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对已开裂早龄期混凝土碳化的预测


对已开裂早龄期混凝土碳化的预测
摘要 已开裂混凝土中的碳化被认为是加速钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要有害因素之一。 对有耐久性要求的混凝土结构, 有必要通过对早龄期混凝土结构的抗裂性评价来控制混凝土 中的裂缝, 但裂缝在早龄期混凝土中出现通常是不可避免的。 这些裂缝成为二氧化碳渗入混 凝土内部的主要路径,这加速了在已开裂混凝土中的碳化过程。 在这项研究中, 为了同时考虑

二氧化碳在已开裂和未开裂混凝土孔隙水中的扩散, 一种 对早龄期已开裂混凝土碳化预测的分析技术被开发出来。 然后, 利用有限元分析所谓的多组 分的水化热模型和微观孔隙结构的形成模型, 对早龄期混凝土碳化的扩散特性得以研究。 在 已开裂和未开裂混凝土中的碳化行为也通过导出的考虑了与溶解的二氧化碳反应的扩散系 数来模拟。最后,得到了在三种不同水灰比(45%, 55%和 65%)下以及不同裂缝宽度下已开裂 的混凝土碳化的数值结果,并将其与实验结果进行了比较。

1.引言
混凝土的劣化主要与由碳化或氯离子引起钢筋脱钝致使加筋体锈蚀有关。 在城市和工业 地区,环境污染使二氧化碳浓度显著升高,碳化引起的加筋体锈蚀十分常见。在这种碳化的 情况下, 空气中的二氧化碳和水泥水化产物之间的反应导致了混凝土中碱性的减弱, 这使得 混凝土防止钢筋锈蚀的能力减弱[2-6]。为了防止混凝土结构过早劣化,包括美国混凝土协 会[7]和加拿大标准协会[8]在内的若干组织发行了一批设计和维护指南。 因此, 在各个机构 里进行的研究正致力于开发全新的和改良的建筑材料, 修复修理技术以及更好的理解导致劣 化的物理化学机制。 改进的知识可以使设计师不仅仅能够修复并维持混凝土结构现有的储备, 还能够在设计阶段通过对环境和条件的适度考虑来提高未来结构的耐久度。 对碳化的实验研 究正被许多研究者主导着[9-11]。这是 Saetta[12]等人结合热、水分、二氧化碳气流的一 维扩散模型之后提出了二维扩展[13]。 对碳化的鉴别是决定加筋混凝土结构耐久性的一个重 要因素。由于水化热、干燥收缩、不当养护的存在,裂缝很容易在混凝土表面产生。早龄期 混凝土的水化过程中, 氯化物和二氧化碳等外部的有害物质穿过裂缝, 这可能导致加紧混凝 土结构(RC)的劣化。早龄期混凝土的行为需要通过考虑诸如水,水分迁移,由通过混凝土配 合比、养护以及裸露条件对评估混凝土抗裂能力产生影响的微观孔隙结构来评估[14,15]。 即使与溶解的二氧化碳和水合物 (氢氧化钙和水化凝胶) 的反应是最近才被考虑进碳化建模 和分析的[16-21],裂缝仍没有在最低程度上被考虑或正在被考虑。据报道,长期的裂缝被 发现影响混凝土的扩散系数[22]。 研究表明, 在碳化过程中碳酸钙形成并超过了水合物导致 孔隙减少[23,24]。 在这项研究中, 开裂混凝土的碳化过程是通过考虑了基于早龄期混凝土特性的与溶解二 氧化碳、 氢氧化钙和碳酸钙的反应模拟的, 早龄期混凝土特性是由所谓的多组分模型和微观 孔隙结构形成模型获得的[15,19,25,26]。为了获得开裂混凝土的碳化行为,在开裂混凝土 上的二氧化碳等效扩散系数被推导出来, 并且利用有限元分析得出的碳化预测结果被使用不 同水灰比(45%,55%和 65%)制作以及不同裂缝宽度的混凝土的实验结果验证了。

