黃 國(guó) 理

(廣東省建工設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 廣州 510075)

0 引言

混凝土的碳化是混凝土最常見的耐久性問題，大氣中的CO2通過混凝土的孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部并與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土堿性下降，導(dǎo)致混凝土中的鋼筋鈍化膜被破壞，進(jìn)而引起鋼筋銹蝕。碳化速率系數(shù)反映了混凝土的抗碳化能力，因此分析混凝土碳化速率系數(shù)的影響因素對(duì)混凝土耐久性設(shè)計(jì)具有重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土碳化速率影響因素做了大量的研究，并建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。這些預(yù)測(cè)模型主要從以下幾個(gè)方面描述影響混凝土碳化速率系數(shù)的因素。基于CO2在混凝土中的擴(kuò)散過程的阿列克謝耶夫模型[1]和Padakis模型[2]；主要考慮水灰比影響的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾喊豆刃⒁荒Ｐ蚚3]、依田彰彥模型[4]、朱安民模型[5]等。結(jié)合環(huán)境因素與材料因素的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾糊徛鍟Ｐ蚚6]、Richardson模型[7]、黃士元模型[8]和張海燕模型[9]。考慮混凝土抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾呵疤K聯(lián)碳化模型[10]、牛荻濤碳化模型[11]、邸小壇碳化模型[7]、德國(guó)Smolczyk模型[4]等?；贑O2擴(kuò)散理論并考慮環(huán)境與材料因素的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿纾簭堊u(yù)模型[12]、劉亞芹模型[13]、CEB Task Group模型[14]等。上述模型雖然考慮的影響因素眾多，具有一定的應(yīng)用范圍，但是沒有反映材料因素如礦物摻合料種類與摻量對(duì)混凝土碳化速率系數(shù)的影響規(guī)律，缺少基于材料因素如水膠比、粉煤灰、礦粉的混凝土碳化速率系數(shù)多因素模型。

鑒于此，本文通過收集的在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下暴露28 d的混凝土加速碳化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了混凝土材料因素如水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量對(duì)混凝土碳化速率系數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)而建立了考慮水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量的混凝土碳化速率系數(shù)多因素模型，為混凝土抗碳化性能的耐久性分析與設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

1 影響因素分析

為了控制碳化環(huán)境因素的影響，本文選用通過GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中快速碳化試驗(yàn)方法得到的混凝土碳化速率系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為：溫度(20±2)℃，濕度(70±5)%，CO2濃度(20±3)%?；谏鲜鲈囼?yàn)條件可獲得碳化時(shí)間為28 d的混凝土碳化深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而由式(1)求得混凝土碳化速率系數(shù)[15]：

(1)

其中，X為混凝土碳化深度，mm；t為混凝土的碳化時(shí)間，d；k0為混凝土碳化速率系數(shù)，mm/d1/2。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)碳化試驗(yàn)條件，所以混凝土碳化速率系數(shù)主要受材料參數(shù)如水膠比(RW/B)、粉煤灰摻量(RFA)以及礦粉摻量(RSG)的影響，因而混凝土碳化速率系數(shù)多因素預(yù)測(cè)模型可以用函數(shù)k0(RW/B,RFA,RSG)表示。

1.1 水膠比的影響

水膠比是影響混凝土孔結(jié)構(gòu)的重要因素，水膠比越大，CO2進(jìn)入混凝土的速度越快，混凝土碳化速率系數(shù)越大。由圖1a)所示，基于文獻(xiàn)[16][19]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得混凝土碳化速率系數(shù)隨水膠比呈線性增大趨勢(shì)，所以可以將水膠比(RW/B)與碳化速率系數(shù)(k0)的關(guān)系描述為：

(2)

1.2 粉煤灰摻量的影響

在混凝土中摻加粉煤灰后，粉煤灰中的活性物質(zhì)與水泥反應(yīng)，使得水泥水化生成的可碳化物質(zhì)減少，混凝土碳化速率加快。由圖1b)可知，基于文獻(xiàn)[20][21]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著粉煤灰摻量(RFA)的增大，混凝土碳化速率系數(shù)呈線性增大趨勢(shì)：

