基于碳化深度控制的高性能混凝土配合比设计方法.pdf

分类号 TU528 密级 一.UDC _专业学位硕士学位论文基于碳化深度控制的高性能混凝土 配合比设计方法专业学位名称 工程硕士（建筑与土木工程领域）基于碳化深度控制的高性能混凝土配合比设计方法摘要在一般大气环境下，由于混凝土碳化引起的钢筋锈蚀常有发生。合理 优化混凝土配合比设计，制备出高性能混凝土，并准确的预测混凝土结构 的碳化深度，及时采取防护措施是避免结构破坏的关键。鉴于此，本文根 据混凝土碳化机理，基于混凝土碳化深度分析的实用预测模型，建立基于 配合比设计参数的碳化深度多因素计算模型；开展混凝土加速碳化试验，验证碳化深度多因素计算模型的正确性和普适性；结合混凝土强度多因素 模型和混凝土材料成本计算模型，提出基于碳化深度控制的混凝土配合比 设计方法。本文主要研究内容包括：(1)建立了基于配合比设计参数的混凝土碳化深度的多因素计算模型。根据混凝土碳化深度分析的实用预测模型获得了 7822组标准碳化环境条件(温度为202 C,相对湿度为705%,CO2浓度为203%)下普通混 凝土、单掺粉煤灰混凝土、单掺矿渣混凝土以及复掺粉煤灰和矿渣混凝土 的碳化深度数据，定量分析了水胶比(或水灰比)、粉煤灰掺量和矿渣掺量 等材料因素对混凝土碳化深度的影响规律，进而采用基于最小二乘法的非 线性回归分析，建立了标准碳化环境下基于材料参数的混凝土碳化深度多 因素计算模型，并利用文献试验数据验证了该模型的正确性和适用性，为 基于碳化深度控制的高性能混凝土配合比设计奠定了模型基础。(2)建立了基于均匀设计的混凝土碳化深度的多因素计算模型。基于 均匀设计方法开展混凝土配合比设计，制备了 7组试件并开展碳化试验，利用最小二乘法建立基于均匀设计的混凝土碳化深度多因素模型，利用文 献试验数据进行验证，并通过对比基于大批量生成数据和基于均匀设计的 两种混凝土碳化深度多因素模型，证明了基于均匀设计的碳化深度多因素模型的合理性。（3）提出了基于碳化深度控制的高性能混凝土配合比设计方法。结合 混凝土强度多因素模型和混凝土材料成本计算模型，研究提出了基于碳化 深度控制的混凝土配合比设计方法，并通过实例验证基于该方法制备得到 的混凝土能达到强度高、抗碳化性能强且经济性良好的效果，为混凝土配 合比设计提供了新思路。关键词：混凝土碳化耐久性多因素计算模型均匀设计配合比设计MIX DESIGN AND PREPARATION OF HIGHPERFORMANCE CONCRETE BASED ONCARBONATION DEPTH CONTROLABSTRACTIn t h e g ener a l a t mo sph er ic envir o nment,st eel c o r r o sio n c a used by c o nc r et e c a r bo na t io n o f t en o c c ur s.Rea so na ble o pt imiza t io n o f c o nc r et e mix d esig n,pr epa r a t io n o f h ig h-per f o r ma nc e c o nc r et e,a c c ur a t e pr ed ic t io n o f c o nc r et e st r uc t ur e c a r bo niza t io n d ept h,t imely pr o t ec t io n mea sur es a r e t h e key t o a vo id st r uc t ur a l d a ma g e.In view o f t h is,a c c o r d ing t o t h e Ca r bo na t io n Mec h a nism o f c o nc r et e a nd t h e pr a c t ic a l pr ed ic t io n mo d el o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h a na lysis,a mult i-f a c t o r c a lc ula t io n mo d el o f c a r bo na t io n d ept h ba sed o n mix d esig n pa r a met er s is est a blish ed.Th e a c c eler a t ed c a r