多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究.pdf

第 4 7卷 第 1 4期 2 0 1 6年 7月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 47， No 1 4 J u l y ， 2 0 1 6 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 1 4 0 0 8 6 0 4 多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究 郑 付 刚， 冯 宇 强 ( 中国电建集 团 成都勘测设计研 究院有 限公 司， 四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 混凝土碳 化是导致混凝土坝服 役性能降低的 内在 因素之一 ， 为保证 混凝土坝长效健 康服 役 ， 应揭示混凝 土碳化随 时间的演变规律 。基 于多孔介质理论 ， 以混凝土孔 结构为基础 ， 从决 定碳 化的基本 物理化 学条件 出 发 。 研 究 了冻融和应力作用对混凝土孔 隙率 变化的影响 ， 并据此 建立 了多因素 协 同作 用下混凝土碳化 深度预 测模 型。试验数据验证 结果表 明 ， 所建立的预测模型有效性较好 。 关键词 ： 预测模型 ；多因素 ； 孔 隙率 ；混凝 土碳 化 中圈法分 类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ： A DO I ： 1 0 1 6 2 3 2 j e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 1 4 0 2 0 l 研 究背景 碳化是指空气 中的酸性气体 C O ： 通过孔 隙和裂 缝向混凝土内部扩散并与碱性物质发生反应 ， 使混凝 土碱性下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过 程 。相关数据统计表明， 空气 中 C O ：浓度正呈现出 逐年上升 的趋势 ， 同时， 工厂排泄的废液和废渣也可使 地下水中的 C O ：浓度增加。而混凝土结构 特别 是混 凝土坝多数直接暴露在大气或者水 中， 混凝土碳化是 一 个不可忽视的问题 ， 如古 田溪二级大坝就 因碳化危 害严重， 改造耗资 2 5 0 0万。已有研究成果根据试验 研究数据建立了多种 经验性碳化模型 ， 这些经验 模型主要分为两大类 ， 即以水灰 比和水泥用 量为主要 参数的模型， 以及以抗压强度为主要参数 的模型 ， 但是 这些早期的经验模型中均没有考虑荷载作用对混凝土 碳化深度的影响。随着对碳化影 响因素研究 的深入 ， 许多学者通过试验方法提出了荷载对混凝土碳化深度 的经验公式 ， 如金祖权等通过快速碳化实验研究混凝 土在荷载作用下的碳化深度， 结果显示加载后混凝土 碳化深度 D 和未施加荷载混凝土碳化深度 D。 与荷载 率 s 呈指数关系， D =D 。 1+ ( S ) ， 其中|i 、 m均 为常数 ， 该预测模型能很好地描述在施加荷载后混 凝土的抗碳化能力变化情况 ， 但是该模型仅适用于文 中特定的加载方式 ， 而忽略了混凝土在受拉 和受压等 不 同加载方式对混凝土碳化的不同影响。 因此 ， 如何根据混凝 土碳化 的基本物理化学条件 和碳化试验结果 ， 提 出碳 化深度 的预测模型仍是需要 深入研究的问题。本文从 多孔介质理论入手 ， 研究典 型因素对混凝土材料微观结构 的影响， 建立多因素协 同作用下混凝土碳化深度预测模型。 2 混凝土碳化作用 水泥水化后的产物为氢氧化钙、 水化硅酸钙、 水化 铝酸钙 、 水化硫铝酸钙等 ， 其稳定存 在的 p H值分别为 1 2 2 3 ， 1 0 4， 1 1 4 3和 1 0 1 7 。当 C O 在混凝土孔隙 水 中溶解并 向浓度较低 的区域扩散时 ， 会与氢氧化钙、 水化硅酸钙 以及未水化 的硅酸三钙、 硅酸二钙等可碳 化物质发生反应 。碳化作用的结果包括 2个方面。 ( 1 )碳化产物 C a C O 和其他固态物质充填在孔 隙中， 造成混凝土孔隙率下降， 使混凝土密实度和强度 提高。然而 ， 混凝土密度的增加会产生碳化收缩现象 ， 试验 表 明有 些 试件 碳 化 收缩 变 形 可达 到 4 m m m ， 且相对湿度对其影 响较 大， 当相对湿度低于 2 5 时， 碳化基本上不发生， 而接近 1 0 0 时 ， 碳化也会停 止 ， 其收缩过程如图 1所示 。当收缩受到约束时 ， 可能导 致产生微小裂缝 ， 影响混凝土的力学性能 ， 现场检测结 果发现 ， 碳化对混凝土抗压强度 的影响非但没有增加 反而降至一半左右。 ( 2 )碳化作用会使混凝土脆性变大， 孑 L 隙水中 p H 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 31 6 作 者简 介 ： 郑付 刚 ， 男， 工程师 ， 博士 ， 研 究方向为水利水 电工程安全监测研 究。E ma i l ： 3 7 0 5 0 4 2 4 1 q q c o rn 第 1 4期 郑付刚 ， 等 ： 多 因素协 同作用 下混凝土碳 化深度 预测模 型研究 8 7 值降低。从动力学角度看 ， C O 向混凝 土内部扩散是 一 个缓慢的过程 ， 施工 良好 的混凝土坝碳化过程不足 以引起水泥水化物大量碳化分解。