冻融环境下混凝土碳化深度预测模型.pdf
《冻融环境下混凝土碳化深度预测模型.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冻融环境下混凝土碳化深度预测模型.pdf(4页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2 0 1 2 年 第 9期 (总 第 2 7 5 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o ml No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 0 2 冻融环境下混凝土碳化深度预测模型 于琦 ,牛荻涛 。 ( 1 西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ;2 屈锋 1 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 ) 摘要:
2、 从寒冷地区混凝土碳化机理出发, 分析了冻融循环对混凝土碳化的影响。 以P a p a d a k i s 碳化模型为基础, 采用数值分析的方法, 模拟冻融环境下混凝土碳化全过程, 给出混凝土碳化区p H值的变化规律。 在此基础上, 建立了混凝土碳化深度预测模型。 经验证, 模型计 算 值与工程检测结果 吻合较好 。 模 型的提 出为科学预测冻融环境下钢筋初始锈蚀时间奠定了基础。 关键词 : 冻 融环境 ;混凝 土碳化 ;p H值 ;数值分析 ;预测模 型 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9
3、 0 0 0 3 0 3 M o del f or pr e di c t i n g c ar bon a t i on de pt h of c onc r e t e i n f r e e z i ng - t ha wi n g c i r c ums t anc e y u , NF JDJ t a o , QUF e n g ( 1 Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y , Xi a n 7 1 0 0 5 5 , C h i n a ; 2 S c h o o
4、 l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , H u n an U n iv e r s i t y o f S c i e n c e and T e c hno l o gy , X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 , C h i n a ) Abs t r a ct: F r o m t he me c h a n i s m o f c o l d r e g i o n c o n c r e m c a r b o n a t i o n, f a c t o r s tha t i n flu e n c e c o nc
5、r e t e c a r b o na t i o n i n f r e e z i n g t h a wi n g c i r c u m s t a n c e a r e a n a lys e d Ba s e d o n the P a pa d a k i s mo d e l o f c o n c r e t e c a r bo n a t i o n, c o n c r e t e c a r b o n a t i o n p r o c e s s wa s s i mul a t e d, an d t h e v a ria t i o n p r i n
6、c i p l e o f t h e p H v a l ue i n the c a r bo n a t i o n z o n e o f c o nc r e t e wa s r e s e a r c h e d b y n u m e r i c a l me tho d s An d t h e n, a mo d e l f o r p r e d i c t ing c arb o n a t i o n d e p th o f c o nc r e t ei nfre e z i n g - t h a wi n g c i r c u ms t a n c ei s
7、p r e s e n t e d Th e r e s ul t s c a l c u l a t e db ythemo d e l a g r e e dwe l l wi t ht h e s po t - d a t a, a n di t c o ul dbeu s e d a s a r e f e r e n c e fo r p r e di c t i n g th e i n i t i a l c o r r o s i o n t i m e s o f s t e e l bar Key wor ds : fre e z i n g t h a wi n g c
