基于数值模拟的混凝土碳化环境影响因素研究
2017-01-10孟卫涛
□孟卫涛
基于数值模拟的混凝土碳化环境影响因素研究
□孟卫涛
混凝土碳化是影响混凝土建筑物结构稳定性和耐久性的不利因素之一，混凝土碳化反应是CO2在混凝土建筑物结构中扩散的结果。对比碳化反应中CO2在混凝土中扩散与热传导中热量传递的相似性，利用有限元分析软件ANSYS，对不同环境因素下的混凝土碳化进行数值模拟，分析环境温度、湿度和CO2浓度对混凝土碳化的影响。
碳化；数值模拟；水闸
混凝土碳化是一个复杂的多相物理化学过程，具体为水泥中的水化物与周围环境中的酸性物质反应生成碳酸盐，而使混凝土趋于中性化的现象。碳化混凝土的内部孔结构产生显著变化，使混凝土抗压强度明显提高，抗拉强度和混凝土与钢筋的粘结性能则显著降低。
1.混凝土碳化过程
取混凝土结构碳化部分内一微元体进行碳化分析，设微元体各边长分别为dx、dy、dz，则根据碳元素质量守恒定律，CO2通过微元体的碳化过程可表示为：
式中C、Cin、Cout和Cr分别表示微元体内CO2含量、进入、流出和碳化反应消耗的CO2含量。
考虑混凝土是各向同性的均质体，CO2在混凝土介质的扩散也是各向同性的，混凝土碳化的微分方程可表示为：
式中P、t、D分别为混凝土内的CO2浓度，碳化反应时间和扩散系数；▽为拉普拉斯算子。
2.碳化与热传导过程相似性
瞬态热分析中温度场变量微分方程：
在热传导问题中，热量从一个系统传到另一个系统或者由系统的一部分传到另一部分，而混凝土的碳化过程则可看成是CO2由环境中进入到混凝土中扩散的过程。混凝土碳化控过程与热传导过程在形式上基本相同，控制方程也类似，只是两者的物理量不同。将CO2浓度与温度，CO2含量与物体热量一一对应，当存在温度差时，热量将沿温度梯度传递，同理，当两个介质之间CO2存在浓度差时，CO2会浓度梯度扩散。类比方程（2）和方程（3），令：
则混凝土的碳化问题就可以转变为热传导问题而利用通用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟分析。
3.水闸碳化过程数值模拟分析
水闸是水利工程中常见的结构型式，本文以引黄入冀补淀工程某水闸为研究对象，对混凝土碳化过程进行数值模拟分析。引黄入冀补淀工程是在兼顾河南、河北两省沿线地区农业用水前提下，为白洋淀提供生态补水的大型引调水工程。
在模型建立过程中，假定水闸结构和环境介质在长度方向上均匀分布；CO2在结构中的扩散各向同性，且CO2浓度不随大气流动而变化。
按照ANSYS热分析，微分单元需反映结构中CO2浓度变化，ANSYS常用单元PLANE55四节点四边形单元的每个节点上都只有一个自由度温度。结合快速碳化实验，可得到混凝土碳化深度和碳化锋面的CO2浓度拟合关系式：
4.环境因素影响分析
4.1 温度影响分析
设定环境浓度为0.18kg/m3，湿度为75%不变，并且不考虑混凝土结构受力状态，对温度为-5℃，0℃，10℃，20℃，25℃和30℃，水闸迎水面混凝土碳化锋面浓度值分别为0.00112，0.00135，0.00172，0.00217，0.00253和0.00324kg/ m3。
4.2 湿度影响分析
设定环境浓度为0.18kg/m3，温度为20℃不变，并且不考虑混凝土结构受力状态，湿度40%，50%，60%，70%，80%和90%情况下，水闸迎水面混凝土碳化锋面的CO2浓度值分别为0.00109，0.00117，0.00124，0.00091，0.00064和0.00026kg/m3。
4.3 CO2浓度影响分析
设定环境湿度为75%，温度为20℃不变，并且不考虑混凝土结构受力状态，对浓度为0.016，0.08，0.18，0.25和0.32，水闸迎水面混凝土碳化锋面CO2浓度值分别为0.00012，0.00046，0.00075，0.00097和0.00126kg/m3。
由拟合关系式知，混凝土碳化锋面CO2浓度与碳化深度呈正相关关系，将CO2浓度值代入拟合关系式，温度在30℃时水闸迎水面混凝土的碳化深度为17.5mm，温度高低对混凝土碳化深度的影响不会对钢筋混凝土保护层的破坏产生本质影响；当湿度小于60%时，混凝土碳化深度逐渐增大，当湿度大于60%时，混凝土碳化深度逐渐降低；CO2浓度值的变化对混凝土结构碳化锋面CO2浓度值的影响不大，实际环境中CO2浓度变化更加微小，环境CO2浓度对混凝土碳化深度的影响不大。
5.结语
根据混凝土碳化反应过程机理，利用ANSYS热分析处理模块对水闸迎水面混凝土的碳化过程进行仿真模拟，并对温度、湿度和CO2浓度等影响混凝土碳化反应速率的因素进行了敏感性分析。对提高新建水工建筑物混凝土的老化和耐久性研究有一定的指导意义。对水工建筑物在复杂多变的自然环境和应力状态下的混凝土碳化过程仍有待于进一步研究。□
2016-05-06
孟卫涛，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院。
