水泥基材料热湿碳化耦合模型数值分析及试验研究

2020-03-12金南国金贤玉周启慧

建筑材料学报 2020年1期

李蓓，金南国，田野，金贤玉，周启慧

(1.浙江大学建筑工程学院, 浙江杭州 310058； 2.浙江水利水电学院建筑工程学院, 浙江杭州 310018)

抗碳化性能是水泥基材料耐久性方面的主要性能之一.碳化过程中水泥基材料内部温度、湿度、孔隙、可碳化物质会发生相应的物理化学变化以及相互作用.定量化表征水泥基材料的热-湿-碳化耦合作用规律，对全面理解水泥基材料的抗碳化性能，预测碳化深度，具有十分重要的意义.

混凝土碳化反应是典型的多孔介质多场耦合问题，目前通过多孔介质理论来分析混凝土碳化问题的研究较少.Peter等[1]基于经典的唯象理论建立了碳化过程中主要变量的平衡方程组，但没有涉及变量之间的相互反应，也没有考虑温湿度对碳化过程的影响.Barya等[2]基于多孔介质理论建立了湿度- 二氧化碳-钙离子全耦合的理论模型，他以单一气态二氧化碳为主要变量，忽略了二氧化碳溶于水与钙离子反应的过程.Maekawa等[3]通过水化模型研究了混凝土在各种环境下的内部孔隙结构变化，针对碳化过程建立了碳化平衡方程，对其中各种变量的扩散过程做了较精确的分析，但缺少耦合过程的分析.

本研究基于多孔介质理论，建立了水泥基材料热- 湿-碳化耦合模型.本模型考虑水泥基材料中气、液、固各相物质之间的转换，并引入碳化产物体积膨胀导致的孔隙结构变化以及温湿度与碳化之间的相互影响，建立了满足质量、化学、能量守恒和多孔介质理论的水泥基材料碳化控制方程组，求解了多场耦合作用下水泥基材料的碳化问题，并通过试验进行了验证.

1 理论分析

1.1 控制方程

多孔介质多场耦合理论为碳化过程中各种变量的变化及其相互影响的研究创造了条件，热-湿-碳化耦合理论可较为细致地考虑碳化中的化学反应带来的传热传质过程.基于水泥基材料碳化过程中存在的局部平衡[4]条件，控制干空气、液态水及蒸气水的质量守恒关系、气、液相二氧化碳和钙离子质量和能量守恒关系，得到5个平衡方程：水分质量平衡方程、干空气质量平衡方程、二氧化碳气体质量平衡方程、钙离子质量平衡方程和热量平衡方程.分别如下：

水分质量平衡方程：

(1)

干空气质量平衡方程：

(2)

式中：ρga为干空气密度；Jga为干空气的扩散通量.

二氧化碳气体质量平衡方程：

(3)

钙离子质量平衡方程：

(4)

热量平衡方程：

(5)

1.2 模型参数

水泥基材料中碳化由氢氧化钙(CH)和CSH凝胶两部分碳化组成.碳化的反应速率可以用下式表达:

(6)

由此可以得到碳化反应的各源项的表达式：

(7)

(8)

(9)

式中：MCaCO3、MH2O和MCa分别为CaCO3、H2O和Ca的摩尔质量。

1.3 数值模拟过程

采用COMSOL多场耦合数值模拟软件，软件提供交互式操作界面，具体操作步骤如下：(1)选择分析模块.本文数值模拟时分别选取了5个系数型偏微分方程模块，模拟控制方程中的5个平衡方程；(2)几何建模.建立二维几何模型，划分网格，其中靠近上表面的区域采用边界层处理细化网格；(3)参数设置.设定方程中的各种参数常量及变量表达式；(4)定义边界条件.水分质量和能量平衡方程边界采用Robin边界条件[6]，干空气和CO2气体平衡方程边界采用Dirichlet边界条件，溶解态钙离子平衡方程采用Neumann边界条件[7]，最后进行数值求解.

