矿物掺合料混凝土碳化分析的非线性多场耦合模型.pdf
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1、2 0 1 4年 第 1 O 期 (总 第 3 0 0 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 01 4( To t a 1 No 3 0 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 0 0 6 矿物掺合料混凝土碳化分析的非线性多场耦合模型 余波 ,成荻 。杨绿峰 ( 1 广西大学 土木建筑工程学院 广西防灾减灾与工程安全重点实验室,广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ; 2 广西壮族 自治区住房和城乡建设厅 ,广西
2、 南宁 5 3 0 0 2 8 ) 摘要 : 考虑矿物掺合料种类和掺量的影响 , 结合混凝土中 C O 的扩散规律以及可碳化物质的质量守恒定律, 以 C O 扩散系数 、 碳化反应速率系数和混凝土中可碳化物质的量为控制参数 , 研究建立了矿物掺合料混凝土碳化分析的非线性多场耦合模型, 并利用 试验数据进行 了对比验证。 首先基于水泥水化、 矿物掺合料二次水化以及混凝土碳化的机理, 结合 F i c k 第二定律和化学反应平衡方 程 , 建立了矿物掺合料混凝土碳化分析的非线性多场耦合模型; 然后考虑温度、 相对湿度、 水胶比以及矿物掺合料种类和掺量等因素 的影响 , 提出了模型中 C O 扩散系
3、数、 碳化反应速率系数 、 可碳化物质的量等控制参数的计算公式; 最后利用加速碳化试验数据对 比验证了该模型的有效性 , 并结合混凝土中 C O : 、 可碳化物质和 p H值的分布规律 , 揭示了温度、 相对湿度 、 水胶 比、 矿物掺合料种类 和掺量等因素对混凝土碳化深度的影响规律。 关键词: 混凝土;碳化深度 ;矿物掺合料 ;相对湿度 ;温度 中图分类号: T U 5 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 4 ) 1 0 0 0 2 0 0 6 M u l t i f i e l d c ou p l e d m o d e l
4、 f o r c on c r e t e c a r b on a t i o n w i t h m i n e r a l a dmi x t u r e s yUBO , CHENG Di , YANG Lu f e n g ( 1 Gu a n g x i Ke yL a b o r a t o r yo f Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n dE n g i n e e r i n g S a f e t y , S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dAr c h i t
5、 e c t u r e Gu a n g x i Un i v e r s i ty, Na n n i n g 5 3 0 0 0 4 , Ch i n a ; 2 Ag e n c yo f Ho u s i n g a n dUr b a n R u r a l De v e l o p me n t , Gu ang x i Z h u a n g Au t o n o mo u s R e g i o n , Na n n i n g 5 3 0 0 2 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Co n s i d e rin g t h e i n fl
6、 u e n c e s o f t h e t y p e and q u a n t i ty o f t h e mi n e r a l a d mi x t u r e s , a n o n l i n e a r mu l t i fi e l d c o u p l e d mo d e l f o r c a r bo n a t i o n an a l y s i s o f c o n c r e t e wi t h mi n e r a l a d mi x tur e s wa s e s t a b l i s he d a nd v e rifie d by
7、c o mbi n i n g t he ml e o f d i f f u s i o n of COs wi t h i n c o n c r e t e wi t h t h e l a w o fc o n s e r va t i o n o fma s s for c a r b o n a t a b l e s u b s t a nc e s The d i f f u s i o n c o e ffic i e n t o fCO2 , t he c oe m c i e n t o f r e a c t i o n r a t e b e t we e n CO2
8、 and c a r b o na t a b l e s u b s t a nc e s, a n d t h e k i n d a n d d o s a g e o f t he c a r b o n a t a b l e s u b s t a nc e s we r e a d o p t e d a s t h e go v e r ni n g pa r a me t e r s i n t h e p r o p os e d mo de 1 Ac c o r d i n g t o t h e Fi c k S s e c o n d l a w o f d i f