bo na t io n t est o f c o nc r et e w a s c a r r ied o ut t o ver if y t h e c o r r ec t ness a nd univer sa lit y o f mult i-f a c t o r c a lc ula t io n mo d el o f c a r bo na t io n d ept h.Co mbining mult i-f a c t o r mo d el o f c o nc r et e st r eng t h a nd c o nc r et e ma t er ia l c o st c a lc ula t io n mo d el,c o nc r et e mix pr o po r t io n d esig n met h o d ba sed o n c a r bo na t io n d ept h c o nt r o l w a s pr o po sed.Th e ma in c o nt ent s o f t h is pa per inc lud e:(1)St ud y o n t h e mult i-f a c t o r c a lc ula t io n mo d el o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h ba sed o n d esig n pa r a met er s.And 7822 set s o f d a t e o f c a r bo na t io n d ept h f o r o r d ina r y c o nc r et e,f ly a sh c o nc r et e,sla g c o nc r et e,f ly a sh a nd sla g c o nc r et e in t h e st a nd a r d c a r bo niza t io n envir o nment(t emper a t ur e is o f 202,r ela t ive h umid it y is o f 705%,CO2 c o nc ent r a t io n is o f 203%)w a s g ener a t ed a c c o r d ing t o t h e pr a c t ic a l c a r bo na t io n pr ed ic t io n mo d el.Th en t h e inf luenc es o f w a t er-c ement r a t io(o r w a t er-bind er r a t io)a nd miner a l a d mix t ur es o n c a r bo na t io n d ept h o f c o nc r et e w er e a na lyzed.Mea nw h ile,a mult i-f a c t o r c o mput a t io n mo d el f br c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h in t er ms o f ma t er ia l pa r a met er s und er t h e st a nd a r d c a r bo niza t io n envir o nment w a s d evelo ped by inmea ns o f t h e no nlinea r r eg r essio n t ec h niq ue ba sed o n t h e lea st sq ua r e met h o d.Fina lly,t h e a c c ur a c y a nd a pplic a bilit y o f t h e pr o po sed mo d el w a s va lid a t ed by c o mpa r ing w it h ex per iment a l d a t a.Th e mo d el f o und a t io n is est a blish ed f o r t h e mix pr o po r t io n d esig n o f h ig h per f o r ma nc e c o nc r et e ba sed o n c a r bo na t io n d ept h c o nt r o l.