2 试验研究

2.1 试验原材料及配合比

本文采用湖北华新水泥厂生产的P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，碱含量(1)文中涉及的含量、水灰比等除特别说明外，均为质量分数或质量比.(以Na2O+0.658K2O计)不大于0.60%,细度为350m2/kg，制备水灰比分别为0.47、0.52、0.57的水泥净浆试件JP 0.47、JP 0.52、 JP 0.57.将参数带入文献[8-9]的水化模型，得到28d时水泥净浆试件的孔隙率、饱和度和可碳化物质的含量，如表1 所示.从表1可知，随着水灰比的增大，28d时水泥净浆试件的水化度较高，CH与CSH含量增大.

表1 水化模型得到的28d时净浆的孔隙率、饱和度、CH和CSH含量

2.2 试验方法

试验过程选择碳酸钙定量分析法[10]进行研究.采用DRB-C1型精密混凝土碳化测量仪，该设备含有精密数显表、传感器、双连密封塞、反应瓶、试剂瓶及塑料保护盒.

试件的成型及养护按照规范GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行.试件每3块1组，3个配合比，考虑试件尺寸较小，而净浆碳化深度较大，选用龄期为3、7d进行试验.净浆试件尺寸为50mm× 50mm× 50mm.将成型好的试件用塑料薄膜覆盖其表面，24h后拆模，放入标准养护室中养护,养护至 26d 龄期后，将试件移入60℃的烘箱中放置48h后取出.采用五面封蜡，保留一个侧面作为二氧化碳气体进入的面.封完蜡将试件放入可程式恒温恒湿碳化试验箱进行碳化，CO2的体积分数为(20±3)%，相对湿度(70±5)%，温度(20±2)℃.

由于净浆试件非常小且其抗折强度远小于混凝土试块，本研究用2根细钢筋上下对称放置，用榔头敲击破型.选择3、7d的碳化龄期来进行碳酸钙定量分析以测定碳化程度，取3次试验结果的平均值以确保试验精度.

3 结果与分析

3.1 相同水灰比不同碳化龄期对比

不同龄期JP 0.47水泥净浆试件中碳酸钙分布情况如图1所示.由图1可知，二氧化碳从试件边界扩散进入试件内部，其浓度随深度和龄期不断增加，溶于水后与钙离子发生反应生成碳酸钙，使相应部位的钙离子浓度下降，碳酸钙含量增加.28d以内，碳酸钙含量的变化主要集中在距离试件边界10mm范围内，这也是碳化反应最剧烈的地方.

3.2 水泥净浆水灰比对碳化的影响

图2为水灰比分别为0.57、0.52、0.47的水泥净浆试件中碳酸钙含量的试验值与模型计算结果对比图.由图2 可见：随着试件水灰比的增大，同一深度处的碳酸钙含量逐渐增大，且碳化反应区深度也逐渐增大.即试件水灰比增大，其碳化程度也逐渐增大.在相同试验条件下，碳化程度的差异主要由两方面引起：一方面，试件水灰比增大，则其孔隙率随之增大，连通孔也相应增多，有利于CO2向净浆内部的扩散作用，从而加速净浆的碳化反应[11-12]；另一方面，由于碳化反应区深度受单位体积可碳化物质含量影响，因此试件水灰比越大，其水化程度越大，带来单位体积内可碳化物质增多，使碳化速率减慢.由此可见，孔隙率带来的增大效应大于可碳化物质带来的减小效应.因此试件水灰比越大，碳化程度越大.

模型数值模拟结果从整体上来看能够反映出各测点碳酸钙含量变化情况，与试验测定结果吻合较好，但也存在个别测点处碳酸钙含量与模型预测值有一定差异.主要因为净浆材料本身的离散性[13]以及试验过程中不可避免的试验误差，会在一定程度上影响碳酸钙含量的变化情况，但整体上模型能反映净浆碳酸钙含量变化的规律，具有良好的适用性和合理性.