，33（9）：2264-2268.

［4］牛荻涛.承载混凝土酸雨侵蚀中性化试验研究［J］.硅酸盐通报，2009，28（3）：411-415.

［5］周飞鹏.混凝土的酸雨腐蚀模型研究［D］.大连：大连理工大学，2005：8-11，14-17.

［6］张英姿.模拟酸雨环境下混凝土抗拉性能试验研究［J］.建筑材料学报，2012，15（6）：857-862.

［7］陈梦成.江西省酸雨特征分析及预测模型［J］.环境科学与技术，2014，37（10）：167-170.

［8］曹双寅.受腐蚀混凝土的力学性能［J］.东南大学学报，1991，21（6）：89-95.

［9］彭建新.氯盐侵蚀下钢筋混凝土氯离子扩散系数试验及其概率分析［J］.中国公路学报，2014，27（6）：77-83.

［10］V. Pavlik. Effect of carbonates on the corrosion rate of cement mortars in nitric acid［J］. Cement and Concrete Research，2000，33（3）：481-489.

［11］Zivica Vladimir. Acidic attack of cement based materials-Areview. Part3：Research and test methods［J］. Construction and Building Materials，2004，18（9）：683-688.

［12］岸谷孝一.钢筋混凝土建筑物中钢筋的腐蚀问题［J］.水利水运科学情报，1975（z1）：183-203.

［13］王路平.温湿度条件耦合作用下的混凝土结构碳化数值分析［J］.中国西部科技，2011，10（2）：17-24.

［14］刘振平.基于ANSYS的预应力混凝土梁的非线性分析［J］.湖南交通科技，2007，33（4）：56-61.

［15］张德海.混凝土破坏过程的数值模拟［J］.东北大学学报

（自然科学版），2004，25（2）：175-178.

Research progress of concrete neutralization★

Liu Yong Luo Kesong Xie Aili Huang Ying
（College of Building Engineering，Jiangxi Normal University of Science & Technology，Nanchang 330000，China）

Abstract：The paper introduces the erosion process of acid and sulfates upon concrete，establishes concrete erosion model from aspects of erosion strength，acidizing and elastic modulus，describes concrete neutralization research progress，and finally puts forward some suggestions of improving concrete testing methods and perfecting numerical simulation.

Key words：concrete，acid rain，erosion strength，numerical simulation

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0112-03

收稿日期：2016-01-16★：江西科技师范大学大学生创业、科研基金项目（项目编号：20150903006）；江西科技师范大学校级科研项目（项目编号：300098010502）

作者简介：刘勇（1994-），男，在读本科生；罗克嵩（1994-），男，在读本科生；谢爱丽（1993-），女，在读本科生；黄滢（1978-），女，讲师，国家一级注册结构工程师