碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法.pdf

分类号 密级_UDC 编号专业学位硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性 定量分析模型与设计方法 碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法摘要大气环境中的二氧化碳通过扩散等作用不断地向混凝土内部传输，并 溶解于混凝土孔溶液中，与其中的碱性物质发生中和反应，导致混凝土中 钢筋周围的碱性降低，从而破坏钢筋表面的钝化膜，最终引起钢筋锈蚀、混凝土开裂剥落等耐久性劣化问题，甚至导致混凝土构件的承载能力降低。环境温度、相对湿度和二氧化碳浓度是影响混凝土碳化快慢的重要环境因 素，所以有必要综合考虑上述环境因素的影响，建立碳化环境下混凝土结 构的耐久性定量分析模型和耐久性定量设计方法，从而保证混凝土结构满 足预定的设计使用年限要求。鉴于此，本文主要围绕自然碳化环境条件下 混凝土结构的碳化分析模型以及混凝土结构的耐久性定量设计方法开展研 究。主要研究内容包括：(1)首先根据水泥水化和混凝土碳化的物理化学反应过程，结合混凝 土中二氧化碳、氢氧化钙和水化硅酸钙的物质的量守恒定律，研究了混凝 土碳化分析的多场耦合数值模型；然后基于混凝土的碳化机理，结合混凝 土碳化反应与水泥水化反应的化学物质平衡关系，确定了混凝土中氢氧化 钙和水化硅酸钙的初始浓度、氢氧化钙和水化硅酸钙的碳化反应速率系数、二氧化碳扩散系数等模型参数；最后基于有限差分法，提出了混凝土碳化 分析多场耦合数值模型的数值求解方法，从而为碳化环境下混凝土结构的 耐久性定量分析提供了基础。(2)基于混凝土碳化分析的多场耦合数值模型，结合64组标准碳化 环境卜混凝土碳化试验数据，定量分析确定了时间步长、空间步长、矿物 掺合料二次水化程度系数等模型参数的推荐取值，进而结合101组标准碳 化环境下的混凝土碳化试验数据和149组非标准碳化环境下的混凝土碳化 试验数据，验证分析了该模型的计算精度和适用性，从而为开展碳化环境下混凝土结构的耐久性定量设计提供了基础。(3)基于混凝土碳化分析的多场耦合数值模型，以50年设计使用年 限的碳化深度限值作为控制指标，确定了混凝土碳化环境作用的等级划分 标准和量化表征体系；然后结合基于逐步回归分析的非线性拟合方法，分 别利用二次、三次和四次多项式作为拟合函数，建立了自然环境条件下温 度、相对湿度和二氧化碳浓度对混凝土碳化深度的环境影响函数，进而以 标准碳化环境下混凝土的碳化速率系数限值作为控制参数，提出了自然碳 化环境条件下混凝土结构的耐久性定量设计方法。关键词：混凝土碳化环境作用量化耐久性定量设计Quantitative Durability Analysis Model and Design Method of Concrete Structure in Carbonation EnvironmentABSTRACTCarbon dioxide in atmospheric environment is continuously transmitted to concrete through diffusion and dissolved in concrete pore solution.It reacts with alkaline substances in concrete,resulting in the decrease of alkalinity around steel bars in concrete,thus destroying the passive film on the surface of steel bars.Cracking and spalling,and even lead to a decrease in the load bearing capacity of concrete member.Ambient temperature,relative humidity and carbon dioxide concentration are important environmental factors affecting the carbonation speed of concrete.Therefore,it is necessary to establish quantitative durability analysis model and design method for