基于碳化耐久性的混凝土全寿命预测的探讨

何小军 安 赛 菅迎宾 申培 董胜欢

（1.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041；2.冀南技师学院,河北 邯郸 056000；3.河北科技师范学院，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

混凝土寿命本质取决于混凝土碳化引起的钢筋锈蚀程度。为了探索碳化对混凝土寿命的影响，现对混凝土碳化做大量试验研究和理论分析。其实，混凝土碳化会加大混凝土的强度，对混凝土本身并没有太大的影响。但需要注意的一点是，碳化会导致混凝土收缩，收缩会使得混凝土表面出现裂缝，进而混凝土的抗拉强度和抗折强度也随之降低。所以，碳化本质上是破坏了混凝土的结构，使得混凝土内部的钢筋发生锈蚀进而降低了混凝土的使用寿命。

1 混凝土碳化的理论

1.1 混凝土碳化的定义与碳化机理

混凝土是一种常见的建筑材料，内部多空存在大量空隙。混凝土的碳化就是大气中的CO2通过这些空隙向内部渗透，和混凝土中的碱性物质发生了化学反应，由此产生了大量的碳酸钙和水，主要的化学反应式如下：

这是一个缓慢而复杂的化学过程，最终会让混凝土的碱度降低趋向于中性。当发生反应的混凝土厚度大于混凝土保护层的厚度时，混凝土内部的钢筋表面的钝化膜就会遭到破坏，出现锈蚀。锈蚀会使钢筋在长度方向出现纵向的裂缝，钢筋的体积会由于内部受到挤压而膨胀，钢筋表面的保护层会被撑开而脱落，这就是混凝土结构被破坏的过程。

1.2 混凝土碳化的研究背景和研究意义

混凝土由于其具有良好的耐久性，因此成为建筑工程领域中应用最广泛的一种建筑材料。然而，由于受多种因素的影响，混凝土在使用中仍旧存在材料老化、腐蚀等问题，这大多是由于混凝土的碳化导致钢筋锈蚀引起的。所以，无论是对混凝土的碳化和耐久性进行深入研究，对混凝土的碳化程度进行预测计算，还是对建筑耐久性的评定和设计、维修加固，都对其全寿命预测有着十分重要的意义。

2 混凝土全寿命预测的试验方法

混凝土的使用寿命受到材料性能、细部构造、暴露状态等因素及其各因素间的综合作用影响。因此，混凝土全寿命预测的试验往往是对这些因素的综合作用的研究。由于各因素间综合作用的机理十分复杂，目前对混凝土的全寿命预测的试验只能选取其中一个影响因素作为变量，其他影响因素作为定量，以此假定条件进行分析。现针对几种预测试验方法阐述如下：

2.1 比较预测法

这种方法存在这样的假设条件：混凝土在某一期限内是经久耐用的，则相似环境下相似的混凝土也应该具有同样的寿命。然而，在实际的工程项目中，每一个建筑工程的混凝土结构、形状、环境等因素都各不相同，所以用这种方法进行寿命预测存在一定局限性，因此在实际中的应用较为少见。

2.2 经验预测法

这种方法是根据项目现场大量的试验结果及实验室大量的研究，并在汲取以往项目经验的基础上，对混凝土的使用寿命进行预测。但这种方法存在局限性，当混凝土结构设计周期较长，或者混凝土的环境较为恶劣，或是混凝土结构加固过程中其结构状态发生了较大的改变，这样的预测方式就十分不可靠。

2.3 随机预测法

由于混凝土的使用寿命受到各种随机变量的影响，甚至某些变量会随时间的变化而发生变化，所以对混凝土进行全寿命预测进行定量分析，显而易见是十分不合理的。因此，采用随机预测的方法对混凝土进行全寿命预测是一种十分不准确的预测方法。

2.4 数学模型预测法

这种方法预测的准确度较高，主要是因为材料的选择和环境参数的选取以及模型都具有合理性。这种数学模型的预测方法较为完善，因此在实际工程项目应用中较为广泛使用，具体有马尔可夫模型、灰色模型等。

2.5 智能预测法

随着科学技术的发展，智能化也开始投入到实际工程项目中的某些特定参数的预测，例如神经网络预测法、模糊数学理论预测法等等。智能系统具有很强的优化能力和学习能力，能够很好地应对混凝土结构衰退过程中发生的不确定因素。

综上对混凝土全寿命预测的五种实验方法都属于确定性方法。就是将影响混凝土结构使用寿命的某一个影响因素作为变量，其他影响因素作为定量进行试验研究，经研究得到的寿命预测结果就是具备平均参考意义上的使用寿命。由于影响混凝土结构碳化耐久性的各因素都存在随机性，所以应用概率对基于碳化耐久性的混凝土全寿命预测进行实验研究是比较合理的。

3 碳化对混凝土全寿命预测的影响

从混凝土的碳化机理可以知道，影响碳化的主要因素本质是混凝土的渗透性和其含有的碱性物质的影响。那么，分析碳化对混凝土结构和性能的影响就是分析碳化对混凝土全寿命预测的影响，下面对此展开分析。