9、f us i o n a n d t h e b a l a n c e c he mi c a l e q u a t i o n s , a no nl i n e a r mu l t i - fie l d c o up l e d mo d e l for c a r bo n a t i o n an a l y s i s o f c o n c r e t e wi t h mi n e r a l a d mi x t u r e s wa s e s t a b l i s h e d ba s e d o n t h e me c ha ni s m o f c e me
10、 n t h y d r a t i o n, s e c o n d h y dra t i o n of mi ne r a l s a nd c o n c r e t e c a r b o na t i o n fir s t The n, c omp u t a t i o n e x p r e s s i o ns o f mod e l p a r a me t e r s , s uc h a s t he d i f f u s i o n c o e ffi c i e n t o fCO2 wi t h i n c o nc r e t e, t he c oe ff
11、i c i e n t o fr e a c t i o n r a t e b e t we e n CO2 a n d c a r b o n a t a b l e s u b s t a nc e s , an d t h e a mo u n t o ft he c arb o n at a bl e s u b s t a n c e s , we r e d e v e l o p e d b y t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e i n f l u e n c e s o f t h e t e mp e r a tur e , r
12、 e l a t i v e h u mi d i ty, wa t e r t o b i n d e r r a t i o , a n d mi n e r a l a d mi x t ur e s o n c a r b o na t i o nThe pr o p o s e d mo d e l wa s v e r i fie d b y c o mp a r i n g wi t h e x pe r i me nt a l da t a a n d t h e i n f l u e n c e s o ft he t e mp e r a t u r e, r e l a
13、 t i v e h um i d i ty wa t e r t o b i n d e r r a t i o a n d mi n e r a l a d mi x t u r e s o n c a r b o n a t i o n d e p t h we r e q u a n t i fi c a t i o n a l l y i n v e s t i g a t e d b a s e d o n t h e d i s t r i b ut i o n o fCO2 , c a r b o n a t a b l e s u bs t a n c e s a nd t
14、h e p H va l ue wi t hi n t he c o n c r e t e K e y wor d s : c o n c r e t e ; c a r b o n a t i o n d e p t h ; mi n e r a l a d mi x tu r e s ; r e l a t i v e h um i d i ty; t e mp e r a tur e 0 引言 混凝土碳 化是诱发钢筋混凝土结构性能劣化 的重要 原 因之一 。 混凝土碳化深度预测模型的建立对于钢筋混凝 土结构的耐久性设计与服役寿命评估具有重要意义。 目前 , 国内外有关混凝 土碳化的分析
15、模型主要包括经 验模型 、 理论模型和数值模型三类 。 其 中 , 经验模型1 - 2 主要 根 据试验 数据拟合确定试验参数间 的直接关 系来 预测混 凝 土碳化深度 , 形式简单 , 但缺乏严密 的理论依 据 , 仅适用 于特定的材料组分和试验环境。 理论模型口 - 4 结合 昆 凝土中 C O : 的扩散规律以及可碳化物质的质量守恒定律 , 假定混 凝土 中的可碳化物质参与碳化反应被完全 消耗 , 混凝土碳 化速率主要取决于 C O : 的扩散速率 。 虽然理论模型具有 相 对严密的理论推导过程 , 但只考虑 了 C O 扩散速率对碳化 收稿 日期 :2 O 1 4 _ o 4 _ 2
16、6 基金项目:国 家自 然科学基金项H ( 5 1 1 6 8 0 0 3 ; 5 1 3 6 8 0 0 6 ) ; 广西自 然科学基金重大项目( 2 0 1 2 G x N s F E A 0 5 3 0 0 2 ) ; 青年基金项H( 2 0 1 3 G X N S F B A 0 1 9 2 3 7 ) ; 广 西科 学研究 与技术开发计划项 目( 桂科攻 1 3 7 7 0 0 1 1 1 ) 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 深度的影响, 而忽略了碳化反应速率等因素的影响, 没有 建立 C O 扩散系数和碳化反应速率与混凝土碳化深度之 间的联
17、系 , 所 以适用 条件有限 , 且无 法定量分析混凝土 内 部可碳化物质和 p H值 的分布情况。 数值模 型 5 - 6 基于混凝 土碳化的物理扩散 和化学反应过程 ,以 C O 扩散系数 、 碳 化反应速率系数和混凝土 中可碳化物质 的量为控制参数 , 利用非线性多场耦合方程组来 描述混凝土碳 化过程 , 能够 准确分 析 混凝土 中不 同时 刻不 同位 置 的 C O , 和 可碳化 物质的浓度分布和变化规律 。 蒋 利学 通过有 限差分法对 数值 模型进 行了求 解 , 分析 了混凝土碳化 区内 C O 浓度 、 C a ( O H) 浓度 以及 p H值 的变化规 律 ; 赵冬兵