concrete structures in the carbonized environment by taking into account the influences of the above environmental factors comprehensively.In view of this,this thesis focuses on the carbonization analysis model and quantitative durability design method of concrete structures under natural carbonized environmental conditions.The main research contents include:(1)According to the physical and chemical reaction process of cement hydration and concrete carbonation,as well as the conservation law of carbon dioxide,calcium hydroxide and calcium silicate hydrate in concrete,the multi-field coupling numerical model of concrete carbonation analysis was studied firstly.Then several important model parameters(such as the initial concentration of calcium hydroxide and calcium silicate hydrate in concrete,reaction rate of carbonation for calcium hydroxide and calcium silicate hydrate,diffusion coefficients of carbon dioxide)were determined based on the carbonation mechanism of concrete as well as the chemical balance relationship between concrete carbonation reaction and cement hydration reaction.Finally,a numerical solution method for multi-field coupled numerical model of concrete incarbonation analysis is established based on the finite difference method,which provides a basis for quantitative durability analysis of concrete structures under carbonation environment.(2)The influences of time step,space step size,mineral admixture secondary hydration degree coefficient and other models on the multi-field coupled numerical model of concrete carbonation analysis were investigated based on 64 sets of concrete carbonation test data under standard carbonation environment.Then the recommended values of the above parameters were determined.Finally,the accuracy and applicability of the multi-field coupled numerical model of concrete carbonation analysis were validated by comprising combined with 101 sets of concrete carbonation test data under standard carbonation environment and 149 sets of concrete carbonation test data under non-standard carbonation environment,which provides a basis for quantitative durability design of concrete structures under carbonation environment.