混凝土碳化模型和试验方法综述及建议
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南 方 潮湿 地 区 取 0.5～0.8 ， 北 方 干燥 地 区 取 1.1～1.2 ；
XC =
t — 碳化 时间 ，年 。
混凝土 水 灰比 与混凝土 内 部 结构 （ 特 别 是 孔 结构 与 水 饱 和 度 ） 密切 相 关 。 而 孔 结构 、 水 饱 和 度 是 影响 二 氧 化碳气 体 扩散 的 关 键 因 素 ， 所 以 碳化 速 度 与混凝土 水 灰比 密切 相 关 。 这类 模型 均 考虑了 材料 因 素 ， 有 的 也 考虑了 气候 环境 因 素 。 实 际 工 程 中 ， 混凝土的 质 量 与施 工 养护 等 因 素 也 密切 相 关 ； 水 灰比 只 是 决 定 混凝土 质 量 的 一 个 主 要 参数 。 另 外 ， 实 际 工 程 中 水 灰比 很 难 确 切 得 到 , 所 以 上 述模型 在 工 程 应 用 中有其 不 便 之 处 。 （3 ） 基于 混凝土 抗压强 度 的 经 验模型 混凝土的 抗压强 度 是 工 程 设计 师 和 质 量 控 制 人员 最看 重 的性能 ， 因 为 抗压强 度基本 反 映 了 混凝土的 水 灰比 、 施工 质 量 及 养护 条件等对混凝土品 质 的影响 。 前 苏联 基于 强 度 的碳化模型 [3]：
摘 要 ： 对 混凝 土 典 型的碳 化模 型及 碳化 试验方 法 进 行 了 调 研 ， 比 较 了 各 种 模型 、 试验 方法 或 测 试 技术 的 原 理 和 适 用范 围 ，
并分析了各自 的 优缺点 。 传统 混凝土碳化研究的 思路 和方法 存在诸多 局 限 性 ， 不 能 将 实 验 室 研究 较 好 地 与 现场 检 测 结果 关 联 起 来 。 以耐久 性 劣 化 指标 为 主 导 的方法 ， 为 耐久 性研究 树立 了 一 新 概 念 。 与碳化 过程 密切 相 关 的 表 层 混凝土的气 体 扩散 系 数 、pH 值 与 可 碳化 物 质含 量 ， 能 够 反 应 表 层 混凝 土 被 碳 化的 程度 以 及 可 能的 劣 化 趋势 ； 此外 ， 新 的 测 试方 法 摒 弃 了 传统 的 破损 方 式 ， 从而 架起 了 实 验 室 与 现场 研究 之 间 的 桥梁 。 通过将表 层 混凝土的 渗透 性与 碱储 备 状态 结 合 起 来 考虑 ， 采 用 适当 的碳化模型 ， 可 建 立渗 透 性 、 碱含 量 等 参数 与 劣 化性能 之 间 的 关系 ， 从而 可较 全 面 客观地 评 估 混凝土的 耐久 性 。 关 键 词 ： 混凝土 ； 碳化模型 ； 试验方法 ； 劣 化 指标
w XC =γ1 γ2 γ3 12.1 -3.2 姨 t c
式 中 ，γ1 — 水泥 品 种 影响 系 数 ， 矿渣 水泥 为 1.0 ， 普 通 水泥 为 0.5～0.7 ；
≤
≤
γ2 — 粉 煤 灰 影响 系 数 ， 取 代 水泥 量 小 于 15% 时
取 1.1 ；
γ3 — 气 象 条件影响 系 数 , 中 部 一 般 地 区 取 1.0 ，
式 中 ，n1 — 考虑 碳化 前 锋 线 的 参数 ；
- 1 -
2008 年 第 6 期
n2 — 暴露 条件 参数 ； n3 — 混凝土 质 量 等 级 参数 ； n4 — 表 面 质 量 及 朝 向 参数 ； n5 — 二氧 化碳 浓 度参数 ； kav — 平 均 相 关 性 因 子 。
混凝土与 水泥制 品
有很多 研究 且存在诸多争 议 。 碳化模型的研究 ， 可 用作 对建筑 物 耐久 性的 寿命预测 与 寿命设计 ； 碳化试验方 法的研究 ， 其目 的及 关 键是要找到一 关 联实 验 室 与 现 场 研究的 较 好途径 。 本 文 对混凝土碳化研究 中 的 各类 碳化模型及试验 方法 进行 了 较广 泛 的 调 研 ， 并 对研究 中 出 现 的 新理念 或新思路 进行 归纳总结 。 在 此基础上 ， 通过 对 传统 研究 思路 与 新思路 的 深入分析 与 比 较 ， 提出了 一 些 建 设 性 的 思考 。
轻骨 料 混凝土 α= 4.18 。