8、i r c u ms t an c e; c o n c r e t e c arb o n a t i o n; p H v a l u e; n um e ric a l me thod; p r e d i c t ing mo d e l 0 引言 钢筋锈蚀是引起混凝土结构性能退化的主要原因, 而混凝 土碳化则是一般大气环境下钢筋锈蚀的前提条件。 目前 , 国内 外专家学者已提出了多种混凝土碳化深度预测模型 1- 5 】 , 这些模 型均适用于一般大气环境。 然而, 位于寒冷地区的混凝土结构不 仅会遭受碳化侵蚀, 在与水接触的部位还会发生冻融循环破坏。 冻融循环作用会使混凝土孔结构劣化
9、, 为二氧化碳向其内部扩 散提供有利条件, 加快了混凝土碳化。 利用现有的模型显然无法 准确计算出这一环境下混凝土的碳化深度。 近年来, 已有学者对冻融循环与碳化共同作用下的混凝土 耐久性问题做了相关研究。 周晓明等旧 应用损伤力学和断裂力 学理论提出了冻融与碳化交替作用时混凝土的损伤模型。 谢晓 鹏等啊 通过对混凝土试件进行快速冻融和碳化试验 , 探讨了钢 纤 维混凝土在 冻融与碳化后 的力学性 能 。 张鹏等 嘲 对经历 不 同 冻融循环次数的混凝土试件进行加速碳化试验 , 得到了冻融循 环对混凝土碳化的影响。 肖前慧等 对不 同配合 比的粉煤灰混 凝土试件先后进行了冻融、 碳化试验 ,
10、建立了冻融条件下混凝 土碳化深度模型。 由于该试验机制与寒冷地区混凝土结构实际 受侵蚀过程有所差别, 因此该模型不便于工程应用。 目前, 对冻融环境下混凝土碳化研究相对较少, 尚处于起 步阶段。 本研究模拟我国东北地区混凝土结构实际碳化一 冻融 过程 , 在 P a p a d a k i s tl O - I I 碳化模型基础上 , 考虑冻融循环对混凝 土孔隙的影响, 通过数值方法求解碳化区内 C a ( O H) : 浓度以及 p H值 , 根据 p H值对完全碳化区的定义 , 给出冻融环境下混凝 土碳化深度预测模型。 。 1 冻融环境 下的混凝土碳 化模型 混凝土碳化是指水泥石中的水化产
11、物与环境中的二氧化 碳作用, 生成碳酸钙或其他物质的现象。 水泥充分水化后混凝土 呈强碱性 , p H值约为 1 2 1 3 左右, 在水泥水化过程 中, 混凝土 内部形成大小不同的毛细管、 孔隙、 气泡等 , 大气中的二氧化碳 通过这些孔隙向混凝土内部扩散, 并溶解于孔隙内的液相, 与混 凝土中可碳化物质发生反应。 随着氢氧化钙在碳化反应中的消 耗, 混凝土孔隙溶液的 p H值逐渐降低。 1 1 寒 冷地 区混凝 土碳化机 理 研究表明1 0 - 1 , 当混凝土饱水度达到一定程度时, 冻融破坏 才会发生, 此时 C O 溶解度较低 , 难以侵人混凝土发生碳化反 应。 反之, 混凝土受二氧化
12、碳侵蚀时, 其内部含水率低, 也不会 发生冻融作用。 因此, 可以认为寒冷地区混凝土结构所遭受的冻 融循环和二氧化碳侵蚀是交替进行的。 根据文献 1 4 1 5 对我国 东北地区气候的调查, 可近似认为东北地区年碳化时间为 1 8 0 d , 冻融循环次数为 1 2 0次。 混凝土发生冻融破坏的实质, 是水化产物结构由密实到松 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 3 1 0 基金项目:国家杰出青年科学基金( 5 0 7 2 5 8 2 4 ) ; 陕西省“ 1 3 1 1 5 ” 科技创新工程项 目( 2 0 1 0 Z D K G 5 5 ) 3 学兔兔 w w w .x u e t u
13、t u .c o m 散的过程 , 其成分基本保持不变。 因此, 从碳化机理上看, 冻融 环境下的混凝土碳化与一般大气环境下大致相同; 从气体扩散 理论上看 , 冻融循环导致混凝土内部孔结构劣化 , 加速了二氧 化碳在其内部的扩散, 从而加快了整个碳化过程。 1 2混凝 土碳化 理论 模 型 在推导混凝土碳化理论模型前需作以下两个基本假定: ( 1 ) 混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布; ( 2 ) 混凝土表面二氧化碳浓度为i c o n 。 , 未碳化区浓度为 0 。 希腊学者 P a p a d a k i s 等人1 o - l l1 研究了混凝土碳化的整个物 理化学过程, 用化学反应动力
14、学的方法建立了碳化反应过程中 碳化反应速率与各反应物浓度的关系。 在 P a p a d a k i s 研究的基 础上, 考虑冻融循环对气体扩散的影响, 给出混凝土碳化过程 中 C O 、 C a ( OH) : 及 C S H的质量平衡方程: (D c1 ) s ( 1 ) a a _ 【 c a ( 0 H) 2 = 一 r a H ( 2 ) C S H = - r c a ( 3 ) 式中: 碳化区某点至混凝土表面的距离, m l l l ; f 碳化时间 , s ; D。 冻融环境下混凝土中二氧化碳扩散系数。 可表示为【9 】 : D。 f = 1 0 8 x l 0 p 。倜 (