因此对于厚度较大 的素混凝土而言 ， 碳化危害不大， 但是对于平板坝及带 有钢筋 的混凝土薄壁坝而言， 碳化可造成 混凝 土内部 p H降低 ， 破坏钢筋钝化膜 ， 引起钢筋锈蚀 ， 导致其力学 性能和黏结强度退化 。例如， 锈蚀钢筋的名义屈服强 度 与原屈服强度 、 锈蚀截面损失率 。 之间的关系 为： = ( 1一a t ) ， 口为常数。此外 ， 锈蚀率也对极 限黏结强度具有 明显的影响 ， 进 而影 响混凝土坝服役 性 能 。 图 1碳化收缩随相对湿度 的变化 3 多因素作用下碳化深度预测模型的建立 混 凝 土碳化 过程 是 一个 复杂 的物 理化 学过 程 。根 据 F i c k第一扩散定律结合初始条件可 以得到碳化深 度随时间变化的理论数学模型为 = = k c a 2t l 1 2 式中， t 为碳化时间 ； D。 。 为 C O ： 有效扩散系数 ； C 。 。 ， 为 C O ： 浓度 ； 为单位体积混凝土吸收的C O 摩尔数 ， k 为碳化速度系数。然而室 内试验与实际混凝 土坝 碳化过程是有显著区别 的， 应用时要合理建立室内快 速碳化与 自然碳化之间的关系， 众多学者也进行 了大 量 的研究 ， 然而大多成果都是用试验数据直接进行数 据拟合 ， 缺乏明显的物理涵义 。研究表明 ， C O 有效 扩散系数与孔隙率之间的关系为 D 。 C 。 ( 2 ) 因此 ， 本文决定从碳化的基本物理条件 出发 ， 通过 分析实际混凝土坝工作状态对混凝土孑 L 隙率的影 响， 来研究混凝土碳化深度 随时间的变化过程 ， 并结合试 验结果进行验证。综合 考虑混凝土 坝实际工作 环境 ( 温度 、 湿度 、 冻 融以及应力状 态) 对有效扩散 系数的 影响， 建立了以下多因素协同作用下混凝土碳 化深度 预测模型 ： h。 。 = k T k R H k k k 。 。 ，t ( 3 ) 式 中， k 为温度影响系数 ； 1 肋 为湿度影响系数； 为 冻融影响系数； k 为应力影响系数 ； k 。 ， 为室 内碳化速 度系数。 3 1 温度和相对湿度的影晌 环境温度和相对湿度对混凝土碳化有较明显的影 响， 大量室内和室外研究表 明， 在常温作用下 ， 碳化深 度随温度 的升高而增加 ， 随环境相对湿度 的增加而减 小。根据混凝土碳化数据库资料 ， 拟合其影响系数为 k r： ( 4 ) k R H = ( 5 ) 式 中， 和 为环境平均温度和室 内试验温度， 用绝 对温度表示 ； R H和R H o 为环境平均湿度和室 内试验相 对 湿度 。 3 2冻融的影响 混凝土发生冻融后 ， 孔结构劣化 ， 其结构由密实到 松散并伴随着微裂缝的出现和发展 ， 使得混凝土孔隙 率增加 ， 为 C O ： 在其 内部扩散提供 了有利条件 ， 从 而 加快混凝土碳化。假设混凝土孔隙率的增加与原来孑 L 隙率 币 。 成比例 ： d b d N =O l ( 6 ) 式 中， O l 为混凝土材料参数， 可 由试验数据拟合； 为 冻融循环次数 ； 为孔隙率。 对式( 6 ) 进行积分得 咖 = o e x p ( N) ( 7 ) 综合式 ( 2 ) 和式( 7 ) 可以得到冻融影响系数为 k =e ( 8 ) 式中 ， k 为与实际环境温度等价的试验拟合系数 。 3 3 应 力对 混凝土碳化 的影响 混凝土坝因承受荷载作用会产生应力 ， 应力 的性 质和大小会导致混凝土孑 L 结构的变化 ， 从而影响混凝 土碳化作用 ， 在弹性 区域 内， 应力与孔隙率之间的关系 可表 示为 。 a q, = ( 一 去 ) d ( 9 ) 式 中， K为混凝土 的体积模量 ； K 为混凝土基质的体 积模量； 为有效平均应力( 以拉为正) 。将孔隙看作 弹性模量为 0的离散相 ， 混凝土 的体积模量和混凝土 基质的体积模量之间的关系可 以表示为 K = K ( 1 0 ) 式 中， 为与基质? 自 松 比 和孑 L 隙形状有关的系数 ， 对于球形孔隙 ， =( 1+ ) 2 ( 12 v ) ， 对于其 他类型的孔隙 ， 一般大 于上值。将式 ( 1 0 ) 代人 式 ( 9 ) 并将其积分得 ： O 一 m( 1 1 ， 8 8 人 民 长 江 式 中， 咖 。 为应力水平为 0时的初始孔隙率 。因此 ， 应 力作用下孔隙率为 咖 =币 。 e x p ( 0 o r K ) ( 1 2 ) 鉴于混凝土强度和拉压情况 的不同， 结合式 ( 2 ) ， 本文采用下式描述拉压应力对于碳化的影响 ： ： p ( 0( 1 3 ) 【 e x p ( k c f o ) or 0 式 中， k 和 k 分别为拉压状态下材料系数 和 分别 为混凝土抗拉和抗压强度 ， 可根据试验资料拟合曲线。 4 模型验证 利用现场试验成果对本文提出的模 型进行验证。 文献 8 在研究冻融循环对水泥基材料碳化性能影 响 时 ， 对不同配合 比的试件分别经受不 同次数冻融循环 后进行快速碳化试验。试验研究表明 ， 冻融作 用会大 大降低水泥材料的抗碳化性能 ， 经历冻融循环次数越 多 ， 抗碳化性能越差 ， 试验结果见表 1 。根据试验数据 用本文提出的式( 7 ) 进行拟合验证 ， 如 图 2所示 ， 从 图 2中可以看出本文提出的混凝土碳化冻融影响系数具 有较强的适用性。 表 1 冻融循环后混凝土碳化深度 m m 2 氟 罐 O 5 1 o t 5 冻融次数 图 2混 凝 土 碳 化 冻 融 影 响 系数 文献 1 0 提出 了在不同应 力水平作用下混凝 土 碳化快速试验方法 ， 试验数据见表 2 。