混凝土强度与混凝土碳化系数的关系研究-建筑结构论文-土木建筑论文

混凝土强度与混凝土碳化系数的关系研究-建筑结构论文-土木建筑论文

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1 前言

我国开展混凝土耐久性的研究较早，七五期间，我国就开展了混凝土耐久性的系统研究，取得了一定成果。九五期间，我国开展了混凝土耐久性广泛的研究，在《混凝土结构设计规范》GB50010-2001 修编时，引入了相关的章节。十一五期间，是我国混凝土耐久性研究成果最多的时期，修编出版了《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009，编制了《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008，《混凝土结构耐久性评定标准》CECS220:2007，《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009。

混凝土碳化破坏的影响因素较多，我国混凝土耐久性规范对混凝土均采用双控的要求，控制最低混凝土强度等级，控制最大水胶

比和最小水泥用量，显然混凝土的抗碳化能力是碳化破坏的主要因素。混凝土的碳化系数是反映其抗碳化能力的主要指标，混凝土的碳化系数与硬化混凝土的力学指标立方体抗压强度有密切关系，德国在1967 年提出的Smolezyk 模型是较早描述这一关系的数学模型，由于硬化混凝土的碳化系数与混凝土的强度相关性很好，建立塑性混凝土的主要指标孔隙比、水泥用量与强度的关系，就可建立与碳化系数的关系，笔者根据国内奈系混凝土的使用情况研究了混凝土强度与混凝土碳化系数的关系，本文对在一研究的情况做一介绍，希望能达到抛砖引玉的作用。

2 混凝土碳化的本构关系

2.1 混凝土的孔结构和微观裂缝

混凝土的强度、渗透性和抗碳化性能取决于混凝土的孔结构，孔结构可分为凝胶孔和毛细孔。凝胶孔对混凝土无害，而毛细孔的最可几孔径(出现几率最大的孔径)分布对混凝土的强度和抗渗性有比较大的影响，混凝土内部连通的孔隙和毛细孔通道，则是造成抗渗性降低的主要原因。

美国加州大学的MehtaPK 的试验表明：孔径小于1320? 孔对混凝土的抗渗性和强度将不产生影响。Metha 将孔隙按孔径直径d 分为4 个等级：d20nm(1nm=10?)的无害孔；d 为20~50nm 少害孔；d 为50~100nm 的有害孔；d100nm 的多害孔。

混凝土毛细孔则因水胶比和水化程度的差异，孔径变化较大，可分为少害孔、有害孔和多害孔。混凝土凝结时，随水胶比减小时，混凝土的总孔隙率减小，胶凝孔含量增多，毛细孔则减少。减水剂是提高混凝土的抗碳化能力的最主要的因素，水胶比不同，水泥水化的晶体结构、孔结构、微观裂缝及水化程度均发生明显差异。当水胶比小于0.5 时，随水胶比的变化混凝土的最可几孔径分布明显向少害孔移动，毛细孔迅速减少，混凝土的渗透性也迅速减小(图1)。当水胶比大于0.5 后，混凝土的抗渗性能迅速降低。混凝土的水胶比也影响着浆料与骨料的边界厚度，当水胶比为0.6 时，浆料与骨料的边界厚度约为30um，容易形成粗大晶体和较多大孔，较大水胶比混凝土的多余水分蒸发和泌水是造成混凝土内部孔隙连通和产生毛细孔的重要原因。当水胶比为0.4 时，浆料与骨料的边界厚度猛降到5um，形成较小的晶体和较少的大孔，使混凝土的抗碳化能力提高。当水胶比大于0.42 时，水泥的水化程度达到100%。水泥水化时水

化热的降温梯度是在塑性混凝土中产生微观裂缝的主要原因。根据哈尔滨工业大学的试验结果分析，当混凝土的水胶比小于0.36 时，混凝土的早期自收缩会异常加大，在约束条件下混凝土的微观裂缝会增多，其抗渗能力和抗碳化性能也相对降低。【图1】

1994 年，美国P.K.Mehta 提出了混凝土耐久性综合破坏模型。【图2】

2.2 国内减水剂的使用情况

笔者按国内减水剂的使用情况将普通混凝土划为三代，以便对混凝土的碳化本构关系进行描述，也有助于试验数据的收集整理和分类统计，以下简称为第一代混凝土，第二代混凝土，第三代混凝土。

第一代混凝土：约1990 年前，木钙类减水剂(不掺或少掺)水灰比在0.5~0.6，一般没有掺合料，一般为30~50mm,水调整,非泵送，水用量大，耐久性一般。第二代混凝土：约1990 年后，奈系类减水剂，减水性能好，水胶比可控制在0.45 左右，掺合料为粉煤灰(掺或不掺)，坍落度在180mm 左右，泵送，大量减少水用量，耐久性较好。第三代混凝土：约2000 年后，聚羧酸类减水剂(主要用于中高强高性能混凝土)，水胶比可控制在0.4 左右，掺合料为粉煤灰、磨细矿粉、硅粉，坍落度在180mm 左右，泵送，减水性能更好，水用量更少，耐久性更好。近年来聚羧酸类减水剂也用于中低强度混凝土。

2001 年为研究混凝土的早期开裂原因，中国建筑科学研究院组织国内14 个研究单位开展了相关研究，并对国内奈系混凝土的使用情况进行了调查，调查情况如表1 所示。【表1】

表格中，笔者增加了一个混凝土浆体积比的统计参数，此概念由普通混凝土配合比试验时控制浆骨体积比的概念转换而来，一般要求塑性混凝土的浆骨体积比为0.35:0.65 以下，水泥浆体积比控制

在0.27~0.35，相同强度等级的混凝土浆体积比提高一些，混凝土的早期强度高一些，但混凝土28d 的强度相应低一些。浆骨体积比小于0.27 的混凝土则为干硬性混凝土，浇筑时采用平板振捣器或碾压成型。浆骨体积比大于0.35 的高强混凝土，由于采用高活性的硅灰等掺合料，混凝土的孔结构分布、水化热和水化过程已与普通混凝土不同，其抗渗性能和抗碳化性能总体较高。

3 混凝土碳化数学模型的分析与研究

混凝土碳化的影响因素较多，有外部因素和内部因素。外部作用因素包括：CO2浓度、湿度、温度、应力、位置等。内部影响因素包括：用水量及水胶比、水泥用量及水泥品种、减水剂品种、掺合料品种、粗骨料及骨料的级配，拌合、浇筑振捣、养护等。

在笔者收集到的混凝土碳化深度预估模型有18 个，(1)日本Nishi、浜田岸谷学者碳化模型(1962、1963)，(2)日本规范模型，(3)德国Smolczyk 模型(1967)，(4)中建院的多系数碳化模型(1982)，(5)Tuutti 碳化模型(1982)，(6)龚洛书模型(1985)，(7)山东朱安民碳化模型(1985)，(8)西安张令茂(1990)，(8)上海黄士元碳化模型(1991)，(10)