2.二氧化碳在开裂混凝土中的扩散
2.1 二氧化碳在完好和开裂的混凝土中的整个流量 在开裂混凝土中的二氧化碳扩散可以通过平均在没有裂纹的完好混凝土体中的二氧化 碳扩散和在有不同裂缝宽度的开裂混凝土体中的二氧化碳扩散来确定。 在本文中, 二氧化碳 在开裂混凝土中的等效扩散系数是以二氧化碳溶液和气流在所谓的开裂混凝土代表单元体 (REV)中的速率(mol/s)是常数的假设来分析推导的。一个详细的对早龄期混凝土多组分

图 1 开裂混凝土代表单元体

水化模型、微观孔隙结构的形成模型以及他们相互作用的原理图是可以在参考文献中找到 [15,25,26]。Ishida 和 Maekawa[19]提供了二氧化碳流量和扩散公式,如公式(1)和(2) , 这分别应用于液态二氧化碳在饱和空隙体积中的扩散和气态二氧化碳在非饱和孔隙体积中 的扩散。 CO 2 = ?( 2 =
?0

?

0





+

?0 ?



∞ )(1) 1+

?(1?)4

2

? (1+ )

0 +


? 4 ?

0 (2)

0 (1.0× 10?9 2 /s)和0 (1.34× 10?9 2 /s)分别为溶液状态和气态的二氧化碳基础扩 散系数。 和 (kg/3 )分别为溶液状态和气态的二氧化碳浓度。?是孔隙比。 是克努 森数,S 是饱和度,2 是指亨利定律平衡因子。

公式中CO 2 是二氧化碳的全流量, V 是孔隙体积, ? 是每条孔道的平均弯曲程度 ( 2 /4) ,

为了推导出二氧化碳在开裂混凝土中的等效扩散系数,考虑一个代表单元体,如图 1 所示。 它假设扩散路径仅由毛细孔道和裂缝组成, 还假设每条毛细孔都可以被建模为有恒定 半径 和面积 的管道并且每个裂缝都可以被建模为直径从最大裂缝宽度渐变到零的椎体。 在代表单元体中的总离子流率 (mol/s), 等于毛细孔道中的离子流率cp (mol/s)与裂
缝中的离子流率cr (mol/s)之和,由公式(3)给出。 = cp + cr = cp + cr ? (?S) ? 2 (3)

公式中(?S)是指代表裂纹路径特征的抵抗作用。在气相和液相之间的局部平衡条件在 孔隙体积中满足但在裂缝中不满足,所以函数(?S)写作公式(4),公式(4)是考虑在低水灰 比开裂混凝土下对碳化进程的折减。 ?S = 0.002[?]?9.1952 (4) 公式中?定义见公式(5)。 ? = 0 /0 (5) 公式中0 是指代表单元体的饱和体积,0 是指代表单元体体积。根据菲克第一定理, 离子流率cp 和cr 可以用公式(6)和公式(7)表达。 cp = ∑ = ?2 (6)

cr = ∑ = ? (7) 公式中 和 分别指在毛细孔道和裂缝中的平局流量。 (mol/4 )是指孔隙溶液的

浓度梯度。 eq 为了获得在代表单元体中的等效扩散系数2 , 在代表单元体的总面积中溶解二氧化碳

的总饱和面积 0 (= + )被表示为公式(8)。然后,等效扩散系数2 可以从完好混凝 土扩散系数2 和开裂混凝土扩散系数 获得,如公式(9)。 eq = ∑( + ) = ?2 0 (8) eq 2 0 = 2 + 2 ?S (9) 公式(9)可以写作公式(10). 2 =
eq 2 ( 0 ? )/ + 2 ?S 0 /

eq

(10)

由公式 (11)得到饱和面积 0 与代表单元总面积 之比,结合每条孔道的平均弯曲度 2 ?(=(/2) ),公式(10)变为公式(12)。 0 / = ?/? (11) 2 = 2 +
eq 2 ?S ? ?S

(12)

公式中 定义为总面积0 与开裂面积 之比,开裂面积 等于代表单元体中锥体的 2 面积(πcr /3),如公式(13)。 = 0 / (13) 在代表单元体中,二氧化碳在裂缝中的扩散系数几乎与二氧化碳在空气中的扩散系数 eq 0 相同,所以公式(2)中的2 可以被写为公式(14)。 2 =
eq ?(1?)4 2 ? (1+ )

0 +



? 4 ?