根据提供 的数 据对本文所提模型进行拟合验证 ， 如图 3所示 ， 从 图中 可 以看 出本 文 提 出的 式 ( 1 3 ) 可 有 效 反 映混 凝 土 在 弹 性范 围内应力作用下的碳化情况 。 值得说明， 当混凝土的应力大于某一限值时， 或其 他原 因导致 混凝 土产生裂缝后 ， 此 时式 ( 1 3 ) 不再适 用。例如 ， 在研究冻融循环对碳化深度影响时 ， 有试件 经历多次循环后会 出现裂纹 ， 引起裂缝处 的表观碳化 深度 比未发生裂纹的部位大很多。针对该现象 ， 当裂 缝扩展形成贯穿裂缝后 ， C O 可沿着裂缝通道向周围 混凝土侵蚀 ， 此时可以将裂缝方 向作为新坐标轴 ， 简化 为二维无限体扩散模型进行求解 ， 如图 4所示。 表 2 不 同应力水平下混凝土碳化深度 m m 注： 拉应 力为正 ， 压应力为 负； 试验混凝土试件抗压 强度 为 一 2 O 3 MP a ， 抗拉 强度 为 1 8 4 M P a 。 图 3 混凝土碳化应力影响系数 ， ， ， ， ， ： 坝体 ， ， ， ， ， - _ _ 一 一， ： 裂缝 ， ， ， ， ， ， ， 图 4二 维 示 意 图 5 结 语 利用多孔介质理论和扩散理论 ， 分析研究 了混凝 土碳化深度扩展规律 ， 并基于冻融和应力作用对混凝 土孔隙率 的影响 ， 建立 了多因素协 同作用下混凝土碳 化深度预测模型 ， 解释 了冻融和应力对碳化影响的物 理涵义。然而， 影响混凝土坝材料特性变化 的因素有 很多， 除去碳化影响外 ， 冻融 、 硫酸盐 和溶蚀等典型因 素也是主要因素之一 ， 研究多个破坏 因素 的耦合作用 也是 迫切 需要 解决 的 问题 。 参考文献 ： 1 肖佳 ， 勾成福 混凝土碳化研 究综述 J 混凝土 ， 2 0 1 0， ( 1 ) ： 4 0 4 4 2 牛获涛， 陈 亦奇 ， 于澍 混凝 土结 构的碳化 模 式与碳化 寿命 分析 J 西安建筑科技大学学报 ， 1 9 9 5 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 9 3 牛获涛， 董振 平， 浦聿修 预测混凝土碳化深度的随机模型f J 工 第 1 4期 郑付刚 ， 等： 多因素协 同作 用下混凝 土碳 化深度预测模型研 究 8 9 4 5 6 7 业建筑 ， 1 9 9 9， 2 9 ( 9 ) ： 4 1 4 5 金祖权 ， 孙伟 ， 张云升 ， 等 荷栽作 用下混凝 土的碳化 深度 J 建 筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 2 ) ： 1 7 9一l 8 3 冯乃谦 ， 邢锋 混凝 土与混凝土 结构的 耐久性 M 北 京： 机械 工 业 出版 社 2 0 09 张誉 ， 蒋利 学， 张伟 平 混凝 土结构耐 久性概论 M 上 海： 上海科 学技 术出版社， 2 0 0 3 蒋清野 混凝土碳化数据库与 混凝 土碳化 分析 D 北京： 北京 交 通 大学， 1 9 9 7 8 9 1 0 Ha n G ，Du s s e a u l t M B De s c r i p t i o n o f fl u i d fl o w a r o u n d a we l l b o ro w i t h s e s s d e p e n d e n t p o r o s i t y a n d p e r me a b i l i t y J J o u r n a l o f P e - t rol e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g 2 0 0 3 ， 4 0 ( 1 2 ) ： 11 6 吴中如 重大水工混凝 土结构病 害检测与健康诊断 M 北京： 高 等教 育 出版社 ， 2 0 0 5 袁 承斌 ， 张德 峰 ， 刘荣桂 ， 等 混凝 土在 不 同应 力状 态 下的碳化 J 建 筑结构 ， 2 0 0 4， 3 4 ( 4) ： 3 23 4 ( 编辑： 胡旭东) S t ud y o n c o nc r e t e c a r b o na t i o n d e pt h pr e d i c t i o n mo de l u nd e r c o i n flu e nc e o f mul t i f a c t o r ZHENG Fu g a n g，FENG Yu q i a n g ( P o w e r C h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Co nc r e t e c a r b on i z a t i o n i s o ne o f t he i nt r i ns i c f a c t o r s t h a t ma y c a us e s e r v i ce pe rfo r ma n c e d e g r a d a t i o n o f c o nc r e t e d a mI n o r d e r t o e n s ur e t h e l o n gl a s t i n g s e r v i c e o f c o n c r e t e d a m ，t h e e v o l u t i o n l a w o f c o nc r e t e c a r bo n a t i o n s ho u l d b e r e v e a l e d Ba s e d o n t he p o r o u s me di a t h