(2)St ud y o n mult i-f a c t o r c a lc ula t io n mo d el o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h ba sed o n unif o r m d esig n.Seven g r o ups o f spec imens w er e pr epa r ed a nd c a r bo na t io n ex per iment s w er e c a r r ied o ut ba sed o n t h e unif o r m d esig n met h o d.A mult i-f a c t o r mo d el o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h ba sed o n unif o r m d esig n w a s est a blish ed by using t h e lea st sq ua r e met h o d.By c o mpa r ing t w o mult i-f a c t o r mo d els o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h ba sed o n ma ss pr o d uc t io n d a t a a nd unif o r m d esig n,it w a s r a t io na be t h a t t h e mult i-f a c t o r mo d el o f c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h ba sed o n unif o r m d esig n is pr o ved.(3)Resea r c h o n mix d esig n met h o d ba sed o n c o nc r et e c a r bo na t io n d ept h c o nt r o l.Co nsid er ing t h e st r eng t h a nd ec o no my o f c o nc r et e,c o mbined w it h t h e mult i-f a c t o r mo d el o f c o nc r et e st r eng t h a nd t h e c o st c a lc ula t io n mo d el o f c o nc r et e ma t er ia l,t h e d esig n met h o d o f c o nc r et e mix r a t io ba sed o n c a r bo na t io n d ept h c o nt r o l is pr o po sed.Th e c o nc r et e pr epa r ed by t h e met h o d c a n be pr o ved by t h e ex a mple t o a c h ieve h ig h st r eng t h,st r o ng c a r bo na t io n r esist a nc e a nd g o o d ec o no mic per f o r ma nc e,w h ic h pr o vid es a new id ea f o r t h e c o nc r et e mix d esig n.KEY WORDS:Ca r bo niza t io n o f c o nc r et e Dur a bilit y Mult i f a c t o r c a lc ula t io n mo d el Unif o r m d esig n Mix pr o po r t io n d esig nIV目录摘要.IABSTRACT_ ID第一章绪论.11.1 研究背景和意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 混凝土碳化机理.21.2.2 影响混凝土碳化的因素.31.2.3 混凝土碳化深度的预测模型.51.2.4 混凝土试验设计方法.91.2.5 混凝土配合比设计方法.