基于碳化模型的混凝土殘余壽命影響因素研究

黃 麗，沈東美

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

目前，國內外的專家、學者都一致認同混凝土的碳化深度x與碳化時間t的平方根成正比關系，即其中碳化系數反映碳化速度的綜合參數[1]。國內外的廣大學者圍繞著影響碳化系數的因素，展開了大量的室內快速碳化試驗、室外暴露碳化試驗和大量的針對實際工程的碳化調查[2-4]。研究者根據所考慮的主要因素的不同，歸納出碳化系數k的不同表達形式，從而提出了很多碳化深度計算模型[5-10]，一般分為3類：（1）基于碳化試驗的經驗模型；（2）以擴散理論為基礎的理論推導模型；（3）基于擴散理論和試驗結果的模型。本研究基于碳化試驗的經驗模型，通過室內快速碳化試驗研究水泥用量、水膠比、環境的溫度、濕度、CO2濃度與混凝土碳化深度的關系。

1 試驗設計

1.1 原材料

華潤水泥廠42.5普通硅酸鹽水泥、二級低鈣粉煤灰、細度模數為 2.5～2.8，洞庭湖中砂、5～20 mm連續級配碎石、國內某公司提供的高效減水劑、自來水。

1.2 試驗方法

混凝土力學性能按《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/T50081—2002）進行，混凝土碳化試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》（GBJ82—85）進行。

2 混凝土碳化影響因素研究

2.1 水泥用量的影響

圖1為不同水泥用量下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖1可以看出：隨著水泥用量的增加，混凝土各齡期的碳化深度逐漸降低，且隨著齡期的增加，因混凝土越來越致密，使其碳化速率逐漸變慢。隨著水泥用量的增加，混凝土28 d抗壓強度呈先增后減的趨勢，這是因為在混凝土抗壓強度達到最大值之前，混凝土中膠凝材料不足以將骨料充分膠結，隨著水泥用量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增加，當其抗壓強度達到最大值后，水膠比不變，水泥用量的增加必然導致單方用水量增加，而水泥用量增加對混凝土強度的貢獻低于用水量增加對強度的降低作用，從而使得混凝土抗壓強度呈下降趨勢。

圖1 不同水泥用量下混凝土碳化深度和抗壓強度

2.2 水膠比的影響

圖2為不同水膠比下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖2可以看出：隨著水膠比的提高，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加，而28 d抗壓強度則逐漸降低。這是因為降低水膠比，可以有效減少混凝土中的毛細孔，增加混凝土的密實度，從而提高混凝土的抗壓強度和抗碳化性能。且當水膠比小于0.4時，混凝土碳化過程較為緩慢，其碳化深度增長不很顯著。

圖2 不同水膠比下混凝土碳化深度和抗壓強度

2.3 粉煤灰摻量的影響

圖3為不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖3可以看出：隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加，而28 d抗壓強度則逐漸降低。粉煤灰取代水泥，使得單位體積中水泥用量減少，水泥水化反應生成的Ca（OH）2物質減少，堿儲備降低，粉煤灰與水泥水化產物Ca（OH）2發生二次反應，進一步降低了混凝土的堿度，使混凝土抗碳化能力減弱。

圖3 不同粉煤灰摻量下混凝土碳化深度和抗壓強度

2.4 CO2濃度的影響

圖4為不同CO2濃度下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖4可以看出：隨著CO2濃度的增加，其向混凝土的擴散速率也將逐漸增大，進而導致混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加，其28d抗壓強度逐漸降低。

圖4 不同CO2濃度下混凝土碳化深度和抗壓強度

2.5 環境溫度的影響

圖5為不同環境溫度下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖5可以看出：隨著環境溫度的升高，CO2的擴散速度提高，混凝土碳化的化學反應速度提高，可碳化物質的遷移速度也在提高，這些均有助于混凝土碳化速度的提高，從而使得混凝土的碳化深度顯著增大，而隨著溫度的升高，混凝土中水泥水化程度增大，從而有利于混凝土28d抗壓強度的提高。

圖5 不同環境溫度下混凝土碳化深度和抗壓強度

2.6 環境濕度的影響

圖6為不同環境相對濕度下混凝土28 d抗壓強度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由圖6可以看出：隨著環境相對濕度的增加，混凝土碳化深度先增后減，在70%濕度下最大。這是因為隨著環境相對濕度的提高，CO2在混凝土內的擴散速度也將逐漸增大，但當其達到一定值后，繼續提高環境相對濕度，混凝土內部的孔隙水飽和度將增大，這將阻礙 CO2在混凝土內的擴散速度，同時由混凝土碳化的化學反應方程可知，混凝土的碳化反應是一個釋放水的反應，故隨著混凝土內部水分的增多，也將阻礙混凝土碳化反應的進行，進而導致混凝土各齡期碳化深度隨環境相對濕度的增加而顯著降低。同時，隨著環境相對濕度的增加，混凝土表面水分蒸發減慢，促使混凝土中水泥水化有充足的水分參與反應，進而有利于提高混凝土的抗壓強度。

圖6 不同環境相對濕度下混凝土碳化深度和抗壓強度

3 結論

隨著水泥用量的增加，混凝土各齡期的碳化深度逐漸降低；隨著水膠比的提高，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加；隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加；隨著CO2濃度的增加，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加；隨著環境溫度的升高，混凝土各齡期的碳化深度逐漸增加；隨著環境相對濕度的增加，混凝土碳化深度先增后減，在70%濕度下最大。

參考文獻

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