1
国 内外碳 化 模型研究进展 根据 碳化模型的来 源 ， 可 将 其 分为 三 类 [1]： 基于 碳
化试验 （ 实 验 室 与 现场 ） 的 经 验模型 ； 以 扩散理 论为基 础 的 理论 推 导 模型 ； 基于扩散理论 与试验 结果 的模型 。
1.1
经 验碳化模型 国 内外大量 研究 表明 ： 混凝土 结构 碳化 深度大致
中 图分类 号 ：TU528 文 献标识码 ：A 文 章 编号 ：1000-4637 （2008 ）06-01-07
0
前言 混凝土碳化作用的 预测 模型与试验方法 ， 学界已
典 型的碳化模型 ， 并给出相 关 模型的 参考 应 用 价值 。 （1） 多 系 数 碳化模型 中 国建筑科 学 研究 院龚洛书 等 [2] 较 早提出了考 虑 建筑 物 使 用 环境 中材料 因 素 和施工 因 素 的混凝土 多 系 数 碳化模型 ， 并 且 给出各个参数 的 涵义 及 经 验 取值 。
· XC =K
总 第 164 期
姨
0.639fce -0.245 ·姨 t · fcu,28 +0.5A fce
式 中 ： fce — 水泥 强 度 ；
fcu,28 — 混凝土 28d 立 方 体 抗压强 度 ； k、A — 与 水泥 、 骨 料 品 种 及混凝土 流 动性 有 关
系数。 牛荻涛 [6]则 提了 如 下的碳化模型 ： · XC =K
-2.74 ≤ ·姨 t ≤24.48 姨f
cu,k
ຫໍສະໝຸດ Baidu
式 中 ：K — 考虑环境 与 养护时间 的 修 正 系 数 ；
fcu,k — 混凝土 立 方 体 抗压强 度 标 准 值 。
混凝土 抗压强 度 容易 测 定 ， 能综合 反 映 材料 、 环境 与施工对混凝土品 质 的影响 ， 故 此类 模型 具 有一 定 的 实 际 意 义 。 但 是 应 注 意 到 ， 抗压强 度 只 是 反 映 混凝土的 整 体质 量 ， 碳化 过程 与 表 层 混凝土 质 量 关系 更 密切 。 这 也 是 应 用 基于 混凝土 抗压强 度 的碳化模型 预测 值 往往 有较 大 误差 的 原因 之 一 。
XC =η1· η2· η3· η4· η5· η6· α姨 t
式 中 ，XC — 预测 碳化 深度 ，mm ；
t — 碳化 时间 ，年 ； η1 — 水泥 用 量 影响 系 数 ； η2 — 水 灰比 影响 系 数 ； η3 — 粉 煤 灰取 代 量 影响 系 数 ； η4 — 水泥 品 种 影响 系 数 ； η5 — 集 料 品 种 影响 系 数 ； η6 — 养护 方法影响 系 数 ； α — 自 然 碳化影响 系 数 ， 普 通 混凝土 α= 2. 32，
Abstract ：The carbonation models and test methods for concrete are reviewed ，and their principles, application scopes, merits and shortcomings are analyzed. Because of the limitations of traditional research methods, it is difficalt to liking the lab results with the insitu test results. A new methad, which take the deterioration indicator of concrete as the main factor, build up the new concept for research the durability of concrete, i. e. the gas diffusion coefficient, pH value and the content of alkali substances can reflect the degree of carbonation and the deterioration trend of coveral concrete. Meanwhile, a new non -destructive test methods