(3)Based on the multi-field coupled numerical model of concrete carbonation analysis,the classification criteria and quantitative characterization of concrete carbonation environment were determined according to the carbonation depth of concrete with design service-life of 50 years.Then the quadratic,cubic and quadratic polynomials were adopted to fit the environmental impact function of temperatures,relative humidity and carbon dioxide concentration on the carbonation depth of the concrete under natural environmental conditions by using the non-linear regression analysis method.Then the quantitative durability design method for concrete structures under natural carbonation environmental conditions was proposed by adopting the carbonation rate coefficient of concrete under standard carbonation environment as the control parameter.KEY WORDS:Concrete;Carbonation;Quantification of environmental action;Quantitative durability design method.IV目录摘要.IABSTRACT.Ill目录.V第一章雌.11.1 研究背景和意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 混凝土碳化的影响因素研究现状.21.2.2 混凝土碳化分析模型的研究现状.41.2.3 碳化环境下混凝土耐久性设计的研究现状.91.3 本文的主要研究内容.101.4 本文的主要创新点.11第二章碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型.132.1 混凝土碳化分析的多场耦合数值模型.132.2 混凝土碳化分析模型的参数确定.162.2.1 水泥中CH和CSH的初始浓度.162.2.2 矿物掺合料中CH和CSH的初始浓度.18223 CO2扩散系数及CH和CSH的反应速率系数.202.3 混凝土碳化分析模型的数值求解方法.212.4 小结.25第三章混凝土碳化分析模型的参数敏感性分析与有效性验证.263.1 混凝土碳化分析模型的参数敏感性分析.263.1.1 时间步长和空间步长.263.1.2 矿物掺合料二次水化程度系数.273.2 标准碳化环境下的对比验证分析.313.3 非标准碳化环境下的对比验证分析.373.4 小结.46v第四章 碳化环境下混凝土结构的耐久性定量设计方法.474.1 碳化环境作用的等级划分与量化表征.474.2 混凝土结构碳化分析的环境影响函数.524.3 混凝土结构的耐久性定量设计方法.694.4 小结.82第五章结论与展望.845.1 主要结论.845.2 研究展望.85参考文献.86攻读硕士学位期间完成的学术成果目录.92VI广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法第一章绪论1.1 研究背景和意义混凝土作为当今土木工程领域的重要材料之一，具有强度高、可塑性好等优点，广 泛应用于工业与民业建筑、跨海大桥、水工大坝等工程结构中。