应力作用下混凝土碳化深度预测模型

2020-05-19唐官保崔素萍

建筑材料学报 2020年2期

唐官保，姚燕，王玲，曹银，崔素萍

(1.北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124；2.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点试验室，北京 100024)

碳化会将混凝土孔溶液的pH值降低至8.5～9.0[1]，使钢筋表面的碱性保护膜逐渐损坏而造成锈蚀[2]．混凝土碳化和氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀最普遍和最重要的2个原因，准确预测混凝土碳化深度对于实际工程的安全性评估和寿命预测具有极其重要的意义．混凝土碳化是空气中的CO2扩散进入混凝土内部，并与Ca(OH)2等水化产物发生反应的过程[3]．CO2的扩散速度与混凝土中的微裂缝、孔隙等气体传输通道密切相关．由此可见，混凝土碳化速度与其气体渗透性能具有一定的相关性．

Kropp等[4]提出可以采用表层混凝土的气体渗透系数来评估混凝土的抗碳化能力．已有研究[5]表明：混凝土碳化深度的2次方与气渗系数呈线性关系．渗透性能够表征与气体传输相关的孔结构和微裂缝的本质特征，而这些特征参数是决定混凝土碳化速度的重要因素，所以可以采用气体渗透性来表征混凝土的抗碳化能力．Parrott[6]、Dhir等[7]和Hewlett等[8]研究发现混凝土的气体渗透性可以被用来有效评估混凝土的抗碳化能力.另外，在实际工程中，混凝土结构受到的外部应力对其介质传输通道的影响较大，应力的形式和大小会引起混凝土孔隙和微裂缝的闭合、萌生、扩展和连通[9-11]．所以，外部应力对混凝土气渗性能和碳化速度的影响不容忽视．

基于Fick第一定律推导得到的混凝土碳化深度预测模型[12-15]已经被学者广泛认可和应用，如式(1) 所示：

(1)

式中：xCO2为碳化深度，m；DCO2为CO2扩散系数，m2/s；ρCO2为混凝土表层CO2质量浓度，kg/m3；a为单位体积混凝土吸收CO2的质量，kg/m3；t为碳化时间，a．

该模型在应用中最大的难点在于如何确定CO2扩散系数DCO2和可吸收的CO2量a．文献[16]汇总了现有研究中对这2个参数的取值情况，其中a与 Ca(OH)2含量或其他水化产物相关，DCO2与水灰比、湿度等因素相关．这2个参数的取值都是根据经验模型来确定的，并且忽略了应力对CO2扩散系数的影响．所以，本文在应力作用下混凝土气体渗透试验和加速碳化试验的研究基础上，以式(1)为基础模型，优化了a的取值，建立了基于气渗系数的应力作用下混凝土碳化深度预测模型，为实际服役状态下混凝土耐久性的定量评估及服役寿龄预测提供科学依据与理论支持．

1 试验

1.1 原材料和成型

水泥(C)为P·Ⅰ 42.5水泥，比表面积为 346m2/kg，表观密度为3.10g/cm3；砂(S)为河砂，细度模数为2.8；水(W)为自来水；碎石(CA)采用连续级配，粒径分别为5～10mm和10～20mm，按质量比3∶7混合均匀．混凝土配合比和28d强度如表1如示．

表1 混凝土配合比和强度

成型尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱型混凝土试件用于抗压强度测试，成型图1所示的哑铃型混凝土试件[17]用于抗拉强度测试．成型时不使用脱模剂，而是将聚四氟乙烯薄膜均匀覆盖在混凝土模具内表面，以避免脱模剂对气体渗透的影响．成型试件在20℃，相对湿度为95%的环境下养护24h后拆模；然后放入20℃的饱和Ca(OH)2溶液中养护至28d．

图1 抗拉强度试件示意图Fig.1 Diagram of specimen for tensile stress(size:mm)

1.2 应力作用下混凝土气渗试验和加速碳化试验

养护好的混凝土试件在(50±2)℃的烘箱中进行干燥．完全干燥的试件除了保留1个平整侧面，其余表面在常温下粘贴2层铝箔胶带后进行应力加载试验．应力加载设备采用Yao等[18]设计的压应力和拉应力加载装置(见图2)，应力比(X)均为0、0.3和0.6，以C代表压应力比，T代表拉应力比加以区分．

加速碳化试验中CO2体积分数为2.0%，相对湿度为70%，温度为20℃，在加载状态下碳化28、56d．采用酚酞酒精溶液测试混凝土碳化深度，根据碳化深度和文献[12]可以计算得到混凝土CO2扩散系数．CO2体积分数取2.0%是由于此时混凝土加速碳化与自然碳化的相关性更强[19]．