变.131.3 本文研究内容和创新点.151.3.1 主要研究内容.151.3.2 论文的技术路线.151.3.3 主要创新点.16第二章基于配合比设计参数的混凝土碳化深度多因素计算模型砒究.172.1 混凝土碳化深度分析的实用预测模型.172.2混凝土碳化深度数据的生成及分析.192.2.1 普通混凝土.192.2.2 单掺粉煤灰混凝土.212.2.3 单掺矿渣混凝土.232.2.4 复掺粉煤灰和矿渣混凝土.252.3 回归分析的最小二乘法.262.4 混凝土碳化深度的多因素计算模型.27241普通混凝土模型.272.4.2单掺粉煤灰混凝土模型.292.43单掺矿渣混凝土模型.302.4.4复掺粉煤灰和矿渣混凝土模型.32v2.5 混凝土碳化深度多因素计算模型的验证.352.6 小结.38第三章基于均匀设计的混凝土碳化深度的多因素计算模型研究.393.1 混凝土原材料.393.1.1 水泥.393.1.2 粗骨料.393.1.3 细骨料.403.1.4 矿物掺合料.413.1.5 外力口齐！.423.2 混凝土制备.423.2.1 配合比设计原则和基本参数.423.2.2 均匀试验设计.433.2.3 混凝土的搅拌、成型和养护.453.3 混凝土的碳化试验.47331试验方法和步骤.473.3.2试验结果.483.4 基于均匀设计的混凝土碳化深度多因素计算模型.493.4.1 基于配合比设计参数的碳化深度多因素计算模型的验证.493.4.2 基于碳化试验数据的混凝土碳化深度多因素计算模型.503.5 小结.52第四章 基于碳化深度控制的混凝土配合比设计方法研究.544.1 混凝土强度和耐久性的质量控制.544.1.1 强度配制值.544.1.2 耐久性配制值.584.2 混凝土经济性分析及材料成本计算模型.624.3 基于碳化深度控制的混凝土配合比设计方法的流程与步骤.684.4 基于碳化深度控制的混凝土配合比设计实例.714.5 混凝土配合比设计方法的验证.744.5.1 混凝土强度的验证.74VI4.5.2 混凝土碳化深度的验证.754.6 小结.76第五章结论与展望.775.1 主要结论.775.2研究展望.78参考文献.79致谢.86攻读学位期间科研成果.87攻读学位期间参与的科研项目.88VII广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制的高性熊混凝土配合比设计方法第一章绪论1.1 研究背景和意义混凝土是近现代使用最广泛的建筑材料，因为具有抗压强度高、施工方便、性价比 高、耐火性好等优点成为当今世界上用量最大的人造建筑材料，随着混凝土的大量使用 其结构的耐久性问题引起了各国的重视。混凝土结构的耐久性研究主要包括钢筋锈蚀、氯盐侵蚀、冻融作用及碳化作用等。根据美国统计数据显示臼，由于工业厂房钢筋混凝 土结构腐蚀对美国造成的损失高达280亿美元；在前苏联，由混凝土结构耐久性问题 带来的经济损失就高达其固定资产的16%；据英国环保部门的报告统计川，由钢筋破坏 造成的钢筋混凝土建筑结构年维修费用多达5.5亿英镑；其中需要维修或者重建的建筑 结构，占钢筋混凝土建筑结构的36%。我国，对于混凝土结构损伤破坏，维修费用高达 1000亿元以上因此，对于日益突出的混凝土结构耐久性问题，非常有必要在这些领 域上开展研究。研究混凝土的碳化可以找到混凝土钢筋锈蚀，混凝土剥落和开裂等耐久性问题的原 因。其中，混凝土的碳化是指环境中的CO2通过孔隙扩散到混凝土中，与水泥水化产物 发出反应，并有碳酸钙沉淀、混凝土孔溶液pH发生变化的物理化学过程。混凝土中发 生了由水泥水化产物（碱性）转变为碳酸钙沉淀（弱碱性）的过程，使得碱性降低，从而破 坏钢筋表面的钝化膜，诱导钢筋锈蚀，导致混凝土耐久性问题的发生，如混凝土的开裂、剥落等。随着大气中C5浓度逐年升高带来的全球气候变暖，由混凝土碳化引起的混凝土 耐久性问题正日益突出。资料表明，自20世纪70年代以来，大气中CO2的浓度增加了 大约25%,预计在本世纪末大气中C6的浓度将继续升高，这样温室效应加剧，进 而造成混凝土结构所处的环境温度提高。而姜安玺等研究认为，混凝土碳化随温度的 提高而加剧。由此可见，混凝土结构耐久性破坏与环境CO2浓度的持续增加密切相关，这将导致 不可估计的经济损失。鉴于此，非常有必要建立能够准确预测混凝土碳化深度的模型，有针对性地开展碳化环境下混凝土试验，结合经济性，开展高性能混凝土的配合比设计，达到延长混凝土结构服役寿命的目的，是一项具有重大现实意义和社会经济效益的研究 课题。