18、网 利用有 限 元法对数值模型进行了求解,并与试验结果进行对比, 验 证 了数值模 型的有效性 ; 此外 , 孟 卫涛 _9 1 利用 A N S Y S中的 热分析模块对混凝土碳化过程进行了数值模拟 , 得 到了碳 化锋面 C O 浓度与混凝土碳化深度之 间的拟合关系式 。 由于混凝土碳化分析的数值模型考虑了 C O 扩散过 程和碳化反应速率与混凝土碳化深度之 间的联系 , 能够准 确分析混凝土中不同时刻不同位置的C O : 、 可碳化物质和 p H值 的分布情况 , 具有较好 的适应性 。 然而 , 现 有的碳 化 分析数值模型普遍只关注纯水泥混凝土, 没有考虑矿物掺 合料的种类和掺量的影
19、响, 而矿物掺合料混凝土在现代混 凝土结构 中应用越来越广泛 。 因此 , 有必要针对 矿物掺合 料混凝土的碳化机理和特点 , 研究建立对应 的碳化分析模 型。 鉴 于此 , 本研 究考虑矿物掺合料种类和掺量 的影响 , 结 合混凝土中 C O 的扩散规律 以及 可碳化 物质 的质量守恒 定律 , 以 C O 扩散系数、 碳化反应速率系数和混凝土中可 碳化物质的量为控制参数 , 研究建立了矿物掺合料混凝土 碳化分析的非线性多场耦合模型, 并与加速碳化试验数据 进行 了对 比验证 , 进而分析了温度 、 相对湿度 、 水胶 比等 因 素对混凝土碳化深度 的影响规律 。 1 水泥水化与混凝 土碳化
20、 的机 理 混凝土中水泥熟料的主要成分为硅酸三钙( 3 C a O S i O , 简写为 C , S ) 和硅酸二钙 ( 2 C a O S i O, 简 写为 C : S ) , 二者 占 总量 的 7 5 以上 , 对应 的水化反应为 : 2 C3 S + 6 H 2 0 CS H+ 3 C H ( 1 ) 2 C2 S + 4 H2 0 - CS H+ C H ( 2 ) 式 中 : 水化产物氢氧化钙( C a ( O H) : , 简写为 C H) 和水化硅 酸钙 ( 3 C a O 2 S i O 2 3 H 2 0, 简写为 C S H) 是混凝土 中的主要 可碳化物质 , 对应
21、 的碳化反应为 : CH+ H2 0+ C O2 C a C0 3 + 2 H2 0 ( 3 ) CS H+ 3 C O2 +3 C a C03 2 S I O2 + 3 H2 O ( 4 ) 由此可见 , 混凝土碳 化导致 混凝土中的碱性降低 , 从 而可能 引起钢筋表 面的钝化膜破 坏 , 进 而诱 发钢筋锈 蚀 , 是混凝土结构耐久性劣化 的重要原 因之一。 2 非 线性 多场耦合碳 化模 型 混凝土碳 化是一个 C O 气体 向混凝土 内部扩散 , 溶 解于混凝土 内孔 隙水 中, 进而与各水化产物发生化学反应 的过程 。 混凝土 的碳化速率主要取决于 C O 气体在混凝土 中的扩散速
22、率 、 C O 。 与混凝土 中水化产物的反应速率 以及 混凝土 中可碳化物质的量 。 假定单位 时间 内扩散进入混凝 土 中的 C O : 量全部参 与碳化反应 , 结合式和可知 , 混凝 土 的非线性多场耦合一维碳化模型为 s _ 司 : f ( ) )_ C c 。 f ) ( )+ 3 C s H x , t ) ( 5 ) c ( , ) = 一 0 I C c H ( x , t ) C c o ( , t ) ( 6 ) Ot ( , ) = 一 c s H C c s H ( , ) C c o x , ) ( 7 ) d 式中: 混凝土 内某点到表面的距离 , m; 碳化时间
23、 , s ; D 。 , ( , ) C 0 : 在混凝土中的扩散系数 , m2 s ; C o o ( , t ) 、 C c n ( x , t ) 和 C c s H ( , t ) C 0 2 、 C H与 C S H 的摩尔浓度 , mo l m ; 饵与 c H和 C S H参 与碳化 反应 的速率 系 数 , m 3 ( mo l s ) 。 混凝土一维碳化 的初始条件和边界条件分别为 : 初始条件 : C o o ( , o ) = C c o ( 0 ( 8 ) C 0 I ( , 0 ) = C ( 0 ) ( 9 ) C H ( , o ) = c o H ( 0 ) (
24、 1 0 ) 边界条件 : C c o ( , ) = C ( 0 , x = 0 ) ( 1 1 ) : 0 ( f 0 , ) ( 1 2 ) a 式中 : 和 C 初始时刻混凝土 中 C H和 C S H的摩 尔浓度 , m o l m3 ; c , 环境 中 C O 的摩尔浓度 , mo l m 。 ; 混凝土碳化模型的计算长度 , m。 根据 t 时刻距离混凝土表面 处的 C H浓度 ,可 以确 定该点的 p H值为 : p H _ l4 + 1g 4 3 2 x 10 -2 x ) ( 1 3 ) 根据混凝 土中 p H值的分 布情况 , 可 以判别混凝 土的 碳化深度 , 通常将
25、 p H 9 的区域称为混凝土碳化区。 3 碳 化模 型参数 的确定 为 了求解式 ( 5 ) ( 1 2 ) 所定义 的非线性多场耦合碳化 模型 , 需要确定混凝土中 C O 的扩散系数以及 C H和 C S H 参与碳化的反应速率系数 , 并通过混凝土中可碳化物质的 量来确定初始时刻混凝 土中 C H和 C S H的摩尔浓度 。 3 1 混凝土中的 C O 扩散系数 C O 在混凝土中的扩散系数主要受温度、 相对湿度、 水 胶 比 、 胶凝材料 总量 和矿物掺合料等 因素 的影响 。 一般来 讲, 温度越高 , C O 在混凝土中扩散越快; 孔隙水饱和度越 大 , C O 扩散越慢 ; 水
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