然而，到上世纪70年 代末，人们逐渐关注到混凝土在腐蚀环境中往往出现过早的耐久性破坏。目前，国内外 已经发生了众多有关在役钢筋混凝土结构由于钢筋发生锈蚀造成结构承载力破坏、耐久 性失效的现象。在不考虑氯盐侵蚀和冻融循环的一般大气环境中，混凝土中的钢筋被周围混凝土溶 液中的高碱性环境保护而避免发生腐蚀现象。当溶解于混凝土溶液中的二氧化碳（CO?）与氢氧化钙（Ca（OH）2）发生化学反应，导致混凝土中的碱度降低，即发生碳化反应。当碳化深度到达钢筋表面时，在高碱性环境中形成的钢筋表面钝化膜就会发生脱落，从 而引起钢筋锈蚀，造成混凝土结构的破坏，导致结构的维修、加固和重建过程中需要耗 费大量的人力和物力。例如，位于美国城市的混凝土基础设施和港口工程，由于混凝土 开裂，使用2030年就开始劣化，其维修或重建费用是初始施工建设费用的数倍。1975 年，美国标准局宣称，混凝土耐久性不足引起的结构破坏，其损失多达700亿美元，其 中钢筋锈蚀损失占到40%。1984年，美国报告称，57.5万座钢筋混凝土桥梁中有一半 以上被腐蚀，其中40%由于承载力破坏而在结构上进行加固和修复，耗资超过50亿美 元；1988年钢筋混凝土因腐蚀破坏导致的加固费用高达2500亿美元；标准局的统计资 料表明，美国全年仅厂房钢筋锈蚀产生的经济损失为300亿美元；英国环保部门数据显 示，英国的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀需要维修或者重建的占36%,每年的维修费用 为5.5亿英镑。另一方面，根据世界气象组织2016年发布的温室气体公报，全球大气二氧化碳 浓度已上升至80万年以来的最高水平一一全球二氧化碳平均浓度达到了 0.0403%,继 2015年的0.04%之后，再度刷新历史记录。CO2浓度的升高，势必导致全球范围温室效 应的加剧，伴随着大气温度的进一步升高，反过来又促进了碳化反应发生的速率。自20 世纪70年代以来，地球的平均温度已经上升了 0.5。（：，而到21世纪末，预计平均气温 会上升1.4-5.8。（:。随着CO?浓度的逐年升高，碳化作用对混凝土结构的破坏愈加严 重。研究CO?在混凝土中的物理和化学反应，从设计角度入手，避免碳化对混凝土结构 广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的 耐久性定量分析模裂与设计方法造成不可逆转的破坏，从而提高混凝土结构的耐久性，延长混凝土结构的使用寿命，已 经是一个全球迫切关注的工程技术问题。然而，目前国内外耐久性规范对于碳化环境下的混凝土结构耐久性设计主要基于工 程经验和定性分析，依据不同的设计使用年限，按照不同的环境作用分类，预期通过选 取不同的最小保护层厚度和混凝土强度等指标来保证混凝土结构的耐久性，但是规范中 对环境作用等级的划分主要依据经验，而且未考虑环境温度、相对湿度、CC)2浓度对环 境作用等级划分的影响，也无法定量考虑环境温度、相对湿度、co2浓度对混凝土结构 耐久性的影响。因此，有必要研究建立碳化环境下混凝土结构的耐久性分析模型和耐久 性定量设计方法，从而保证混凝土结构满足预定的设计使用年限要求。1.2 国内外研究现状1.2.1 混凝土碳化的影响因素研究现状国内外众多学者指出，混凝土的碳化是一个复杂的物理化学反应过程。混凝土的碳 化速度主要取决于以下三方面影响因素：C02扩散速度、可碳化物质的量和碳化反应速 率，而这三个参数与混凝土的材料因素和环境条件密切相关。因此，需要从材料因素和 环境条件两个方面分析其对混凝土碳化反应的影响。(1)水胶比的影响张扬等5通过混凝土碳化试验研究，分析了水胶比对碳化深度的影响规律；随着水 胶比增大，混凝土内部孔隙越多，碳化深度随之增大。由于在混凝土内部的气孔和毛细 孔中，CO?的扩散是发生于孔隙内部的物理化学反应，胶凝材料用量不变的情况下，水 胶比越大，用水量变多，混凝土凝结硬化后孔隙中的水分蒸发留下越多的孔隙，为碳化 反应留下了更多的传输通道。因此水胶比一定程度上反映了孔隙的大小，决定了CO?的 扩散系数，是混凝土碳化速率的主要影响因素之一。文献6通过设置不同水胶比的混凝 土加速碳化试验，证实了碳化深度与水胶比存在正相关关系，当环境因素相同时，碳化 深度随着水胶比的增大而增大。(2)胶凝材料用量的影响胶凝材料用量决定着单位混凝土中可碳化物质的多少。