1广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制的高性能混凝土配合比设计方法1.2 国内外研究现状1.2.1 混凝土碳化机理研究者认为混凝土的碳化是一个复杂的过程，随着碳化反应的发生，混凝土中伴 随着固相，液相和非均质气体多相连续变化。Ch eng s等通过对比四种试验方法来测定 混凝土的碳化深度，四种试验结果表明，从碳化深度变化和孔结构的pH值可以证实混 凝土碳化过程分为三个碳化区：完全碳化区，部分碳化区，未碳化区，且碳化区大概是 完全碳化区的2倍。So ng等对混凝土的碳化过程进行研究，结果显示，空气中的酸性 气体CO2与水泥中的钙发生反应，转化为Ca CO3,因此混凝土的孔结构发生改变，混凝 土的渗透性随之变化。Sh a ikE等开展了混凝土加速碳化试验，通过研究混凝土孔隙率 变化对碳化深度的影响来研究混凝土的耐久性，研究表明，可渗透空隙的体积减小导致 孔隙率的降低，混凝土的碳化深度随着二氧化碳暴露的持续时间而增加。Pa pa d a kisU2H 通过开展试验研究了低钙粉煤灰和高钙粉煤灰对孔隙率的影响，研究表明水泥中的可碳化物质包含Ca(OH)2，CSH,未水化的C2s和C3S。图1-1混凝土碳化反应示意图(以Ca(OH)2为例)Fig.1-1 Th e r ea c t io n o f c o nc r et e c a r bo na t io n(t a ke Ca(OH)2 f br ex a mple)实际上，混凝土内部为多孔结构，并且各空隙之间具有一定的连通性，为CO2有效 地扩散到混凝土内部提供良好条件，从而促进碳化的进行口纥而且水泥水化过程中，会生成碱性物质，如：氢氧化钙(Ca(0H)2,简写为CH)、水化硅酸钙(3Ca O2Si023H2。，简写为CSH)以及部分未水化的硅酸三钙(3Ca OSO2,简写为C3S)和硅酸二钙QCa OSOz,简写为C2S)0水泥水化的化学反应方程式具体如(1-1)(1-4)所示四：2(3Ca O-SiO2)+6H2O3Ca O-2SiO2-3H2O+3Ca(OH)2(1-1)2(3Ca O-SiO2)+4H2O-3Ca O-2SiO2-3H20+Ca(OH)2(1-2)4Ca O-Fe2O3+2Ca(OH)2+2Ca 2s 2H20H 8H2O(1-3)6Ca O-Al2O3-Fe2O3-2Ca25O4 24H2O3Ca O.Al2O3+Ca 2sO4-2H2O+10H2O 3Ca O-A12O3 Fe2O3-Ca25C4 12H2O(1-4)2广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制 的高性熊混液土配合比设计方法其中，水化反应过程伴随混凝土固相、液相和孔隙非均质体的形成。杨静、赵永 兴、陈立亭网、王博网等一致认为，空气中的C02溶解于混凝土内部并与水泥水化 产物互相作用，生成碳酸钙，如图1-1所示。混凝土碳化过程涉及的具体的反应方程式【812如下：Ca(OH)2+CO2 CaCO3+2 H2O(1-5)CSH+3CO2-3CaCO3-2 SiO2-3H2O(1-6)C3S+3CO2 SSiO2 /H2O+3CaCO3(1-7)C2S+2 CO2“J Sio2 ZH2O+2 CaCO3(1-8)从(1-5)(1-8)式可以看出，C02溶于水并与氢氧化钙发生反应生成碳酸钙。碳化后 的混凝土，在强度、结构、质量、pH值上发生显著变化。从混凝土强度方面，因为碳 化产物Ca CO3的强度大于反应物Ca(0H)2,所有随着碳化的进行混凝土的强度得到提高 1刀。碳化作用使得混凝土中孔溶液的pH值降低，大约降至8.59.02。而Ba bush kin0 的研究表明：水泥水化产物Ca(0H)2、CSH、C2AH稳定存在的pH值分别为：12.23、10.4、11.43。国外学者Pa pa d a kis】对钢筋锈蚀开展了研究，结果显示，钢筋表面的钝 化膜在pH小于等于11.5时变得不稳定，而当pH值降到9.88时钝化膜开始遭到破坏。据电化学反应原理卬,在酸性环境下钢筋锈蚀容易发出且伴随体积膨胀，对混凝土孔结 构造成影响，导致混凝土发生胀裂、脱落等破坏，对混凝土耐久性产生恶劣影响。1.2.2 影响混凝土碳化的因素从混凝土的碳化机理可以看出，影响混凝土碳化因素主要包括包括：材料因素、环 境因素和施工因素。1、材料因素(1)水灰比水灰比混凝土碳化速率的影响很大。水灰比越大，混凝土的密实性能越差，越有 利于CO2在混凝土中的扩散，从而降低混凝土的抗碳化性能。