環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化的影響

喬永平，陳正，莫林

（1.廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，廣西　南寧　530022；2. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西　南寧　530004）

環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化的影響

喬永平1，陳正2，莫林2

（1.廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，廣西南寧530022；2. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004）

大氣環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)、水工混凝土結(jié)構(gòu)和地下混凝土結(jié)構(gòu)的碳化過程存在差異，其原因在于環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化過程的影響。本文總結(jié)和分析了環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土孔隙飽和度、混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)、碳化化學(xué)反應(yīng)和混凝土碳化評(píng)估方法四個(gè)方面的影響，對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度與混凝土孔隙飽和度和混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系模型進(jìn)行了說明。最后對(duì)考慮環(huán)境相對(duì)濕度的混凝土碳化預(yù)測模型進(jìn)行了綜述，在工程應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)工程條件選擇合適的混凝土碳化模型對(duì)不同環(huán)境相對(duì)濕度條件下混凝土的碳化深度進(jìn)行預(yù)測和分析。

環(huán)境相對(duì)濕度；混凝土；碳化；擴(kuò)散系數(shù)

0　引言

混凝土碳化是指環(huán)境中的二氧化碳進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中性化反應(yīng)，生成碳酸鈣，造成混凝土堿度下降，破壞混凝土中鋼筋表面的鈍化膜，引發(fā)鋼筋銹蝕。環(huán)境相對(duì)濕度屬于碳化影響因子中的環(huán)境因素之一，對(duì)混凝土碳化有較大影響?；炷撂蓟磻?yīng)需要在液相環(huán)境中進(jìn)行，而這種液相環(huán)境正是由環(huán)境相對(duì)濕度決定的。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較小時(shí)，二氧化碳?xì)怏w雖然擴(kuò)散得較快，但在混凝土空隙中，由于濕度小，無法形成有效的碳化場所，所以即使二氧化碳濃度高，碳化反應(yīng)也較難進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較大時(shí)，混凝土孔隙水飽和度較高，二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散受阻，碳化速率也較慢。因此，大氣環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)、水工混凝土結(jié)構(gòu)和地下混凝土結(jié)構(gòu)的碳化過程存在差異。研究環(huán)境相對(duì)濕度環(huán)境條件下混凝土的碳化規(guī)律是開展不同環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1　環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化機(jī)理的影響分析

國內(nèi)外研究表明[1-3]，環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化機(jī)理的影響主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土孔隙飽和度的影響；環(huán)境相對(duì)濕度對(duì) CO2氣體在混凝土中擴(kuò)散系數(shù)的影響；環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)碳化化學(xué)反應(yīng)本身的影響；環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化評(píng)估方法的影響。

1.1環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)孔隙水飽和度的影響

環(huán)境相對(duì)濕度會(huì)對(duì)混凝土中的孔隙水飽和度造成影響，從而影響混凝土的碳化。實(shí)際上，在這個(gè)過程中，孔隙水飽和度會(huì)同時(shí)影響 CO2的擴(kuò)散系數(shù)而影響混凝土的碳化過程[4]?；炷量兹芤菏腔炷撂蓟膱鏊湟合喹h(huán)境的形成與混凝土所處環(huán)境相對(duì)濕度直接相關(guān)；另外，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較低時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度較小，混凝土處于干燥狀態(tài)，CO2氣體在混凝土中擴(kuò)散系數(shù)就較大，但此時(shí)由于反應(yīng)所需水分不足，碳化反應(yīng)速率較慢；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較高時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度較大，阻礙 CO2氣體的進(jìn)入，CO2氣體在混凝土中擴(kuò)散系數(shù)較小，此時(shí)碳化反應(yīng)速率也較慢。

Steffens[5]提出混凝土的孔溶液中水含量和環(huán)境相對(duì)濕度RH 的關(guān)系如下：

式中：

w——混凝土孔溶液中水含量，kg/m3；

ρw——水的密度，ρw取 1000kg/m3；

ω——20℃ 水的表面張力，mN/m；

ws——混凝土的孔隙飽和時(shí)的水含量，kg/m3；

wm、a、b、c、n——材料常數(shù)，可利用Levenberg-Marquardt 算法求得。

Bahador 等[6]通過試驗(yàn)研究并建立了混凝土的孔隙飽和度Sf與水灰比 w/c 和環(huán)境相對(duì)濕度 RH 的關(guān)系如下：

基于上述模型，可以計(jì)算得到不同環(huán)境相對(duì)濕度條件下混凝土中的孔隙水飽和度相關(guān)參數(shù)。

1.2環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響

Papadakis[7,8]考慮了混凝土孔隙率 εc和相對(duì)濕度 RH 兩個(gè)因素，建立了二氧化碳在混凝土中擴(kuò)散系數(shù) De，CO2的模型如下：