图2 应力加载装置Fig.2 Equipment for stress loading

气体渗透试验中相对湿度为70%，温度为 20℃．试件在加载状态下采用Autoclam测试系统[20-21]测试其气渗系数(K)，测试需要在加载完成后12h进行．

2 结果与讨论

2.1 K和DCO2

应力会引起混凝土微结构的变化，从而导致混凝土气体渗透性能的变化．图3为应力作用下混凝土气渗系数K和CO2扩散系数DCO2的变化规律．

由图3可见：压应力比为0.3时，K和DCO2比未施加应力时有所降低；压应力比为0.6和拉应力比为0.3时，K和DCO2有微弱增加；拉应力比为0.6时，K和DCO2有显著增加．试验结果与Choinska等[10]和Tegguer等[11]的研究结果大致相同．

图3 应力作用下混凝土气渗系数和CO2扩散系数

在压应力比较低时，混凝土界面过渡区存在的原始缺陷和微裂纹均保持稳定，几乎没有扩展，即使在局部区域引起的一些裂纹也能保持稳定，所以其介质传输速率表现出不同程度的下降或者基本没有变化．当压应力比超过某特定值或者特定范围后，混凝土界面过渡区的微裂纹扩展变得不稳定，新产生的微裂纹也会进一步扩展[22-23]，其介质传输速率会明显增大．随着拉应力比的增加，混凝土界面过渡区原生裂纹的变化会变得更敏感，稳定裂纹扩展的时间间隔被大大缩短，混凝土中孔隙和微裂缝的连通程度会逐渐提高，其介质传输速率也随之增大．当拉应力比增加到一定程度时，混凝土介质传输速率会急剧增加[24-25]．

应力作用下混凝土K和DCO2的变化规律虽然一致，但是DCO2的变化幅度并没有K的变化幅度大，这可能是由于碳化过程中生成的碳化产物CaCO3会填充混凝土微裂缝和孔隙，从而降低了介质传输速率．

2.2 CDep-GPL模型

2.2.1参与反应的CO2量

对于参与反应的CO2量取值的研究比较多，文献[26]认为硅酸盐水泥熟料中75%的CaO相能够转化成CaCO3．本文同样假定矿物掺和料中75%的CaO相转化成CaCO3，那么单位体积混凝土吸收CO2的量等于完全碳化条件下的CO2吸收量，参与反应的CO2量a的取值就可由式(2)确定：

(2)

式中：wclinker为水泥中熟料质量分数，%；C为水泥用量，kg/m3；S为矿物掺和料用量，kg/m3；wCaO为单位质量胶凝材料中CaO质量分数，%；MCO2、MCaO分别为CO2和CaO的摩尔质量．

2.2.2DCO2和K的相关性

采用最小二乘法对应力作用下的混凝土气渗系数和CO2扩散系数进行拟合，结果如图4和式(3)所示，相关系数R2=0.81．

(3)

图4 CO2扩散系数和气渗系数的相关性Fig.4 Relationship between CO2 diffusion coefficient and gas pemeability coefficient

由图4可见：当混凝土内部湿度比较高的时候，水分会降低CO2在混凝土中的扩散速度，但是有利于扩散进入混凝土内部CO2的溶解和化学反应；当混凝土内部湿度比较低的时候，有利于CO2的扩散，但碳化反应所需的水分不足，所以反应速率会比较慢．由此可以看出，内部湿度对混凝土碳化速度的影响较大，本文中采用文献[12]中得到相对湿度RH对CO2扩散系数β的影响系数，如式(4)所示：

(4)

式中：无量纲常数为23.32，在本研究中碳化试验和气渗试验的相对湿度都为70%，故对式(4)进行修正，无量纲参数经计算取值为28.09．结合式(3)、(4)和无量纲常数28.09，可以得到应力作用下CO2扩散系数的表达式，如式(5)所示：

(5)

2.2.3模型的建立

基于以上分析，通过联立式(1)～(5)得到CDep-GPL模型，如式(6)所示：

(6)

对于实际工程中承载状态下的混凝土结构，利用CDep-GPL模型来预测其不同龄期下的混凝土碳化深度时，需要了解环境参数、混凝土配合、胶凝材料化学组成和应力作用下的混凝土气渗系数．环境参数包括相对湿度和表层混凝土CO2浓度，混凝土配合比中需要知悉水泥和矿物掺和料的具体用量及其CaO含量．唯一需要试验测试的参数只有应力作用下混凝土气渗系数，可采用Autoclam测试系统进行现场测试，非常简单、便利．

2.2.4模型的验证

将应力作用下的混凝土碳化深度试验值与CDep-GPL模型计算得到的碳化深度计算值进行了比较．CDep-GPL模型中需要输入的参数见表2，计算值与试验值的对比如图5所示．