研究者因初的观点与此 一致。Kh unt h o ng kea w】等开展了自然碳化试验和加速碳化试验，研究显示：水灰比较 低的情况下，加入适量的粉煤灰可以得到抗碳化性能较好的混凝土。蒋利学卬】、朱安民 28等的试验数据表明：混凝土的碳化深度随着水灰比的增大而增大。(2)水泥种类不同的水泥种类影响可碳化物质的量的多少，从而导致混凝土碳化速率的不同。冯 3广西大学工程硕士学位论文基于碳化深友控制的高性熊混凝土配合比设计方法乃谦129】、方璟等即】研究了不同水泥对混凝土抗碳化性能的影响，其抗碳化性能的大小关 系为：硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,粉煤灰掺合料水泥,矿渣掺合料水泥。(3)水泥用量单位体积混凝土中，水泥用量增加，水泥水化生成的可碳化物质的量增多，混凝土 中的碱性物质也相应增多，从而抗碳化性能得到越高。水泥用量决定了混凝土中可碳化 物质的量。与此同时，水泥用量的增加还可以改善混凝土的密实性和工作性能，阻碍了 CO2在混凝土中的扩散，使得碳化速率降低。陈立亭口8、蒋利学即、李立、黄士元网 等通过碳化试验得出，在一定范围内，混凝土碳化速率随着水泥用量的增加而减慢，但 超过一定范围后，水泥用量的增加对混凝土碳化速率影响不明显。(4)矿物掺合料混凝土中掺入的矿物掺合料主要包括：粉煤灰、矿渣和硅灰。矿物掺合料的掺入，具有两个方面的作用。一方面，在胶凝材料总量不变的情况下，掺入矿物掺合料导致单 位体积水泥用量减少，使得水泥水化生成的可碳化物质的量减少，且矿物掺合料的二次 水化对可碳化物质的进一步消耗，将加快混凝土的碳化速率；另一方面，矿物掺合料本 身具有的微填充作用，对混凝土孔结构起到改善的作用，从而增强了混凝土的密实性能，对C02的扩散有一定的阻碍作用，碳化速率降低。文献32-34的研究结果显示，在一定 范围内，随着粉煤灰掺入量的增加,混凝土碳化深度随之增加；SimM、陈烽网、s ulph a的 等的研究表明，随着矿渣掺量的增加，混凝土碳化深度增加；对于掺入硅灰的混凝土，Pa pa d a kisl15李春晖、牛荻涛口刀、Sula ph a阈等对其抗碳化性能开展了研究，结果表明，混凝土碳化深度与硅灰掺量呈负增长的相关关系。2、环境因素(1)温度温度是影响混凝土碳化的重要的环境因素之一。当环境中的温度升高，C02在混凝 土中的扩散和反应速率都会加快。李果网等研究了温度对混凝土碳化的影响，研究表明，水灰比和环境相对湿度对混凝土碳化速率的影响程度小于温度。蒋清野等收集了大量 的碳化数据，提出如(1-9)所示的关系式：式中，4、马为两种环境绝对温度，单位为K。(2)相对湿度4广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制 的 高性能混凝土配合比设计方法环境相对湿度对混凝土中孔隙水的饱和度具有很大的影响，进而影响C02在混凝土 中的扩散，最终影响碳化速率3叫当空气中相对湿度小于30%时，液相环境无法满足碳 化所需，此时的碳化反应难以进行；混凝土在空气相对湿度大于80%时，孔隙水饱和较 高，不利于CCh的扩散，碳化速率较慢。RussellK。】认为相对湿度在55%65%之间混凝 土的碳化速率到达峰值。试验结果显示口1】，混凝土的碳化速率在50%70%相对湿度内 最快。(3)环境CO2的浓度环境CO2的浓度越高，混凝土内外的CO2浓度梯度越大，导致碳化速率越快，混凝 土抗碳化性能降低。研究者冽2728普遍认为，混凝土的碳化深度与环境CO2浓度的平 方根成正比。3、施工因素施工过程中的质量问题对混凝土碳化的影响不可小觑。搅拌、振捣、养护方法和龄 期等对混凝土的碳化速率有很大的影响。研究表明HR,混凝土长龄期抗碳化性能受自然 养护影响很大。相同的养护条件下，碳化速率随龄期增长而减小1.2.3 混凝土碳化深度的预测模型目前，混凝土碳化深度预测模型主要包括四大类，基于气体扩散理论的理论模型、基于试验结果的经验模型、基于扩散理论和试验结果的建立的理论经验模型和考虑不确 定性系数的随机模型。当前，普遍认为混凝土碳化深度与碳化时间的关系为：Xc=k.&(1-10)式中，&混凝土的碳化深度(mm)；k碳化速率系数(mm d。；)；t碳化时间(d)。1、理论模型理论模型是基于碳化反应过程分析和扩散理论建立的。前苏联学者阿列克谢耶夫 基于Fic k第一定律，假设单位时间内扩散进入混凝土中的CO2全部参与碳化反应，根 据可碳化物质的质量守恒定律推导出混凝土碳化理论模型：乂不卜1。