e o r y a n d t he c o n c r e t e po r e s t r uc t u r e，a nd s t a r t i n g f r o m t h e b a s i c ph y s i c a lc h e mi c a l c o n di t i o n s o f c a r b o ni z a t i o n，t h e i n flu e nc e o f f r e e z i n gt h a wi n g c i r c l es a n d s t r e s s s t a t e s o n t he v a r i a t i o n o f c o nc r e t e po r os i t y i s s t u di e dAc c o r d i n g t o t h e s t u d y r e s u l t s ，a mu l t i f a c t o r p r e d i c t i o n mo d e l o f c a r b o n i z a t i o n d e p t h i s e s t a b l i s h e d T h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d mo d el i s v e r i fie d b y nu me r i c a l s t u dy Ke y wo r d s ：p r e d i c t i o n mo d e l ； mu l t if a c t o r ； p o r o s i t y ；c o n c r e t e c a r b o n a t i o n ( 上 接 第 5 9页 ) Di s c us s i o n o n s e v e r a l i s s ue s o f c o nc r e t e f a c e r o c k fi1 1 d a m Y A N G Q i g u i 。 ， T A N J i e x i o n g 一， Z H O U X i a o mi n g ，G A O D a s h u i ( 1 C h a n g fi a n g I n s t i t u t e o fS u r v e y ， P l a n n i n g， D e s i g n a n d R e s e a r c h ，Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 2 N a t i o n a l D a m S a f e t y E n g i n e e r - i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ，W u h a n 4 3 0 0 1 0， C h i n a ) Abs t r a c t： Mo d e m CFRD c o n s t ruc t i o n ha s de v e l o p e d r a pi dl y i n Ch i n a du e t o i t s un i qu e a dv a nt a g e s，ho we v e r t he CF RD c o n s t r uc t i on i s r e s t r a i n e d b y hi g h d i s e a s e r a t i o a n d d i f f i c u l t i e s i n da ng e r i ns p e c t i o n a nd t r e a t me n t ，wh i c h a f f e c t s i t s f ut ur e p r o g r es s Co mbi n g wi t h t h e p l e n t i f u l e ng i n ee r i n g p r a c t i c e o f CFRD c o ns t ru c t i o n a t ho me a n d a b r o a d，we c a r r y o ut di s c us s i o n a b o ut s e v e r al i s s u e s i n CFRD c o n s t r uc t i o n，a n d p ut f o r wa r d t he f o l l o wi ng s ug g e s t i o ns：t he a ux i l i a ry wa t e rpr o o f b l a n k e t a t d a m f r o n t c o u l d be r e mo v e d t o f a c i l i t a t e t h e u nd e r wa t e r i n s p e c t i o n a nd r e i nf o r c e me nt ；t h e wa t e r e mpt y f a c i l i t y i s r e q ui r e d，a nd t he I nt e r me di a t e wa t e r s e a l i n g i n p e r i p h e r a l j o i n t c o u l d b e r e m o v e d w h i l e t h e t o p w a t e r s e a l i n g s h o u l d b e s t r e n h e n e d Ke y wo r d s ： wa t e r p r o o f b l a n k e t ；b l o w d o w n f a c i l i t y ；wa t e r s e a l i n g s t r u c t u r e；C F RD ( 上接第 7 5页 ) St u dy o n m e c ha n i c a l pr o p e r t i e s o f t wo - wa y flu i d - s t r uc t ur e i nt e r a c t i o n o f Fr a n c i s t u r bi ne r un ne r S HI Xi a n g z h o ng 。 ，ZHAO W e n l u，YAN Xu e c h u n ，L I U An r a n ( 1 C o l l e g e of W a t e r C o n s e rva n c y a n d H y d r o p o w e r ， H e b e i U n i v e r s i t y of E n g i n e e r i n g ， H a n d a n 0 5 6 0 2 1 ， C h i n a ； 2 T h e F if t h R e s e a r c h a n d D e s i g n I n s t i t u t e of N u c l e a r I n d u s t r y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7， C h i n a ) Abs t r ac t： Fo r a hi g h s p e c i fic s p e e d Fr a n c i s t ur b i ne，t he s t r e s s a n d s t r a i n c o n di t i o n o f r u nn e r b l a d e a n d t h e i nt e rna l flo w c ha r a c t e r i s t i cs we r e c a l c u l a t e d a n d a na l y z e d b y us i n g t h e me t h o d o f t wowa y flu i d s o l i d c o u p l i ng a l g o r i t h mTh e r e s u l t s s h o w t ha t a n- d e r hi g h r o t a t i n g s pe e d a n d s ma l l flo w，t he ma x i mum de f o r ma t i o n o c c u r s a t t he l o we r po s i t i o n o f b l a de t a i l e d g e a n d wi t h r e l a t i v e l a r g e d e f o r ma t i o n a t t h e b l a d e t a i l e d g e c e n t r e ， t h e s t r e s s c o n c e n t r a t e s a t t h e b l a d e h e a d e d g e ，t a i l e d g e ，h u b ， j o i n t p o s i t i o n o f t a i l e d g e a n d s hr o ud；f o r o t h e r c o n di t i o n s，t h e ma x i mu m de f o rm a t i o n o f b l ad e i s a t b l a de t a i l e d g e c e n t r e a n d t h e s t r e s s c o nc e n - t r a t e s a t t h e j o i n t p o s i t i o n o f t a i l e d g e a n d h u b T h e b l a d e d e f o r ma t i o n i s s m al l w h e n t h e t u r b i n e r u n n e r o p e r a t e s n o rma l l y a n d h a s l i t t l e i mp a c t o n t he t ur b i ne i n t e ma l flo w fie l dTh e t wowa y flui d s o l i d c o up l i n g c a l c ul a t i o n i s un n e c e s s a r y i f o n l y t he h y d r a u l i c p e r f o r ma n c e o f t u r b i n e i s n e e d e d t o b e a n a l y z e d Ke y wor d s： s i mu l a t i o n a na l y s i s；flu i ds t ruc t u r e i nt e r a c t i o n；me c h a ni c a l pr o pe r t i e s；F r a n c i s t u r b i n e