式中：

εc——已碳化混凝土的孔隙率；

C——混凝土單方水泥用量；

P——單方摻合料用量；

W——單方水用量；

ρc、ρp、ρw——分別為水泥、摻合材料和水的密度。

Khunthongkeaw[9,10]考慮了環(huán)境相對(duì)濕度，總體孔隙率和平均孔徑分布，孔飽和度等因素對(duì)二氧化碳傳輸系數(shù)的影響，通過碳化深度測試結(jié)果反演算分析得出混凝土內(nèi)部二氧化碳擴(kuò)散系數(shù) Dci和暴露面的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù) Dc0：

式中：

n(t)——混凝土總孔隙率 n 和平均孔徑 d 隨擴(kuò)散時(shí)間 t 的變化情況；

d(t)——平均孔徑 d 隨擴(kuò)散時(shí)間 t 的變化情況；

η——混凝土骨料影響系數(shù)，其值為混凝土中漿體體積占混凝土總體積的比例；

RH(x,t)——不同擴(kuò)散時(shí)間 t 和不同深度 x 處混凝土的環(huán)境相對(duì)濕度；

Cw(x,t)——不同擴(kuò)散時(shí)間 t 和不同深度 x 處混凝土的孔隙水飽和度。

基于上述模型，可以計(jì)算得到不同環(huán)境相對(duì)濕度條件下混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)。

1.3環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)碳化化學(xué)反應(yīng)本身的影響

混凝土碳化在物質(zhì)層面上的體現(xiàn)為混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)和擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部的二氧化碳?xì)怏w在有水參與的情況下發(fā)生酸堿反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程[11,12]如下：

從以上反應(yīng)方程可以看出，混凝土碳化須在有水的環(huán)境下才能進(jìn)行，并且碳化反應(yīng)本身也會(huì)生成水。研究表明[13,14]，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較小時(shí)，混凝土較干燥，無法在孔隙中形成液相環(huán)境，碳化反應(yīng)無法進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較大時(shí)，由于碳化反應(yīng)本身會(huì)生成水并釋放到混凝土孔隙中，空隙中水含量增大，反應(yīng)無法繼續(xù)向右進(jìn)行，碳化反應(yīng)變慢；從理論上來說，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為 50% 時(shí)，混凝土碳化反應(yīng)速率達(dá)到最快。

1.4相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化評(píng)估方法的影響

我國測量混凝土碳化深度最常用的方法是酚酞指示劑法[15]，然而，混凝土發(fā)生碳化時(shí)，其內(nèi)部存在部分碳化區(qū)[16]，酚酞指示劑在混凝土斷面上的變色界限存在一個(gè)模糊的區(qū)域，從而無法精確地評(píng)價(jià)混凝土碳化程度。環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)部分碳化區(qū)有決定性的影響，進(jìn)而影響到碳化的評(píng)價(jià)。

萬朝均等[17]通過對(duì)部分碳化區(qū)的分析及定義，并開展試驗(yàn)研究了多個(gè)因素對(duì)混凝土部分碳化區(qū)長度的影響，其研究表明，碳化相對(duì)濕度越小，部分碳化區(qū)越寬。

蔣利學(xué)研究表明[18]，當(dāng) RH 在 80% 以上時(shí)，混凝土基本不出現(xiàn)部分碳化區(qū)；當(dāng) RH 降至 70% 時(shí)，混凝土部分碳化區(qū)很小，可以忽略不計(jì)；當(dāng) RH 降至 60% 時(shí)，部分碳化區(qū)在整個(gè)碳化區(qū)中占有一定比例，此時(shí)應(yīng)考慮部分碳化區(qū)的影響；當(dāng) RH 在 50% 左右時(shí)，部分碳化區(qū)長度已經(jīng)超過完全碳化區(qū)長度。

相對(duì)濕度對(duì)部分碳化區(qū)造成影響是由碳化反應(yīng)快慢引起的。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較高時(shí)，混凝土空隙中含水量大，CO2濃度相對(duì)降低，碳化反應(yīng)能及時(shí)將擴(kuò)散進(jìn)來的 CO2完全反應(yīng)，部分碳化區(qū)也就不明顯；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較低時(shí)，CO2濃度相對(duì)升高，擴(kuò)散速度加快，碳化反應(yīng)無法及時(shí)消耗完擴(kuò)散進(jìn)來的 CO2而繼續(xù)向未碳化區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)，碳化反應(yīng)區(qū)域的堿性物質(zhì)也沒有完全消耗，造成部分碳化區(qū)的出現(xiàn)。