(3)

1.3 礦粉摻量的影響

隨著礦粉摻量的增加，水泥生成的可碳化物質(zhì)減少，從而使碳化速率系數(shù)增大。由圖1c)可知，基于文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著礦粉摻量的增加，混凝土碳化速率系數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，由此可以將礦粉摻量(RSG)對(duì)碳化速率系數(shù)(k0)的影響描述為：

(4)

2 碳化速率系數(shù)的多因素模型

根據(jù)上文的分析，綜合考慮水膠比(RW/C)、粉煤灰摻量(RFA)和礦粉摻量(RSG)的影響，結(jié)合式(2)～式(4)，可以建立混凝土碳化速率系數(shù)的多因素預(yù)測(cè)模型：

(5)

其中，k0為混凝土碳化速率系數(shù)的預(yù)測(cè)值,mm/d1/2；α=[α1,α2,…,α6]T為擬合參數(shù)。將式(5)展開，并將擬合參數(shù)α合并可得：

(6)

其中，b=[b1,b2,…,b7]T為擬合參數(shù)。由式(6)可知，復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)模型包含7個(gè)擬合參數(shù)，由于并非所有的展開項(xiàng)都對(duì)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算精度具有顯著影響，因此可以采用逐步回歸分析法[23]剔除式(6)中的不顯著項(xiàng)，從而將式(6)簡(jiǎn)化為：

(7)

其中，k=[k1,k2,k3,k4]T為擬合參數(shù)?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)[16]～[22],[24]～[31]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定擬合參數(shù)k?；炷撂蓟俾氏禂?shù)的多因素計(jì)算模型如式(8)所示。

混凝土碳化速率系數(shù)模型值與碳化速率系數(shù)試驗(yàn)值的對(duì)比如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)為根據(jù)式(8)計(jì)算的碳化速率系數(shù)計(jì)算值，縱坐標(biāo)為碳化速率系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)與等值線越接近，表示模型計(jì)算結(jié)果越精確。由圖2可知，圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在30%的誤差線內(nèi)，說明所建立的碳化速率系數(shù)多因素模型具有不錯(cuò)的精度，且能較好的反映混凝土碳化速率系數(shù)與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量之間的關(guān)系。

(8)

3 模型的對(duì)比分析與驗(yàn)證

由上節(jié)得到的混凝土碳化速率系數(shù)模型式(8)，與文獻(xiàn)[12]中提出半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證，選用相關(guān)文獻(xiàn)[17][18][22][25][27]～[29][32][33]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果如表1,圖3所示。由表1可得，本文模型的殘差均方差均較小，且相關(guān)系數(shù)均較大，說明本文模型具有較高的計(jì)算精度和良好的適用性。由圖3a)可得，對(duì)于普通混凝土，文獻(xiàn)[12]模型的計(jì)算結(jié)果偏低；由圖3b)可得，當(dāng)添加礦物摻合料時(shí)，文獻(xiàn)[12]模型的計(jì)算結(jié)果偏高，原因在于礦物摻合料混凝土的水灰比偏大，且沒有考慮礦物摻合料種類和摻量的影響，因此計(jì)算誤差較大。

表1 本文模型與文獻(xiàn)模型計(jì)算精度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于混凝土快速碳化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量對(duì)混凝土碳化速率系數(shù)的影響。結(jié)果表明，混凝土碳化系數(shù)模型與水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量均為近似為線性增長(zhǎng)關(guān)系。

2)通過逐步回歸方法，建立了綜合考慮水膠比和礦物摻合料摻量的普通混凝土、摻加粉煤灰混凝土、摻加礦粉混凝土以及復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土的碳化速率系數(shù)多因素計(jì)算模型。

3)通過其他文獻(xiàn)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文模型的有效性和適用性，為混凝土抗碳化性能的耐久性設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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