0 +

0 2 ?S ? ?S



(14)

公式(14)表明在 中增加裂缝宽度 会加速二氧化碳在开裂混凝土中的扩散。 2.2 温度对二氧化碳扩散的影响 随着温度的升高,二氧化碳的溶解度降低,酸的形成也减少,但二氧化碳的扩散系数由 于活动能量的增加而增加。 对扩散的温度依赖性遵循阿伦尼乌斯定律。 这表明二氧化碳的活 化能在一定温度范围内(20?40℃)几乎是常数且与混凝土水灰比无关[27]。基本上,由于溶 度积常数和亨利常数,故碳化反应需要考虑温度影响。但是为了简单起见,我们考虑温度对 扩散系数的影响仅用阿伦尼乌斯定律分析。 温度对二氧化碳扩散系数的影响由公式(15)给出。 D(T) = ? exp? [
1

? ](15)
eq

1

公式中 是参照扩散系数(与开裂混凝土中的2 和完好混凝土中的 2 相同) , U(8500Cal/mol K)是二氧化碳的活化能, (298K)是参照温度。

图 2 在各种温度下孔隙率变化对二氧化碳扩散系数的影响

2.3 孔隙率变化对二氧化碳扩散的影响 一般情况下, 二氧化碳扩散系数是通过氮气或氧气实验乘以二氧化碳的分子质量比获得 的,所以若果二氧化碳被消耗,扩散系数会由于碳化过程中孔隙率的变化而改变。众所周知

溶解的二氧化碳与水合物反应形成碳酸钙并且水合物体积由于碳化过程会增加[16-18]。另 据报道,在水泥基体中观察到的孔隙体积减少可能与在碳化过程中形成的碳酸钙沉积有关。 形成的碳酸钙体积超过了水合物体积, 从而导致了孔隙率减少[23]。 据说孔隙率在低水灰比 混凝土中减少得更多[24]。

图 3 裂缝中的二氧化碳扩散系数

由于在测试过程中碳化过程已经发生并且扭曲了实验数据, 混凝土中二氧化碳扩散系数 不能通过实验测得。 因此, 氧气被用来作为惰性气体确定扩散系数[28]。 正如每次研究一样, 在碳化前孔隙率已经下降了 50%,本次研究被认为符合公式[16]。 ? R = ? ? ?1.25R + 1 0.0 ≤ ≤ 0.4(16) ? R = 0.5? 0.4 ≤ ≤ 1.0 公式中? R 是指碳化过程的孔隙率函数,?是指碳化前的孔隙率, 是指消耗的氢氧化 钙与氢氧化钙总量之比(=消耗的氢氧化钙质量/碳化前的氢氧化钙质量)。 如果温度的影响和 孔隙率变化的影响均适用于完好的混凝土和开裂的混凝土, 那么等效扩散系数可以被写为公 式(17). 2 = [
eq ?( ) 1? 4 2 ? 1+

0 +



?() 4 ?

0 +

0 2 ? [0.002(? )]?9.1952 ?(R)S



] ? exp? [



1



?