will set up a bridge between the lab and the in-situ research. Therefor, based on test rezults of the permeability and the alkali coutent of coveral concrete, and using of a suitable carbontion model, a relationship between the deleriaration degree of concrete properties and the parameters of concrete, such as permeability ,alkali content, etc. will be built up. And that will make the evaluation of concrete durability more objective. Key words: Concrete; Carbonation model; Test method; Deterioration indicator
姨 0.3(1.15+3w/c) t w/c≤0.6 时 ，X =k(4.6w/c-1.76) 姨 7.2
w/c＞0.6 时 ，XC =k(w/c-0.25)
C
t
其中 ，w/c — 水 灰比 ；
k — 与 水泥 品 种 、骨 料 及 外 加 剂 有 关 的 系 数 。
该 模型 有较 高认 可 度 ， 曾 作 为 日 本 建筑 学 会 制 定 的 《 钢 筋 混凝土 结构 设计计 算 规 范 》 中 保 护 层 厚 度 设计 依据之一。 山 东 建筑科 学 院 的朱 安 民 提出 的碳化 深度经 验 公式为：
2008 年 第 6 期 12 月
混 凝 土 与 水 泥 制 品
CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2008 No6 December
混凝土碳化模型和试验方法综述及建议
吴建华 ，张亚梅 ，孙 伟
（ 东 南 大 学 江 苏 省 土 木 工 程 材料 重点 实 验 室 ， 南京 211189 ）
[5]
1.2
理论 推 导 的碳化模型 目 前 ， 理论 推 导 的碳化模型 ， 一 般 均 是 基于扩散 动
力 学 、 水泥 物 理 化 学 等 理论 。 Tuutti 、Bakker 等 人 推 导 的 碳化模型 非常 复 杂 ， 理论 性 很 强 ， 但 是 引 入 的 参数 较 多 ， 在 量 化 过程 中 会遇 到 许 多 问题 ， 不 便 于 工 程 应 用 。 这里列出基于 菲 克 第 一 定律 的 某 些 易 于 研究 应 用的碳 化模型 。 （1 ） 阿 列 克 谢耶夫 提出 的碳化模型 在 深入分析 混凝土碳化的 多 相 物 理 化 学 过程 后 ， 前 苏联学 者 阿 列 克 谢耶夫 等 人认 为 控 制 混凝土碳化 速 度 的 是 CO2 在 混凝土 孔隙 中 的 扩散过程 。 根据 菲 克 第 一 扩 散 定 律 以 及 CO2 在 多 孔 介 质 中 扩 散 和 吸 收 的 特 点 ， 推 导得出 如 下混凝土碳化 理论数 学 模型 [7]：
龚洛书 等 提出 的碳化模型 ， 表 述 了 在特 定 施工条 件和 地域 环境 下混凝土的碳化 规律 ， 在材料 因 素 变 化 的 情况 下 可 以 适 用 ， 但不具 有广 泛 意 义 。 Richardson 提 出 的碳化模型 ， 其中 的 参数 均具 有 典 型的 物 理 意 义 ， 但 在 具体 量 化 时 显 得比 较 困难 。 （2 ） 基于 水 灰比 的 经 验模型 日 本 学 者岸谷孝 一 [4] 基于 快速 碳化试验和 自 然 暴 露 试验的 结果 ， 提出了 混凝土碳化 深度 预测 模型 。
与 使 用 时间 的 平 方 根成正比 。 根据 工 程 实 际 与 实 验 室 相 关 数据 ， 通过拟 合 得出经 验碳化模型 。 这里列出 一 些
基 金 项 目 ： 交 通 部西部交 通 建 设 科 技项 目 （2006 318 223 02-03 ）。