文献5指出胶凝材料用量对 粉煤灰混凝土碳化深度的影响大致呈现出先增大后减小的趋势，并且碳化时间越长，碳 2广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法化深度越大，但碳化速度随着胶凝材料用量的增大的趋势略有减小。这是因为在胶凝材 料用量较少时，增加胶凝材料用量等同于增加可碳化物质的量，即为碳化反应提供更多 的原材料；然而当胶凝材料用量增大到一定程度后，混凝土抗碳化性能由于密实性的提 高而增强，反而降低了碳化反应速率。因此，胶凝材料用量也是控制混凝土碳化反应的 重要材料因素。（3）温度的影响随着温度的升高，CO2在混凝土中的扩散和反应速率都会增加。Stephen等国指出在 其他因素保持不变时，环境温度的细微改变不会对碳化造成显著影响，但是高温会增强 碳化效应，因为温度升高过度会导致环境变得干旱，相对湿度降低。处于温带气候时，因为低湿度和低温度因素的结合，冬季碳化性能会降低，通常也减慢了室外暴露化学反 应活性。和1825。（2的低常温地区相比，湿度相近但是温度略高例如3040。（2的地区，碳化性能通常会相对增加。Lin研究表明，在混凝土碳化过程中，温度的升高是一个十 分重要的环境影响因素，因为过高温度的环境使得水分容易蒸发，相对湿度降低，碳化 反应速率相比常温略有下降。但是从整体趋势来看，随着温度的上升，混凝土的碳化深 度呈现增大的趋势。（4）相对湿度的影响环境湿度同样对混凝土的碳化速率有着较大的影响。相对湿度决定着诞凝土孔隙水 饱和度的大小，一方面影响CO2的扩散速率，另一方面影响碳化化学反应的进行（混凝 土的碳化的化学反应均需在溶液中或溶液和固体的接触面上进行）。若是在湿度较小（即 很干燥）而CO2浓度又较大的情况下，虽然co?的扩散较快，但由于提供反应的溶液较 少，碳化速率还是较慢；在湿度较高时，混凝土的含水率较高，微孔中充满了水，阻碍 了 CO2气体在混凝土中的扩散，碳化速率也较慢。文献6分析了相对湿度和温度对碳化 深度的影响规律，提出在相对湿度处于50%70%时，混凝土中碳化扩散速度最为迅速；当相对湿度小于50%时，湿度条件不足以使碳化发生；当相对湿度大于70%时，水引起 的孔洞堵塞会阻止二氧化碳的进入，因为混凝土变得更加饱和。Leemann网通过研究不 同相对湿度（57%、70%和80%）和CO2浓度（0.045%、1%和4%）组合对混凝土碳化 的影响规律，提出CO?浓度为4%时，相对湿度范围在57%70%时混凝土的抗碳化性能 最弱。（5）CO2浓度的影响3广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法环境中的CC2浓度越大，混凝土内外CC）2的浓度梯度就越大，CC2向混凝土内部扩 散的动力也就越大，越容易扩散进混凝土孔隙中。同时，CO?的浓度越大，发生碳化的 各个反应的反应速度就越大。Roy等【9】提出在加速碳化试验条件下测试得到的碳化速率 系数，比普通大气环境下的显著偏高，这是因为试验室测试时，空气中的CO2浓度（6%）明显高于普通大气环境CO2浓度（0.03%0.06%）。张亚梅和明静阿进行了不同体积分 数CO2浓度条件下的加速碳化试验，发现当CO?浓度较低时，混凝土的碳化反应过程主 要受CO2扩散控制，当CO2浓度高时，CO?碳化过程受到碳化反应的影响较大。Van-Loe 等口 1通过对碳化数值模型中的参数进行敏感性分析以及试验验证，发现CO?浓度是影响 混凝土碳化速率最显著的参数之一。1.2.2 混凝土碳化分析模型的研究现状基于混凝土碳化的物理和化学反应规律以及试验数据分析，国内外学者提出了多种 混凝土碳化深度的预测模型，主要包括经验分析模型、理论分析模型和数值分析模型三 大类。下面分别介绍上述三大类模型的国内外研究现状。（1）经验模型Tuutti基于Fick第一定律,提出了混凝土碳化深度与碳化时间成比例的预测模型：儿=0（1-1）式中，儿为混凝土的碳化深度（mm）；石为混凝土的碳化速率系数/为暴 露于CO2环境的时间（d）0Demis等口引通过引入相对湿度和孔隙率影响因素，在文献12模型的基础上对CO?扩散系数进行了修正：32=6.以10（1 一%产（1-2）1 一二一I dA）式中，2为混凝土的二氧化碳有效扩散系数（?人）；&为碳化混凝土的孔隙率（）；分，为混凝土中包裹或夹带的空气体积分数（）空为单位混凝土中的骨料含量（kg/m3）；均为骨料密度（kg/n?）。文献14根据混凝土碳化理论模型的推导，考虑环境相对湿度、水灰比和水泥用量 4广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法等参数的影响，提出了对理论模型进行修正的经验模型：兀=839（1吆Cg （1-3）式中，舄吸为环境相对湿度（），适用范围火呢55%；为混凝土的水灰比；。为水泥用量（kg/m3）o牛荻涛等考虑矿物掺合料对碳化深度的影响，引入环境相对湿度、孔隙率等影响 参数，提出了复掺矿物掺合料混凝土的碳化深度计算模型：、二卜36G；*0乙（1.4）c V 恤式中，C。为二氧化碳体积分数（）；尺加为环境相对湿度；气为混凝土硬化和碳化后 总孔隙率（）;，为碳化时间（S）；%为完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量（mol/m3）0Zhang等“61通过标准试件碳化测试，建立了单掺矿粉高性能混凝土的碳化深度预测 模型：嗯花织*仆（-5）式中，/为标准试验条件下矿粉混凝土的碳化深度（mm）；/为碳化时间Qd）；Go,是 实际环境的二氧化碳浓度（）;C。为标准碳化试验条件下的二氧化碳浓度（）;K婚为 90天养护龄期的气体透气系数（1017m2）。李果等通过进行人工气候混凝土的碳化试验，提;H 了考虑环境温湿度气候条件的 混凝土碳化深度预测模型：式中，火的为环境相对湿度，适用范围为45%95%；T为环境温度，适用范围为 1060；4”为混凝土水灰比，适用范围为0.350.74；金丹为环境的二氧化碳浓 度（）。文献1盯考虑材料参数（骨料最大粒径，水泥种类，I型水泥类型的化学组成和水泥 密度）、初始养护龄期及环境参数（环境温度、相对外部湿度和空气中二氧化碳浓度），提出了修正后的混凝土碳化深度的预测模型：广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的 耐久性定量分析模型与设计方法.再严。-7）W+GDe=%x/（）x/（Dx/（）x/（/c,K4）x/（Zc）（1-8）式中，口为二氧化碳的扩散系数（m?/s）；。亳为新拌混凝土的二氧化碳扩散系数的函 数（n?/s）；/（&J为湿度函数；/（T）为温度函数；/（等）为集灰比函数；/（%礴（，口）为已碳化混凝土的孔隙率、水灰比和I型水泥的关系函数；COzL,为空 气中二氧化碳的浓度（）,。为吸收的二氧化碳的量（kg/n?）；/为碳化时间（s）。Ekolu等分析了相对湿度和温度对碳化深度的影响规律，提出了经试验数据修正 后的碳化深度预测模型：Xc（f.t）=eh-eS-eco-Cem（Fc（t）8 （1-9）式中，线为碳化深度（mm）；卜为环境相对湿度影响函数；为考虑有无覆盖的室外 暴露情况；eg为不同二氧化碳浓度的环境因素;cem和g为水泥材料的种类和性能参数；%）为水泥强度的时间函数；/为碳化时间（s）。Silva等口为通过搜集文献数据，利用多元回归分析方法提出了适用于不同湿度环境 的碳化预测模型：h=kd 旧 RH 70=0.556-Co-3.602 X-0.148/+18.734（1-11）,=3355-Co-0.019 JT-0.0427；+10.83（1.12）式中，丸为碳化深度（mm）;匕和左w为不同湿度条件下的碳化速率系数（mm/yea/）；1为CO2暴露时间（years）；C0为CO2含量（）；X为不同暴露等级系数（XC1环境取 1,XC3环境取2,XC4环境取3）；人为混凝土 28天抗压强度（MPa）。上述混凝土碳化深度分析的经验模型是国内外学者基于大量的快速碳化试验与室 外暴露试验及实际工程碳化调查，根据所考虑的碳化影响因素不同，提出的便于工程应 用的计算模型，具有计算简便的优点。但是该类模型是基于特定的材料组分和环境条件 所建立的，大多数经验参数没有明确的物理意义，缺乏广泛的适用性2叫另外，基于大 量快速碳化试验所建立的该类模型，没有充分考虑试验室环境和自然环境的区别，即没 6广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的 耐久性定量分析模型与设计方法有充分考虑标准加速碳化环境和自然环境下的温度、湿度及co2浓度的不同，模型计算 值与实测值往往具有明显的差异。（2）理论分析模型文献21基于单位时间内进入混凝土中的CO2全部参与反应、碳化过程主要受二氧 化碳在混凝土孔隙中扩散控制等假定,根据Fick第一扩散定律推导建立了经典的混凝土 碳化理论模型：l2DeCco r-xc=J-7t（1-13）V m。式中，儿为碳化深度（mm）；恤为完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量（mol/m3）；Ccs为混凝土表面处二氧化碳的摩尔浓度（mol/n?）