石(Ml)V m。式中，DeCCh在混凝土中的有效扩散系数(m2/s)；5广西大学工程硕士学位论文基于谈化深度控制 的 高性能混凝土配合比设计方法Co环境中的C02的浓度(mo l/n?)；mQ单位(楸蹴士MCO2吸收量。Pa pa d a kis【i3】根据碳化反应化学平衡，结合碳化机理建立混凝土碳化深度与C02Ca(OH)2 CSH、C2S、C3s 的模型关系：2g c(yCa(OH)2+3CSH+3C3S+2 C2S(M2)式中，DeCO2在混凝土中的有效扩散系数(m2/s)；CO20环境中的C02的摩尔浓度(mo l/m3)；Ca(OH)2 CSH C2S C3S0可碳化物质的初始摩尔浓度。随着时间的推移，研究者对上述模型进行如下简化口叫X*8。)(M3)c V0.33CH+0.214CSH张誉、蒋利学等基于混凝土碳化理论模型，综合考虑水泥用量、水灰比、相对湿度(RH)和C02浓度等因素的影响，建立了碳化深度模型：Xc=839(1-RHYJW/潢4 Cg(1-14)式中，RR一环境相对湿度；W/C混凝土的水灰比；C水泥用量(kg/m3)。2、经验模型国内外学者基于大量的碳化试验数据，综合考虑多因素并提出多种碳化深度预测模 型，其中主要包括基于水灰比预测混凝土碳化深度的经验模型，基于混凝土碳化强度预 测碳化深度的经验模型和基于多因素影响系数的经验模型。(1)基于水灰比预测混凝土碳化深度的经验模型目前，具有代表性的基于水灰比的经验模型如表1-1所示。该模型主要考虑了水灰 比对混凝土的碳化具有较好的相关性。但是对于混凝土的质量问题，水灰比不能全面反 映该问题44o6广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制 的高性柜混凝土配合比设计方法表1-1基于水灰比的经验模型Ta ble 1-1 Th e c o nt inuo us g r a d ing r a ng e o f t h e g r a vel模型参数含义(1)日本岸谷孝一模型(W/C-0.25)rW/O0.6：乂=展匕/4-c c a 03(1.15+3W/C)叱 4.6W/C-1.76 rW/C 10-0.245 廿九8+0.54 几(2)牛荻涛模型48Xc K-*2.74 yjt J(3)中国科学院模型【49】v z 60.0 x rX。=4 a2 a3(-1.0)71fcukA一水泥强度；加28一混凝土 28天抗压强度；A骨料品种影响系数；K-水泥品种影响系数。K一环境和养护时间的修正系数；Tea一混凝土抗压强度标准值。a i一养护条件影响系数；0.2-水泥口口种影响系数；03一环境条件修正系数；入廿一混凝土抗压强度标准值。经验模型通常用影响系数来体现各因素对碳化深度的影响，而该系数通常来自单批 碳化试验统计分析得到的，因此建立的模型不具备广泛的普适性。(3)基于多因素影响系数的经验模型目前存在的具有代表性的多系数模型如表13。模型可以较精确地计算特定材料混 凝土的碳化深度，但是由于试验操作的误差因素的影响，将会导致模型广泛性不足。7广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制的新性脂混凝土配合比设计方法表1-3基于多因素影响系数的经验模型Ta ble 1-3 Empir ic a l mo d el ba sed o n mult i-f a c t o r inf luenc e c o ef f ic ient 模型 参数含义K-水泥品种影响系数；(1)黄士元模型5。Kc-水泥用量影响系数；W/OO.6：X=14,27KK产K黑7.“勺=(-。,。1%C+9.311)x 1；:nn F Kw一水灰比影响系数，W/CV0.6：%=73.54次屋巴55%适用；一水泥色型变系数硅酸盐水泥取1其他Xc=839(l-RH)U 34 c o M品和yc=1-修合科皆重；7HD-水泥用量水化程度系数，养护28天取 0.85,养护90天取1。(2)刘亚芹模型【53】Xc-K-KCOi.T.A：s.839(1-RH)!1Co环境中CO2浓度，%；C-水泥用量，kg/m3；Krh、Kes、Kt、Ks 分别表不环境湿度、环 境二氧化碳浓度、环境温度、混凝土应力状态的 影响系数；其他参数意义同上。.Jw g o-。包“aV/hd/c4、混凝土碳化随机模型研究者对碳化深度模型的不定性系数进行分析，提出了关于混凝土碳化深度的随机 模型4854：4=2.56降内长9/底。