Richardson[3]提出 的碳化模型 如 下 ： XC =n1· n2· n3· n4· n5· kav·姨 t
XC =
t — 碳化 时间 ，年 。
混凝土 水 灰比 与混凝土 内 部 结构 （ 特 别 是 孔 结构 与 水 饱 和 度 ） 密切 相 关 。 而 孔 结构 、 水 饱 和 度 是 影响 二 氧 化碳气 体 扩散 的 关 键 因 素 ， 所 以 碳化 速 度 与混凝土 水 灰比 密切 相 关 。 这类 模型 均 考虑了 材料 因 素 ， 有 的 也 考虑了 气候 环境 因 素 。 实 际 工 程 中 ， 混凝土的 质 量 与施 工 养护 等 因 素 也 密切 相 关 ； 水 灰比 只 是 决 定 混凝土 质 量 的 一 个 主 要 参数 。 另 外 ， 实 际 工 程 中 水 灰比 很 难 确 切 得 到 , 所 以 上 述模型 在 工 程 应 用 中有其 不 便 之 处 。 （3 ） 基于 混凝土 抗压强 度 的 经 验模型 混凝土的 抗压强 度 是 工 程 设计 师 和 质 量 控 制 人员 最看 重 的性能 ， 因 为 抗压强 度基本 反 映 了 混凝土的 水 灰比 、 施工 质 量 及 养护 条件等对混凝土品 质 的影响 。 前 苏联 基于 强 度 的碳化模型 [3]：
摘 要 ： 对 混凝 土 典 型的碳 化模 型及 碳化 试验方 法 进 行 了 调 研 ， 比 较 了 各 种 模型 、 试验 方法 或 测 试 技术 的 原 理 和 适 用范 围 ，
并分析了各自 的 优缺点 。 传统 混凝土碳化研究的 思路 和方法 存在诸多 局 限 性 ， 不 能 将 实 验 室 研究 较 好 地 与 现场 检 测 结果 关 联 起 来 。 以耐久 性 劣 化 指标 为 主 导 的方法 ， 为 耐久 性研究 树立 了 一 新 概 念 。 与碳化 过程 密切 相 关 的 表 层 混凝土的气 体 扩散 系 数 、pH 值 与 可 碳化 物 质含 量 ， 能 够 反 应 表 层 混凝 土 被 碳 化的 程度 以 及 可 能的 劣 化 趋势 ； 此外 ， 新 的 测 试方 法 摒 弃 了 传统 的 破损 方 式 ， 从而 架起 了 实 验 室 与 现场 研究 之 间 的 桥梁 。 通过将表 层 混凝土的 渗透 性与 碱储 备 状态 结 合 起 来 考虑 ， 采 用 适当 的碳化模型 ， 可 建 立渗 透 性 、 碱含 量 等 参数 与 劣 化性能 之 间 的 关系 ， 从而 可较 全 面 客观地 评 估 混凝土的 耐久 性 。 关 键 词 ： 混凝土 ； 碳化模型 ； 试验方法 ； 劣 化 指标
w XC =γ1 γ2 γ3 12.1 -3.2 姨 t c
式 中 ，γ1 — 水泥 品 种 影响 系 数 ， 矿渣 水泥 为 1.0 ， 普 通 水泥 为 0.5～0.7 ；
≤
≤
γ2 — 粉 煤 灰 影响 系 数 ， 取 代 水泥 量 小 于 15% 时
取 1.1 ；
γ3 — 气 象 条件影响 系 数 , 中 部 一 般 地 区 取 1.0 ，
式 中 ，n1 — 考虑 碳化 前 锋 线 的 参数 ；
- 1 -
2008 年 第 6 期
n2 — 暴露 条件 参数 ； n3 — 混凝土 质 量 等 级 参数 ； n4 — 表 面 质 量 及 朝 向 参数 ； n5 — 二氧 化碳 浓 度参数 ； kav — 平 均 相 关 性 因 子 。
混凝土与 水泥制 品
有很多 研究 且存在诸多争 议 。 碳化模型的研究 ， 可 用作 对建筑 物 耐久 性的 寿命预测 与 寿命设计 ； 碳化试验方 法的研究 ， 其目 的及 关 键是要找到一 关 联实 验 室 与 现 场 研究的 较 好途径 。 本 文 对混凝土碳化研究 中 的 各类 碳化模型及试验 方法 进行 了 较广 泛 的 调 研 ， 并 对研究 中 出 现 的 新理念 或新思路 进行 归纳总结 。 在 此基础上 ， 通过 对 传统 研究 思路 与 新思路 的 深入分析 与 比 较 ， 提出了 一 些 建 设 性 的 思考 。
轻骨 料 混凝土 α= 4.18 。
1
国 内外碳 化 模型研究进展 根据 碳化模型的来 源 ， 可 将 其 分为 三 类 [1]： 基于 碳