；Q为二氧化碳在混 凝土中的有效扩散系数（n?/s）；，为碳化时间（s）。文献22考虑材料参数和环境参数的影响，将上述碳化理论模型中的可碳化物质的 量进行了修正，提出了修正后的混凝土碳化模型：若：（1/4）=%（，）上”）（1-15）式中，兀为碳化深度（cm）;己为/时刻CO2的扩散系数（cm2/d）；Go,为每单位 体积的CO?质量（g/cn?）；/为每单位体积混凝土吸收的CO2的量（g/cn?）；即（，）为 水泥浆体某时刻的水化程度；此为单位体积混凝土某时刻可碳化物质的摩尔浓度（mol/cm3）；Ko,为CO2的摩尔质量（=44mol/g）；/为碳化时间（d）。文献23利用化学反应动力学方法，建立了碳化反应速度与各反应物浓度之间的关 系，并根据碳化反应过程中二氧化碳、氢氧化钙及水化硅酸钙的质量平衡条件推导得到 简化的碳化分析理论模型：2De(CCO2/100)j-0.33CH+0.214CSH”(1-16)式中，2为碳化混凝土中的有效扩散系数（n?/s）；Cg为环境空气中混凝土表面二氧化碳的量（mol/m3）；CH和CSH分别为混凝土中氢氧化钙和水化硅酸钙的量（kg/m3）；f为碳化时间（d）o7广西大学工程硕士学位论文球化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法由此可见，混凝土碳化分析的理论模型基于质量守恒定律和Fick扩散定律，考虑了 碳化反应中的传输过程和化学反应，该类模型的优点在于大多数模型参数具有明确的物 理含义，且具有相当严谨的理论基础。不足之处存在两方面：一方面是模型参数通常涉 及微观的物理化学反应，不易确定精确数值，导致不便于工程应用，且假定各物理或化 学反应的发生均为理想状态，与实际情况存在较大差异；第二方面是虽然大部分模型是 基于严密的推导论证过程建立的，但是只考虑了 CO?扩散速率对混凝土碳化的影响，而 未综合考虑环境因素（如温度、相对湿度、CO2浓度）对混凝土碳化的影响。（3）数值分析模型Saetta等阿考虑温度场和相对湿度场对CO?传输及碳化反应的影响，并且考虑碳化 反应对温度场和相对湿度场重新分布的影响，提出了考虑温度场和相对湿度场的非线性 耦合碳化分析模型：=div（CVT）+萼+K号+萼（1-18）ot dt dt dt式中，b为导热系数（少/（mC）；C为水的传热系数（万/（mJC）；T、和Cg分别 为环境温度（C）、相对湿度（）及CO2的物质浓度（）；。为单位体积流失的热量（沙-s）；。.和Q分别为相对湿度变化和碳化反应单位体积变化所产生的热量（彳.s）。Steflfens等3考虑了温度、相对湿度和碳化速率系数对C02扩散系数的影响：Dc=D.-fT-fH-fk（1-19）式中，为标准碳化条件下的CO2扩散系数（而/s）；方和加为温度函数和相对湿度函 数；力为碳化速率系数函数。此外，Saetta等126在一维碳化数值模型的基础上，进一步提出了能够表述湿度、温 度和二氧化碳传输的混凝土碳化二维数值模型。Bary和SellierQI建立了水分、二氧化碳 和钙离子的耦合模型。Park128】基于碳化室内加速试验获取的CO2扩散系数，建立了 C02 扩散反应模型。Talukdar】等提出了可以反映气候条件对混凝土碳化影响的数值模型，该模型中考虑了时变的温度、湿度和CO2浓度等因素。由此可见，混凝土碳化分析的数值模型基于混凝土碳化的物理扩散和化学反应过 程，将混凝土结构碳化控制方程与相应的边界条件联立求解，能够得到混凝土内部不同 8广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构 的 耐久性定量分 析模 型与设计方法位置在不同碳化时刻的CO2浓度，但的求解过程较为复杂，不便于实际工程应用。123碳化环境下混凝土耐久性设计的研究现状(1)经验方法LNEC E464根据设计的混凝土结构服役寿命，对于不同的环境作用等级XC1、XC2、XC3和XC4,分别选择容许的最大水灰比、最小水泥用量、水泥种类、最小混凝土抗压 强度和最小保护层厚度进行定量设计13。混凝土结构耐久性设计规范(GB/T50476-2008)卬、铁路混凝土结构耐久性设计规范(TB1005-2010)囱、公 路工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTG/TB07-01-2006)网等规范根据不同的相对湿 度条件对环境等级进行了划分，并对相应环境下的混凝土耐久性参数做出了规定。