3.1 碳化对混凝土结构的影响

当混凝土发生碳化时，混凝土结构的孔径和总孔隙率都会减少。例如，将砂浆试件湿养28d 后，放入温度为20℃、相对湿度为60%，CO2浓度为10%的碳化箱中，观察16 周后的孔结构变化。我们可以看到，当试件发生碳化后，碳化区的孔隙总体积明显减少，孔径明显减小，而未碳化区的孔隙总体积和孔径没有明显改变。这就说明，混凝土在发生碳化时，由于CO2通过孔隙在混凝土内部发生了碳化反应，导致混凝土的结构遭到了破坏。

3.2 碳化对混凝土性能的影响

3.2.1 质量的影响

混凝土发生碳化会使质量增加。从上文混凝土的碳化机理化学反应方程式可以看出，由于混凝土吸收了二氧化碳释放出了碳酸化合物和水，所以混凝土总质量会增加。一般来说，混凝土本身具备一定的厚度，当发生碳化时很难影响到混凝土中心的钢筋。为了测定混凝土发生碳化反应所产生的质量，可以设置将水灰比为0.65 的试件放入温度为20℃、相对湿度为60%的碳化箱中养护3 个月，最后得到的试验结果是混凝土的总质量下降了约0.9%；而在同样的温度、湿度条件下，放入10%的二氧化碳，碳化箱中的质量约增加了1.2%。由此可见混凝土碳化时的确发生了质量的增加。

3.2.2 体积的影响

混凝土发生碳化时，体积会收缩，这是由于受到了湿度的影响。先后设置了先干燥后碳化、干燥和碳化同时进行、只进行碳化三种情况的实验，我们可以发现，当相对湿度为50%时，体积收缩最大。这说明了当混凝土的含水量增加并达到一定量时，二氧化碳向混凝土内部扩散的速度会逐渐降低甚至终止，混凝土的碳化速度也会减慢。

3.2.3 抗压强度的影响

将湿养28d 的试件放在温度为21℃、相对湿度为50%、CO2浓度为9%的碳化箱中加速碳化3d，将得到的混凝土的抗压、抗折强度及弹性模量数据进行列表对比分析，如表1 所示：

表1 碳化混凝土力学性能

我们可以看到，混凝土碳化后抗压强度有提高。这是因为混凝土碳化时生成的碳酸钙密实了混凝土的结构。需要注意的是，实验条件下的试件碳化反应是在设定好的养护环境中进行的，受到的影响因素少。而实际的混凝土构筑物由于受到多种因素的影响，其碳化的程度会增加，因此实际的混凝土构筑物的强度会有所下降。

3.2.4 碱度的影响

当混凝土的pH 值达到较高的碱度时，钢筋的表面会形成一层钝化膜，可以有效对钢筋进行保护。随着碳化反应的进行，pH 值会逐渐降低。当达到碳化完全发生时，混凝土的pH 值会处在8.5～9.0之间，混凝土中的钢筋发生锈蚀。同时，碳化反应引起的中性化在氯离子的共同作用下会加速钢筋的腐蚀。

4 基于碳化耐久性的混凝土全寿命预测建议

目前关于混凝土碳化耐久性的全寿命预测研究理论，都是以设定某一因素为定量，其他因素为变量的条件下的实验得出的。但在实际的工程项目中，混凝土结构的耐久性评估和全寿命预测会受到许多变量的影响。这些变量可能同时多个存在并具有不定性，难以定量化，很多都是发生在碳化的初级阶段，因此无法设计较为合理的混凝土结构耐久性评估模式。在实际工程中更多的是以经验判断为基础，通过层次分析来对混凝土结构的耐久性进行评估。

基于这种情况，笔者认为，要对混凝土进行更为准确的全寿命预测，需要完善以下两方面：一是要采用耐久性好的材料，建立其与混凝土密实度、孔结构等混凝土内部结构以及钢筋锈蚀速度、锈蚀量之间的关系；二是对存在碳化耐久性问题的混凝土结构建立动态评估体系，并根据检测得到的耐久性指标数据，建立寿命预测模型。最后，要对混凝土碳化做好防护措施。混凝土的碳化受到环境、材料和施工的影响，保证混凝土有良好的密实性，就能得到很好的抗碳化性能。基于此，可以提出以下改善措施：合理设计混凝土配合比、采用机械振捣、用涂料或者其他措施对混凝土表面进行隔绝气体处理、选用透气性小且密实的骨料、增加混凝土的保护层厚度等。

5 结束语

建立多因素作用下的混凝土的碳化耐久性研究及全寿命预测是一项复杂且艰巨的任务。本文对混凝土碳化进行研究，并通过试验对该过程中混凝土的pH 值和孔隙率的变化，对混凝土碳化做出了相对完善的寿命预测，并提出了预测方法。各类预测方法都有其优缺点，在实际应用中要考虑其可操作性。笔者认为，应该优先采用基于碳化试验的经验模型进行混凝土的全寿命预测，而不是选择理论模型。理论模型由于更偏向于理想化且相关参数不易获取，不适合在工程实践中应用。

碳化是混凝土耐久性研究的一个重要方向，但由于对此试验的研究数据较少且混凝土离散较大，因此碳化对混凝土全寿命的影响结论还有待进一步验证。为此，应该多多开展现场工程的实测，并利用各种有限元软件进行理论模拟；其次，要考虑混凝土结构常常出现无征兆的脆性破坏。因此，要善于利用现代信息技术以及人工智能手段，对新建和实践中的混凝土结构的碳化耐久性进行实时监测，以便对可能出现的状况及时预报，这也是今后的主要研究方向。