15、 1 一 Js ) ( 4 ) p - p e ( 5 ) 式中: P 经历 r , 次冻融循环后混凝土连通孔孔隙率; p 混凝土未受冻融循环时的连通孔孔隙率; 嘲碳批过程中组分 “ 为C H, C S H ) 的摩尔浓度, mo l m ; 每秒钟单位体积混凝土中参加反应的组分 i 的摩 尔数, mo l m3 - S 。 可由式( 6 ) 计算 1 1 : - - k 嘲 i。 C 0 2 】 ( 6 ) 式中: 反应的速度常数 , mS ( mo l s ) 。 T G A试验表 明 , 约 为 7 8 1 0 左右 , 在完全水饱和 状态下, 妮 = 9 9 x 1 0 。 , 在部分
16、水饱和状态下, Ji o 。 将( 6 ) 式代入式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) , 得 : O x )= c o : C a ( O H )2+ 3 k c S -H ) ( 7 ) _o C a ( O H) 2 = 一 a C a ( O H) 5 【 C O 2 ( 8 ) 【 c S - H I = 一 【c - S - H i c o n ( 9 ) 由上述计算得到的任一时刻任一位置 C a ( O H) 浓度, 可按 式( 1 0 ) 求解对应 p H值 1饲 : p H= 1 4 + l g 4 3 2 x 1 0 C a ( OH) 2 C a ( OH) 2
17、o ) ( 1 0 ) 式 中 : C a ( O H) 】 。 未碳化 的初始 C a ( OH) 浓度。 2 数值分析方法及计算步骤 2 1 单元划分 将时间轴与空间轴划分为等步长的 m段和 n段( 时间轴步 长为 1 8 0 d , 空间轴步长为 1 mi I1 ) , 初始条件为: t = O时 : C O2 = 0 ( 1 1 ) 4 。 C a ( O H) 2 】 = C a ( O H) 2 0 ( 1 2 ) C S H = C S - H 】 o ( 1 3 ) 边界条件为: x = 0处 : C O = C 0 : 0 ( 1 4 ) 处 : = o ( 1 5 ) 式中
18、: 空间轴长度, mm; C O 2 0 环境中C O 浓度, mo l m 。 2 2 计算步骤 按下述流程 , 用 F o r t r a n语言编译计算机程序 , 得到 p H值 变化规律 。 l t c a (o r o 、C S H 初 始 浓 度 c a (o 嘲 L 、 【c S H L l l 计算水泥充分水化后, 混凝土未经碳化和冻融的总孔隙率 p 。 计 算 下一 时 tl C a O H ) 、 C s H 浓 度卜 一 l 求 解 三 对 角 线 性 方 程 ,得 到 c o :浓 度I l I 根 据 c a (o H ) 浓 度 ,计 算 此 刻 各 点 处 的 p
19、 H 值I 循 I 计 算 碳 化 后 混 凝 土 总 孔 隙 率l 计算冻融环境下二氧化碳扩散系数,D。 一 图 1 冻融环境下混凝土碳化数值计算流程框图 3 计算结果分析 在混凝土碳化过程中, 混凝土 p H值由外向内逐渐升高, 根 据混凝土 p H值的变化情况可以将混凝土碳化过程分为 3个区 域 , 即完全碳化区、 部分碳化 区和未碳化区。 文献 1 7 把 p H 8 5的部分作为完全碳化区。 从式( 7 ) ( 1 0 ) 可以看出, 冻融环境 下混凝土碳化区长度( p H值) 主要与碳化时间、 水灰比、 水泥用 量、 环境湿度、 二氧化碳浓度等因素有关。 在计算时, 各参数均 按照
20、寒冷地区气候条件以及工程实际情况取值。 3 1 碳化一 冻融时间对碳化深度的影响 图2为冻融环境下混凝土碳化深度随时间的变化规律, 取水 灰比W C = 0 4 5 , 水泥用量 C = 4 0 0 k g m , 环境相对湿度 R H = 7 5 , 二氧化碳浓度 C o = 0 0 3 。 从图中可以看出, 前几年混凝土碳化发 展较平缓, 随着使用年限的增加, 碳化深度急剧增长。 这是由于 在反应初期, 混凝土孔隙率因碳化而发生的减小较冻融对其产 生的破坏更明显。 而随着碳化一 冻融的进一步发展 , 冻融循环对 混凝土孔结构的劣化占主导地位; 相对而言 , 因碳化引起的孔 0 2 4 6
21、8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 时 间 , 年 图 2 碳化深度随碳化一 冻融时间的变化规律 加 m 5 目 媾 谨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 隙率减小可忽略不计。 3 2 水灰 比对碳化深度 的影响 图3为水灰比对碳化深度的影响。 水灰比 W C分别取 0 3 5 、 0 4 、 0 4 5 0 5 0 5 5 、 0 6 , 水泥用量 C = 4 0 0 k g m3 环境湿度 R H = 7 5 , 二氧化碳浓度 C o = O 0 3 , 碳化时间 t = 2 5年。 由图可见, 混凝土 碳化深度随水灰比
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环境 混凝土 碳化 深度 预测 模型
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【fa****a】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【fa****a】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。