其不 同环境作用等级下的保护层厚度取值见表1-1：表1-1不同耐久性规范的环境作用等级与最小保护层厚度Table 1-1 Level of environment action and minimum concrete cover of various durability standards文献31环境 作用等级最小保护层厚 度文献32环境 作用等级最小保护层厚 度文献33环境 作用等级最小保护层厚 度I-A20T120A20I-B20T220B20I-C25T330C30上述耐久性规范仅依据工程经验对环境作用进行大致划分，并基于此设置不同保护 层厚度，缺乏对环境作.用等级和最小保护层厚度取值的定量分析。(2)定量方法余波等Ml基于混凝土碳化的多场耦合数值模型，定量分析环境因素对混凝土碳化深 度的影响，并建立混凝土结构的碳化环境作用量化指标，建立混凝土碳化深度分析的实 用预测模型，进而对碳化环境下混凝土结构的服役寿命和耐久性设计参数进行定量分 析，在此基础上，以碳化速率系数作为耐久性设计参数，实现了碳化环境下混凝土结构 的耐久性定量设计。刘海阳定义了一般大气环境下混凝土结构碳化深度极限状态，并计 算了混凝土结构碳化深度极限状态的可靠指标处于不同保护层厚度、不同混凝土抗压强 度下的值，分析了可靠度的变化规律，提出了碳化深度极限状态下的目标可靠指标建议 值，为耐久性设计提供了有效依据。基于上述分析可知，混凝土耐久性设计方法中，经验方法是首先确定结构的设计使 用年限和环境作用等级，然后根据现有规范有针对性地确定混凝土结构耐久性设计参 数。此类方法的优点是计算简单、便于应用，但是规范中对环境作用等级的划分主要依 9广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型与设计方法据经验，缺乏理论分析。定量方法中未考虑自然环境等非标准环境条件下，混凝土温度、相对湿度、CO2浓度等环境因素对碳化的影响，且无法保证温度模型和相对湿度模型的 处于不同环境条件下的准确性，因此，现有的混凝土结构的碳化耐久性定量设计方法的 准确性有待验证。1.3 本文的主要研究内容本文主要围绕自然暴露环境下混凝土结构的碳化分析模型及混凝土结构碳化耐久 性定量设计开展研究，研究技术路径如图1-4所示。主要研究内容包括：第一章绪论。首先叙述了本文的研究背景及意义，进而分析了国内外现有的混凝 土碳化分析模型和碳化环境下混凝土结构耐久性定量设计的研究现状，最后总结了本文 的主要研究内容和主要创新点。第二章碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型。根据水泥水化和混凝土碳 化的物理化学反应过程，结合混凝土中二氧化碳、氢氧化钙和水化硅酸钙的物质的量守 恒定律，研究了混凝土碳化分析的多场耦合数值模型；基于混凝土的碳化机理，结合混 凝土碳化反应与水泥水化反应的化学物质平衡关系，确定了混凝土中氢氧化钙和水化硅 酸钙的初始浓度、氢氧化钙和水化硅酸钙反应速率系数、CO2扩散系数等模型参数；基 于有限差分法，提出了混凝土碳化分析多场耦合数值模型的数值求解方法，从而建立了 碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析模型。第三章 混凝土碳化分析模型的参数敏感性与验证分析。基于碳化环境下混凝土结 构的耐久性定量分析模型，结合64组混凝土的标准碳化试验数据，定量分析确定了时 间步长、空间步长、矿物掺合料二次水化程度系数等模型参数的推荐取值，进而结合101 组标准碳化试验数据和149组非标准碳化试验数据，验证分析了该模型的计算精度和适 用性，从而为开展碳化环境下混凝土结构的耐久性定量设计提供了基础。第四章碳化环境下混凝土结构的耐久性定量设计方法。基于碳化环境下混凝土结 构的耐久性定量分析模型，以50年服役寿命年限的碳化深度作为判别指标，确定了混 凝土碳化环境作用的等级划分标准和量化表征体系；结合基于逐步回归分析的非线性拟 合方法，分别利用二次、三次和四次多项式作为拟合函数，建立了自然环境条件下不同 温度、相对湿度和CO2浓度对混凝土碳化深度的影响函数，进而以标准碳化环境下混凝 土的碳化速率系数限值作为控制参数，提出了碳化环境下混凝土结构的耐久性定量设计 10广西大学工程硕士学位论文碳化环境下混凝土结构的耐久性定分析模型与设计方法方法。第五章结论与展望。总结了本文的主要研究内容及重要结论，然后提出了本文研 究中发现的问题和下一步的研究工作展望。图14本文研究的技术路径Fig.1-4 Research technical route of this thesis1.4 本文的主要创新点（1）综合考虑环境条件（如温度、相对湿度和CO2浓度）和材