1

](17)

图 2 显示了在碳化过程中温度和孔隙率变化对模拟的扩散系数的影响。 暴露条件为二氧 化碳浓度 10%、相对湿度 65%,水灰比 65%以及计算碳化深度 4 厘米。图 2 中可以发现温度

图 4 在不同水灰比下裂缝宽度对2 /2 的影响

eq

变化(20 和 40℃)引起的扩散系数增加和碳化区扩散系数的降低。裂缝宽度对等效扩散系 eq 数的影响在图 3 中显示。图 4 显示了2 /2 和裂缝宽度在不同水灰比下的行为。 从图 2 可以观察到,随着温度的升高,由于活化能的增加扩散系数也增加。因为二氧化 碳的扩散依赖于温度, 故温度对碳化的影响是很明显的。 同时还发现当覆盖深度增加扩散系

数也减小。 从图 3 可观察到, 无论裂缝宽度如何, 随着水灰比升高二氧化碳扩散系数也增加。 在不同水灰比下,当裂缝宽度从 0.05 增加到 0.45 毫米,二氧化碳扩散系数也增加。碳化对 孔隙率有明确的影响,并且这种减少在高水灰比下更为显著。随着碳化的进行,孔隙率不断 下降。这与其他研究者的结果一致[30]。 eq 从图 4 可以看到随着裂缝宽度和水灰比增加, 扩散系数2 /2 也按比例增加。 裂缝, 不论其性质,对胶凝材料的透湿性有相当大的影响。其后果是腐蚀性物质的运送量增加,降 解过程被进一步加速。另据报道,长期的开裂已经被发现影响混凝土的扩散系数[22]。也有 报道说材料的扩散系数可以增加 2~10 倍。 连续裂纹的存在倾向于显著改变固体的运输系数。 用该模型得到的结果表明,当1 /1 比值增加时,开裂的影响倾向于更为显著。这意味着开 裂的影响对致密的材料相对更重要。 连续的裂缝有利于局部离子渗透。 它也可能有助于加速 固相的局部溶解随后可能影响材料的行为。

3. 二氧化碳运输和碳化反应的建模
3.1 二氧化碳运输的控制方程 在本节中, 在多孔介质中二氧化碳的质量平衡条件被用公式表示。 二氧化碳在混凝土中 的两种物相(气态二氧化碳和二氧化碳溶液)均被考虑。通过求解给定初始和边界条件的质 量平衡方程,在非稳定状态下的二氧化碳被量化为公式(18) 。


? 1 ? ? + ? ? + co 2 ? co 2 = 0 (18)

公式中?是指作为传输路线和储存的总孔隙率,S 是溶解度, 和 是分别气态和溶液 状态的二氧化碳密度(kg/3 ),co 2 是溶解和气态二氧化碳总流量(kg/2 )。公式(18)中的 第一项表示每单位时间和体积内二氧化碳总量的变化率, 第二项是指二氧化碳流量, 而第三 项co 2 是源汇项。上面的方程给出气态和溶解的二氧化碳浓度与时间和空间的关系。在先前 的研究中[16-18],水合物的构成和孔隙特征是通过服从幂律分布的回归分析得到的,但在 本文中, 所谓的多组分水化热模型(MCHHM)及微孔结构形成模型(MPSFM)被用于系统动力学分 析,如公式(18). 3.2 气态和溶解的二氧化碳的均衡条件 气体和溶解的二氧化碳之间的局部平衡服从亨利定律和道尔顿定律, 它们描述了在孔隙 水中气体的溶解度和局部气体压力之间的关系,如公式(19)所示。 ′ ′ co 2 = co ? (19) 2 ′ 公式中co 2 指二氧化碳在气体中的平衡分压(Pa), 指摩尔分数(二氧化碳摩尔/溶液摩 ′ 8 尔),co 2 是指亨利常数(1.45× 10 /, 25℃)。对于一立方米稀溶液,水在溶液中的摩 尔数,2 为 5.56× 104 (mol/3 )。因此,每立方米溶液溶解的二氧化碳浓度, (kg/3 ) 可以用公式(20)表达。 =
′ co 2

co 2

? 2 ? co 2 =

co 2 co 2

(20)