-电)期(第 J CU式中：T-环境年平均温度；me一混凝土立方体抗压强度平均值与标准值之比；Kmc，K”&。2,Kp分别表示计算模式不定性系数,8-0.76)(1-15)角部修正系数，二氧化碳广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制 的 高性能猥凝土配合比设计方法浓度，浇筑面修正系数。随机模型将混凝土碳化反应的不确定性进行深入研究，模型中也体现各参数的作用,却未考虑参数见的偶合作用。1.2.4混凝土试验设计方法试验设计是根据试验目的研究有关试验的设计理论方法，而试验设计的目的是为了 获得试验条件与试验结果之间的规律。目前，试验设计方法主要包括：全面试验法、正 交设计试验法、均匀设计试验法，见图l-2o图1-2全面试验、正交设计试验、均匀设计试验对比 Fig.1-2 Co mpa r ed c o mpr eh ensive t est ing,o r t h o g o na l d esig n a nd unif o r m d esig n 1、全面试验法全面试验法将每一个因素的不同水平组合成试验点，如图l2(a)所示，在试验中经 常遇到的是多因素试验设计的问题，每个因素又取多个水平，对于3因素3水平的试验，需要进行33=27次试验。在试验因素和水平较少的情况下，采用全面实验法可以获得较 全面的试验结果，分析数据较精确。然而在因素、水平都比较多的情况下，全面试验法 存在试验次数多，试验周期长，试验费用高2、正交设计试验法目前最流行、效果较好的试验方法之一，它的特点是“均匀分散，整齐可比”，如 图l-2(b)所示，对于3因素3水平的试验，至少需要开展32=9次试验。正交设计可通 过正交表来实现，正交试验相对于全面试验法试验的次数少，相应周期短，达到省时省 力的效果。郑木莲网从水泥用量、水灰比及集料级配三个方面考察多孔混凝土结构，采用正交 试验设计，各因素取四个水平开展试验，对试验结果进行方差分析，提出了多孔混凝土 配合比设计的经验公式法。9广西大学工程硕士学位论文基于碳化深度控制 的 高性能混凝土配合比设计方法王德民5刀采用正交设计试验，以水胶比和粉煤灰为因素，开展了两因素三水平的强 度试验，进行极差分析和方差分析，运用二元线性回归进行拟合，建立水胶比、粉煤灰 掺量与抗压强度的关系式，可以准确地预测任意给定粉煤灰掺量混凝土的强度值。何世钦网研窕不同的试验因素(如水泥、粉煤灰、硅灰和外加剂等)对高性能混凝土 强度的影响，采用正交试验设计，开展了三水平、四因素的强度试验，采用线性回归建 立各因素与混凝土强度的预测模型，研究表明，正交设计试验可以高效、准确地应用到 混凝土工程实践的配合比设计。李雁根据试验目的运用正交设计确定试验方案，研究高性能化海砂混凝土强度与 水胶比、掺合料掺量及种类、细骨料种类和养护时间的相关规律，开展混凝土强度试验，通过直观分析和极差分析试验结果。研究表明。混凝土强度的影响因素依次为掺合料掺 量及种类V细骨料的种类V养护时间V水胶比。俞然刚6。等为了研究水泥、粉煤灰、碎石、砂和外加剂等的因素对自密实混凝土工 作性和强度的影响规律，通过采用正交试验设计确定试验方案，并进行配合比设计开展 试验。研究运用正交试验方法探讨不同因素对自密实混凝土性能的影响，确定了混凝土 的配合比方案。3、均匀设计试验法均匀设计在正交设计的基础上进行了更深一步的优化，最早由方开泰网】教授和数学 家王元在1978年共同提出，其中心思想是“均匀分布”，不再强调“整齐可比”，只考 虑试验点在试验范围内均匀散布对3因素3水平，如图l-2(c)所示，对于3因素3 水平的试验，只需要进行3次试验即可，保证每个面有一个试验点，对试验因素和水平 较多的情况，均匀设计有很高的应用价值。与正交设计类似，确定实际的试验设计方案 时，也可以选择均匀设计表进行方案设计。周梅雨等设计了 5因素11水平的均匀设计试验，研究环氧树脂、固化剂、增韧剂、填料和砂率等对树脂混凝土强度的影响，利用统计分析软件SPSS建立了强度回归方程。研究证明，回归方程的预测值与实测值之间的误差较小，说明SPSS软件建立的回归方 程精度足以保证实验结论的可靠性。吕大刚6引等介绍了均匀设计响应面法，结构可靠度分析的均匀设计响应面法，基于 均匀设计响应面的混合模拟法，利用ANSYS实现均匀设计的响应面法，通过一个门式 平面框架为例进行模拟对比分析，并且结果表明，在均匀设计进行配点的响应面法基础 上，可以建立的可靠度分析方法，该方法可在保证精度的前提下极大地提高了计算效率，10广西大