2　考慮環(huán)境相對(duì)濕度影響的混凝土碳化預(yù)測模型

希臘學(xué)者 Papadakis[19]通過研究混凝土碳化反應(yīng)方程中各物質(zhì)的平衡，利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論研究碳化速率，并提出了物理意義明確的碳化分析模型：

式中：

xc——混凝土的碳化深度，mm；

De——混凝土的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)；

[CO2]0——環(huán)境中 CO2的摩爾濃度，mol/m3；

[Ca(OH)2]0、[CSH]0、[C3S]0和[C2S]0——分別為可碳化物質(zhì)氫氧化鈣、水化硅酸鈣、硅酸三鈣和硅酸二鈣的初始摩爾濃度，mol/m3。

牛荻濤[20,21]模型考慮了二氧化碳濃度，環(huán)境溫度，相對(duì)濕度，混凝土抗壓強(qiáng)度等多個(gè)碳化影響因素，通過試驗(yàn)研究提出了碳化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

式中：

Kmc——計(jì)算模式不定性隨機(jī)變量；

Kj、KCO2、Kp、Ks——分別為角部、CO2濃度、澆筑面和工作應(yīng)力修正系數(shù)；

T——環(huán)境年平均溫度，℃；

RH——環(huán)境年平均相對(duì)濕度，%；

fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，是隨機(jī)變量，MPa；

mc——為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之比值。

張海燕[22]通過試驗(yàn)研究，設(shè)定了不同濕度的碳化條件，建立了多因素的碳化模型：

式中：

Kw——室內(nèi)外混凝土影響系數(shù)，室外取 1.0，室內(nèi)取1.87；

T——環(huán)境溫度，℃；

RH——環(huán)境相對(duì)濕度，40%～95% 適用，%；

fcuk——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；

C0——二氧化碳濃度，%。

李果[23]通過開展不同濕度下混凝土碳化試驗(yàn)研究，采用線性回歸方法建立了碳化預(yù)測模型，該模型考慮了45%～95%環(huán)境濕度對(duì)混凝土碳化的影響：

式中：

RH——環(huán)境相對(duì)濕度，45%～95% 適用，%；

T——環(huán)境溫度，10℃～60℃ 適用，℃；

w/c——混凝土的水灰比；

qCO2——環(huán)境二氧化碳濃度，mg/L；

t——碳化時(shí)間，h。

從上述模型中可以看出，環(huán)境相對(duì)濕度 RH 對(duì)混凝土的碳化深度有直接影響。在工程應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)工程條件選擇合適的混凝土碳化模型對(duì)不同環(huán)境相對(duì)濕度條件下混凝土的碳化深度進(jìn)行預(yù)測和分析。

3　結(jié)論

環(huán)境相對(duì)濕度是影響混凝土碳化的關(guān)鍵因素之一，對(duì)碳化環(huán)境下混凝土的耐久性分析和設(shè)計(jì)有重要影響。本文總結(jié)和分析了環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)混凝土孔隙飽和度、混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)、碳化化學(xué)反應(yīng)和混凝土碳化評(píng)估方法四個(gè)方面的影響，對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度與混凝土孔隙飽和度和混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系模型進(jìn)行了說明，并對(duì)考慮環(huán)境相對(duì)濕度的混凝土碳化預(yù)測模型進(jìn)行了綜述，綜述表明，環(huán)境相對(duì)濕度RH 對(duì)混凝土的碳化深度有直接影響。在工程應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)工程條件選擇合適的混凝土碳化模型對(duì)不同環(huán)境相對(duì)濕度條件下混凝土的碳化深度進(jìn)行預(yù)測和分析。

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［通訊地址］廣西南寧東葛路 30 號(hào) 618 室（530022）

Effect of environmental relative humidity on concrete carbonation

Qiao YongPing1, Chen Zheng2, Mo Lin2
(1.Construction Engineering Quality Supervision Head Station of Guangxi, Nanning530022; 2.School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University, Nanning530004)

There are some differences among concrete structure under atmospheric environment, hydraulic concrete structure, and underground concrete structure for carbonization process，which is due to the influence of the environmental relative humidity on carbonization process. Summarizing and analyzing the impacts of environmental relative humidity on pore saturation in concrete, carbon dioxide diffusion coefficient, chemistry reaction concrete and method of carbonization assessment for concrete, this paper explains the model among environmental relative humidity, pore saturation in concrete, carbon dioxide diffusion coefficient. Lastly, the paper makes a review on the prediction model of concrete carbonation about considering environmental relative humidity. In the process of engineering application, we can choose the appropriate the model of concrete carbonation based on the conditions of engineering, and predict and analyze carbonation depth under the different levels of environmental relevant humidity.

environmental relative humidity; concrete; carbonation; diffusion coefficient

喬永平，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，就職于廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站。