公式中co 2 指二氧化碳的分子质量(0.044kg/mol)。根据理想气体状态方程的假设,公 式(19)可以被写作公式(21)。 co 2 =
RT co 2

(21)

公式中 R 是指气体常数(J/mol K),T 是指绝对温度(K)。 溶解后二氧化碳会与钙离子反应,所以溶解的二氧化碳浓度会在上述平衡条件中波动。 平衡条件不能单独使用亨利定律,同时也很有必要根据反应速率决定溶解二氧化碳的数量,

它代表了基于二氧化碳浓度分布的动力学波动。 但是像这样的动力学波动是很难考虑的, 事 实上,这预示了当二氧化碳气体分压变大时,二氧化碳溶解速率会变快。由于这些原因,在 这个模型中,我们假设溶解的二氧化碳的量可以由亨利定律来近似描述。

图 5 碳酸的质量守恒及平衡条件

3.3 碳化过程建模 Ishida 和 Maekawa 提出了与氢氧化钙溶液和碳酸钙反应的碳化反应[19,25,26]。由于 碳化产生的二氧化碳消耗速率可由下面的微分方程是表示, 如公式(22), 假设此反应仅考虑 钙离子和碳酸离子的一阶反应。
2? 2+ + 3 → 3 , ( 3 ) 2? = 2+ [3 ]

(22)

公式中3 (mol/l)是指碳酸钙浓度,k(2.04l/mol s)是反应速率因子。从溶解的氢 氧化钙中得到的钙离子被假定为与碳酸根离子反应,而与硅酸钙水合物(CSH)的反应不被考 虑。 这是基于这样的事实, 与氢氧化钙相比硅酸钙的溶解度是相当低的。 为了计算反应速率, 离子平衡和质量平衡的关系被考虑, 如图 5 所示。 碳酸化反应和碳化过程的详细讨论可在参 考文献中找到[19,25,26,31]。

4. 对开裂混凝土中耦合传热、水汽输送和碳化过程的建模
为了模拟在开裂混凝土中的碳化过程,氢氧化钙水合物、饱和度、早龄混凝土的孔隙率 应通过多孔介质中的质量控制方程和能量守恒方程来被考虑,如公式(23)。


+ ? ? = 0 (23)

公式中第一项是潜在项,第二项是流量项,最后一项是[ ]的源汇项。[ ]的细节和组 成说明在表 1 中说明。在表 1 中, 是比热容, 是导热率, 是发热率,1 和 是液体 和蒸汽的导电率, 是由于水化产生的结合水。 为了使这个动态系统适用于开裂混凝土, eq 考虑温度影响和孔隙变化率的2 被认为在任何时间和空间都是流量项。 碳化开裂混凝土耦 合模拟的计算方案如图 6 所示。 表 1 在控制方程用于质量和能量守恒的条件
变量[ ] T[温度] P[孔隙压力] 潜在项 [Kcal/K. 3 ]:常数 ?


流量项 ? ?[Kcal/K. 3 ]:常数 ?(1 + )?[/2 ] : 孔 隙的随机几何和克努森蒸汽 扩散 ?2 ? ? 2 ?[mol/ 2 s] : 在完好或开裂表面受 温度和孔隙率影响的质量和 克努森扩散
eq

源汇项 [Kcal/K. 3 ]: 多组分水泥 水化模型 ? ?
?

[/ 3 ] : 取

[/3 ] :

C[二氧化碳浓度]