化试验 （ 实 验 室 与 现场 ） 的 经 验模型 ； 以 扩散理 论为基 础 的 理论 推 导 模型 ； 基于扩散理论 与试验 结果 的模型 。
1.1
经 验碳化模型 国 内外大量 研究 表明 ： 混凝土 结构 碳化 深度大致
中 图分类 号 ：TU528 文 献标识码 ：A 文 章 编号 ：1000-4637 （2008 ）06-01-07
0
前言 混凝土碳化作用的 预测 模型与试验方法 ， 学界已
典 型的碳化模型 ， 并给出相 关 模型的 参考 应 用 价值 。 （1） 多 系 数 碳化模型 中 国建筑科 学 研究 院龚洛书 等 [2] 较 早提出了考 虑 建筑 物 使 用 环境 中材料 因 素 和施工 因 素 的混凝土 多 系 数 碳化模型 ， 并 且 给出各个参数 的 涵义 及 经 验 取值 。
· XC =K
总 第 164 期
姨
0.639fce -0.245 ·姨 t · fcu,28 +0.5A fce
式 中 ： fce — 水泥 强 度 ；
fcu,28 — 混凝土 28d 立 方 体 抗压强 度 ； k、A — 与 水泥 、 骨 料 品 种 及混凝土 流 动性 有 关
系数。 牛荻涛 [6]则 提了 如 下的碳化模型 ： · XC =K
-2.74 ≤ ·姨 t ≤24.48 姨f
cu,k
ຫໍສະໝຸດ Baidu
式 中 ：K — 考虑环境 与 养护时间 的 修 正 系 数 ；
fcu,k — 混凝土 立 方 体 抗压强 度 标 准 值 。
混凝土 抗压强 度 容易 测 定 ， 能综合 反 映 材料 、 环境 与施工对混凝土品 质 的影响 ， 故 此类 模型 具 有一 定 的 实 际 意 义 。 但 是 应 注 意 到 ， 抗压强 度 只 是 反 映 混凝土的 整 体质 量 ， 碳化 过程 与 表 层 混凝土 质 量 关系 更 密切 。 这 也 是 应 用 基于 混凝土 抗压强 度 的碳化模型 预测 值 往往 有较 大 误差 的 原因 之 一 。
XC =η1· η2· η3· η4· η5· η6· α姨 t
式 中 ，XC — 预测 碳化 深度 ，mm ；
t — 碳化 时间 ，年 ； η1 — 水泥 用 量 影响 系 数 ； η2 — 水 灰比 影响 系 数 ； η3 — 粉 煤 灰取 代 量 影响 系 数 ； η4 — 水泥 品 种 影响 系 数 ； η5 — 集 料 品 种 影响 系 数 ； η6 — 养护 方法影响 系 数 ； α — 自 然 碳化影响 系 数 ， 普 通 混凝土 α= 2. 32，
Abstract ：The carbonation models and test methods for concrete are reviewed ，and their principles, application scopes, merits and shortcomings are analyzed. Because of the limitations of traditional research methods, it is difficalt to liking the lab results with the insitu test results. A new methad, which take the deterioration indicator of concrete as the main factor, build up the new concept for research the durability of concrete, i. e. the gas diffusion coefficient, pH value and the content of alkali substances can reflect the degree of carbonation and the deterioration trend of coveral concrete. Meanwhile, a new non -destructive test methods will set up a bridge between the lab and the in-situ research. Therefor, based on test rezults of the permeability and the alkali coutent of coveral concrete, and using of a suitable carbontion model, a relationship between the deleriaration degree of concrete properties and the parameters of concrete, such as permeability ,alkali content, etc. will be built up. And that will make the evaluation of concrete durability more objective. Key words: Concrete; Carbonation model; Test method; Deterioration indicator
姨 0.3(1.15+3w/c) t w/c≤0.6 时 ，X =k(4.6w/c-1.76) 姨 7.2
w/c＞0.6 时 ，XC =k(w/c-0.25)
C
t
其中 ，w/c — 水 灰比 ；
k — 与 水泥 品 种 、骨 料 及 外 加 剂 有 关 的 系 数 。
该 模型 有较 高认 可 度 ， 曾 作 为 日 本 建筑 学 会 制 定 的 《 钢 筋 混凝土 结构 设计计 算 规 范 》 中 保 护 层 厚 度 设计 依据之一。 山 东 建筑科 学 院 的朱 安 民 提出 的碳化 深度经 验 公式为：
2008 年 第 6 期 12 月
混 凝 土 与 水 泥 制 品
CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2008 No6 December
混凝土碳化模型和试验方法综述及建议
吴建华 ，张亚梅 ，孙 伟
（ 东 南 大 学 江 苏 省 土 木 工 程 材料 重点 实 验 室 ， 南京 211189 ）
[5]
1.2
理论 推 导 的碳化模型 目 前 ， 理论 推 导 的碳化模型 ， 一 般 均 是 基于扩散 动
力 学 、 水泥 物 理 化 学 等 理论 。 Tuutti 、Bakker 等 人 推 导 的 碳化模型 非常 复 杂 ， 理论 性 很 强 ， 但 是 引 入 的 参数 较 多 ， 在 量 化 过程 中 会遇 到 许 多 问题 ， 不 便 于 工 程 应 用 。 这里列出基于 菲 克 第 一 定律 的 某 些 易 于 研究 应 用的碳 化模型 。 （1 ） 阿 列 克 谢耶夫 提出 的碳化模型 在 深入分析 混凝土碳化的 多 相 物 理 化 学 过程 后 ， 前 苏联学 者 阿 列 克 谢耶夫 等 人认 为 控 制 混凝土碳化 速 度 的 是 CO2 在 混凝土 孔隙 中 的 扩散过程 。 根据 菲 克 第 一 扩 散 定 律 以 及 CO2 在 多 孔 介 质 中 扩 散 和 吸 收 的 特 点 ， 推 导得出 如 下混凝土碳化 理论数 学 模型 [7]：
龚洛书 等 提出 的碳化模型 ， 表 述 了 在特 定 施工条 件和 地域 环境 下混凝土的碳化 规律 ， 在材料 因 素 变 化 的 情况 下 可 以 适 用 ， 但不具 有广 泛 意 义 。 Richardson 提 出 的碳化模型 ， 其中 的 参数 均具 有 典 型的 物 理 意 义 ， 但 在 具体 量 化 时 显 得比 较 困难 。 （2 ） 基于 水 灰比 的 经 验模型 日 本 学 者岸谷孝 一 [4] 基于 快速 碳化试验和 自 然 暴 露 试验的 结果 ， 提出了 混凝土碳化 深度 预测 模型 。
与 使 用 时间 的 平 方 根成正比 。 根据 工 程 实 际 与 实 验 室 相 关 数据 ， 通过拟 合 得出经 验碳化模型 。 这里列出 一 些
基 金 项 目 ： 交 通 部西部交 通 建 设 科 技项 目 （2006 318 223 02-03 ）。
Richardson[3]提出 的碳化模型 如 下 ： XC =n1· n2· n3· n4· n5· kav·姨 t