混凝土防碳化数值模拟研究

【摘要】混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，混凝土碳化反应过程由CO2在混凝土结构中的扩散引起。利用碳化反应过程CO2的扩散与热传导过程热量的传递相似，对混凝土碳化过程进行数值模拟，与快速碳化实验结果进行对比，得出碳化深度拟合关系式，利用拟合关系式，对外涂ST-9608防碳化涂料混凝土进行数值模拟，分析防碳化涂料的防碳化效果。

【关键词】碳化；数值模拟；水闸；防碳化

引言

水利工程常建于深山大泽之中，大江大河之上，这些地方往往气候环境更加恶劣且变化无常，故水工混凝土建筑物更加容易呈老化，目前，国内众多中小型水库等水利工程其主体建筑物老化问题已严重阻碍其正常运行，每年必须投入巨额资金进行维护加固。

1、混凝土碳化

混凝土碳化是一个复杂多相物理化学反应过程，以水泥石中的水化物产生的碱性物质与周围环境中的酸性物质反应为基础，从而使混凝土的碱性降低，也是混凝土中性化的过程。

混凝土是各向同性的均质体，所以CO2在混凝土内的扩散也可看做是各向同性的，混凝土碳化过程的微分方程为：

式中：P、t、D分别为微元体内的CO2浓度，碳化反应时间和扩散系数；▽为拉普拉斯算子。

2、碳化过程数值模拟

水闸是水利工程中常见的建筑物，本文以《引黄入冀补淀工程》某水闸为研究对象，对混凝土碳化过程进行数值模拟分析。

在模型建立过程中，假定结构在长度方向上均匀分布；CO2在结构中的扩散是各向同性的；环境介质沿结构长度方向均匀分布；结构边界CO2浓度不因大气流动而改变。

受环境因素、材料因素和施工条件及结构受力状况等因素的影响，CO2在混凝土中的扩散速度有显著差异，为排除以上因素对实验模拟数据的影响，快速碳化实验试块取自同一拌合站，采用密闭环境，温度、湿度及CO2浓度控制为定值，试块受拉、受压状态分组进行。通过酚酞试剂对混凝土碳化深度进行检测，快速碳化实验碳化深度数据见表1，数值模拟CO2浓度见表2。

通过数值拟合，得混凝土碳化深度与CO2浓度的拟合关系式：

据此关系式，可根据数值模拟过程的CO2浓度变化探索水工混凝土碳化深度的变化规律。

3、混凝土防碳化

混凝土的防碳化研究包括预防和处理两个方面。对于新建水工混凝土建筑物，主要是以预防为主，通过防碳化技术的实施提高混凝土的抗碳化能力，达到提高混凝土结构耐久、延长混凝土结构使用寿命的目的。外涂法和内掺法是目前常用的提高混凝土的抗碳化性能的两种主要措施，从原理上看，外涂法主要通过阻断CO2在混凝土表面的扩散，而内掺法则主要是通过一些添加剂改善混凝土结构的孔隙比来延缓CO2在混凝土结构内部的扩散。

根据Fick第一定律，气体在固体中的渗透公式：

式中：为气体量；为扩散系数；为表面积；分别为固体表面和吸收区的气体浓度；为固体表面层厚。

本文以ST-9608防碳化涂料为例，对《引黄入冀补淀工程》某水闸进行数值模拟实验分析，防碳化涂料厚度模型选为0.5mm，分别对碳化反应时间1、3、7、14、28天结构混凝土表面CO2浓度进行数值模拟分析，外涂ST-9608防碳化涂料的混凝土内部CO2扩散明显减弱。根据数值模拟情况，不同碳化时间对应的混凝土内碳化锋面CO2浓度见表3。

根据数值拟合关系式可得不同时间的混凝土碳化深度值见表4。

根据表中数据可以看出，初始时间段，防碳化涂料对混凝土的保护作用明显，到14天左右的时间，因防碳化涂料老化失效，逐渐失去对混凝土的保护作用。

4、结语

本文根据混凝土碳化过程机理，通过快速碳化实验得出碳化深度拟合关系式，结合《引黄入冀补淀工程》中某水闸设计方案对表面涂刷ST-9608防碳化涂料防碳化涂料的水闸结构进行模拟分析，为混凝土结构耐久性问题的研究提供了重要补充。

外涂防碳化涂料在前期对提高混凝土结构的抗碳化能力有显著效果，当涂料老化失效后，效果急剧减弱，但通过刮除再次涂刷仍可起到很好的防护效果。目前市场上防碳化涂料的使用寿命大都在10年以上，涂料成本相对较低，对提高混凝土结构耐久性和使用寿命仍不失为一种很好的措施，尤其对于水工建筑物来讲，环境相对恶劣，結构耐久性和使用寿命的提高意义更加重大。

本文实验状态环境相对固定，外涂防碳化涂料没有考虑混凝土受力状态的影响，受力状态下的混凝土结构，涂料延展性、粘合性与混凝土的结构的应变的符合及复杂环境下的涂料使用性能仍有待进一步研究。

参考文献：

[1]阿列克耶夫著，黄可信，吴兴祖等译，钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀与保护[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.

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