决 于 路 径 的水 分 吸 附 等温线 ? 1 ? 2 + ?[mol l/mol 3 ] : 取 决 于 路 径 及孔 隙 率 改 变的质量运输

由水化产生的结合水;体积 孔隙率变化的影响 2 [mol/3 s]:由碳化过程 消耗的二氧化碳

图 6 碳化开裂混凝土耦合模拟的计算方案

5.完好和开裂混凝土的测试结果验证
5.1 实验方案 直径 10cm、高 20cm 的不同水灰比(45%, 55% 和 65% )的圆柱形混凝土试样被用于加速 碳化实验。 24 小时后试样脱模并在水中养护 28 天(20℃)。 固化后, 将混凝土试样保持在 65% 相对湿度的湿度室中 2 周。在一维的碳化过程中,除了顶表面,试样的其他几侧涂有蜡。 为了实现在开裂混凝土中的碳化, 裂缝由劈裂实验诱导如试件。 为了测量引入的裂缝宽 度, 位移传感器被安装在试件表面并与裂纹扩展方向垂直。 裂缝宽度测量值在加载步骤中大 于卸载步骤,所以我们测量完全卸载状态下的裂缝宽度。获得所需要的裂缝宽度十分困难, 所以我们试图在劈裂实验后以 0.1mm 分隔梳理裂缝宽度。 劈裂试验装置如图 7 所示。 混凝土 配合比如表 2 所示,加速碳化试验程序如表 3 所示。 表 2 混凝土配合比
W/C 坍落度(cm) 水(/3 ) 水泥(/3 ) 砂(/3 ) 粗骨料 (/3 )

45 55 65

15 15 15 温度

191 184 182

424 335 280 相对湿度

668 762 829 暴露时间

1058 1058 1041 测量时间

表 3 加速碳化实验条件 二氧化碳浓度

10%

25± 0.5(℃)

65± 5%

3月

2周

图 7 裂纹诱导方案

5.2 在完好和开裂混凝土中碳化深度测试结果 对每片新切割的薄片表面进行清洗并喷洒酚酞指示剂。 在完好和开裂混凝土中的碳化测 试结果分别如图 8 和图 9(a,b 和 c)所示。从图 8 可以看出碳化深度随暴露时间增长而增 加。在完好混凝土中的实验结果由所谓的平方根-t 方程回归,而这在开裂混凝土中则与裂 缝宽度绘制在一起。 图 9 的边界清楚地表明碳化过程在更高的水灰比和更大的裂缝宽度时发 展更快。碳化试验的详细结果如表 4 所示。为更简单方便地表达,试件的裂缝宽度按 0.1 毫米的间隔进行排序。 从图 9 可以观察到碳化深度随着裂缝宽度的增加, 水灰比的增加和暴 露时间的增加而增加。 这是一个众所周知的事实, 随着裂缝宽度增加, 大气 (气态和溶解的) 二氧化碳通过裂缝进入并以碳化的形式形成碳酸钙, 降低混凝土碱度是混凝土劣化, 耐久性 降低。图 4 展示了在完好和开裂混凝土中碳化的结果。

图 8 在完好混凝土中的碳化深度

5.3 验证和比较 有限元分析网格如图 10 所示。数值结果和实验结果的比较见于图 11。对于完好和开裂 混凝土的碳化深度, 该模型可以很好地预测。 实验和数值结果都显示了碳化随时间的惯常趋 势。在低水灰比条件下,相对缓慢的碳化被测定。随着裂缝宽度和水灰比的增加,碳化过程 变快。在高水灰比条件下,裂缝对碳化过程的影响更为显著。

(a)在开裂混凝土中的碳化深度(水灰比 45%)

(b)在开裂混凝土中的碳化深度(水灰比 55%)

(c)在开裂混凝土中的碳化深度(水灰比 65%) 图 9 在开裂混凝土中的碳化深度

图 10 碳化过程建模和有限元分析

图 11 在碳化过程中裂缝和水灰比的影响

表 4 在完好和开裂混凝土中的碳化结果
条件 W/C 45% 裂缝宽度 0(表面) 0.0–0.1 mm 0.1–0.2 mm 0.2–0.3 mm 超过 0.3mm A 1.856 8.984 13.798 18.767 24.107 2 0.8459 0.8710 0.9363 0.9901 0.9764 A 2.705 12.158 18.265 23.658 29.562 Y = A :(mm/周 ) W/C 55% 2 0.8459 0.9955 0.9705 0.9548 0.9998 A 4.472 22.283 22.283 25.904 30.671 W/C 65% 2 0.9057 0.92828 0.9887 0.9982 0.9939
0.5

5.4 长期暴露条件的应用实例 5.4.1 模型中的长期效果参数 长期暴露条件下应用实例是通过该模型进行的。 与加速碳化试验对比, 二氧化碳浓度是 如此之小(约 0.03?0.065%) ,碳酸反应常数 λ 被考虑用来修正到合理的精度[24]。碳化 反应的公式(22)被修改为公式(24)。
( 3 ) 2? = ? ? 2+ [3 ](24)

公式中是对低浓度二氧化碳的修正常数(=5~20)。 此外,在开裂混凝土中的二氧化碳扩散系数依赖于环境条件,例如局部饱和、自动愈合 (裂纹关闭)以及二氧化碳的浓度。但这是非常难以为这些现象定量建模的,所以为简单起 见二氧化碳等效扩散系数被改写成合理的精度,如公式(25)。 [
?() 1? 4 2 ? 1+

0 +



?() 4 ?

0 +

0 2 ? [0.002(? )]?9.1952 ?(R)S



? ] ? exp? [



1



?

1

](25)

公式中是考虑长期暴露条件的裂缝系数,如公式(26)。 = 0.1 ? 3 (26) 公式中3 是指二氧化碳分压,即二氧化碳的浓度(%)。 5.4.2 在长期暴露条件下完好和开裂混凝土中的碳化 为了验证提出的模型,地下结构部分的数据被选用。为了分析现场数据,如下的配比和 环境条件被使用,如表 5 所示。 表 5 配合比和环境条件
水灰比(%) 55 地下 C(/3 ) 335 外界温度:18℃ 相对湿度:65.3% 地上 外界温度:18℃ 相对湿度:80.0% G(/3 ) 1058 S(/3 ) 762 坍落度(cm) 15

二氧化碳浓度:670ppm 暴露时间:20.0 年 二氧化碳浓度:340ppm 暴露时间:18.3 年

现场数据的数字结果在图 12 中显示并且提出的模型可以以合理的精度预测碳化深度。 图 13 显示了在户外条件(地上)下钢筋混凝土柱碳化深度的现场数据数字结果。现场数据 显示由于诸如雨水、排水等环境条件的变化致使湿度较低,碳化深度较浅。结构的暴露时间 是 18.3 年,二氧化碳浓度被假定为在正常条件下 340ppm。在户外条件下缓慢的碳化速度在 先前的研究中也有报道[6,32]。 对于数值结果与开裂混凝土的现场数据的比较, 先前的工作有所提及但是它假定碳化混 凝土的抗压强度为 20~24MPa 并且暴露时间为 20~25 年。对开裂混凝土碳化的数值结果以及 现场数据如图 14 所示。 如图 14 所示,数值分析可以很好地预测碳化深度,除了小裂缝宽度下(0.0~0.1mm),数 值分析估计的碳化深度是略高于现场数据。 这种差异被认为是基于这样一个事实: 在提出的 技术中裂纹的流量项被认为与裂缝宽度的平方成比例关系。

图 12 计算数据与现场数据比较(完好的地下结构)

图 13 计算数据与现场数据比较(完好/开裂的地上结构)

图 14 开裂混凝土中的计算数据与现场数据比较

6.结论
下面的结果是从以上的调查中得出的: 通过在早龄混凝土碳化过程考虑材料的影响如孔隙度、饱和度、温度以及孔隙率变化, 利用多组分水化模型和微孔结构的形成模型中的碳化预测技术已经能够处理二氧化碳扩散 系数。 实验数据得到的数值计算结果的比较表明, 该模型能较准确预测开裂混凝土的碳化深度。 已开发的模型可以用作评估钢筋混凝土结构的耐久性的工具, 从而可以帮助避免由于碳 化引起的损伤。


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