何小軍 安 賽 菅迎賓 申培 董勝歡

（1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院，河北 石家莊 050041；2.冀南技師學院,河北 邯鄲 056000；3.河北科技師范學院，河北 秦皇島 066000）

0 引言

混凝土壽命本質(zhì)取決于混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕程度。為了探索碳化對混凝土壽命的影響，現(xiàn)對混凝土碳化做大量試驗研究和理論分析。其實，混凝土碳化會加大混凝土的強度，對混凝土本身并沒有太大的影響。但需要注意的一點是，碳化會導致混凝土收縮，收縮會使得混凝土表面出現(xiàn)裂縫，進而混凝土的抗拉強度和抗折強度也隨之降低。所以，碳化本質(zhì)上是破壞了混凝土的結(jié)構(gòu)，使得混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕進而降低了混凝土的使用壽命。

1 混凝土碳化的理論

1.1 混凝土碳化的定義與碳化機理

混凝土是一種常見的建筑材料，內(nèi)部多空存在大量空隙?；炷恋奶蓟褪谴髿庵械腃O2通過這些空隙向內(nèi)部滲透，和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生了化學反應(yīng)，由此產(chǎn)生了大量的碳酸鈣和水，主要的化學反應(yīng)式如下：

這是一個緩慢而復雜的化學過程，最終會讓混凝土的堿度降低趨向于中性。當發(fā)生反應(yīng)的混凝土厚度大于混凝土保護層的厚度時，混凝土內(nèi)部的鋼筋表面的鈍化膜就會遭到破壞，出現(xiàn)銹蝕。銹蝕會使鋼筋在長度方向出現(xiàn)縱向的裂縫，鋼筋的體積會由于內(nèi)部受到擠壓而膨脹，鋼筋表面的保護層會被撐開而脫落，這就是混凝土結(jié)構(gòu)被破壞的過程。

1.2 混凝土碳化的研究背景和研究意義

混凝土由于其具有良好的耐久性，因此成為建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種建筑材料。然而，由于受多種因素的影響，混凝土在使用中仍舊存在材料老化、腐蝕等問題，這大多是由于混凝土的碳化導致鋼筋銹蝕引起的。所以，無論是對混凝土的碳化和耐久性進行深入研究，對混凝土的碳化程度進行預(yù)測計算，還是對建筑耐久性的評定和設(shè)計、維修加固，都對其全壽命預(yù)測有著十分重要的意義。

2 混凝土全壽命預(yù)測的試驗方法

混凝土的使用壽命受到材料性能、細部構(gòu)造、暴露狀態(tài)等因素及其各因素間的綜合作用影響。因此，混凝土全壽命預(yù)測的試驗往往是對這些因素的綜合作用的研究。由于各因素間綜合作用的機理十分復雜，目前對混凝土的全壽命預(yù)測的試驗只能選取其中一個影響因素作為變量，其他影響因素作為定量，以此假定條件進行分析?，F(xiàn)針對幾種預(yù)測試驗方法闡述如下：

2.1 比較預(yù)測法

這種方法存在這樣的假設(shè)條件：混凝土在某一期限內(nèi)是經(jīng)久耐用的，則相似環(huán)境下相似的混凝土也應(yīng)該具有同樣的壽命。然而，在實際的工程項目中，每一個建筑工程的混凝土結(jié)構(gòu)、形狀、環(huán)境等因素都各不相同，所以用這種方法進行壽命預(yù)測存在一定局限性，因此在實際中的應(yīng)用較為少見。

2.2 經(jīng)驗預(yù)測法

這種方法是根據(jù)項目現(xiàn)場大量的試驗結(jié)果及實驗室大量的研究，并在汲取以往項目經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對混凝土的使用壽命進行預(yù)測。但這種方法存在局限性，當混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計周期較長，或者混凝土的環(huán)境較為惡劣，或是混凝土結(jié)構(gòu)加固過程中其結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，這樣的預(yù)測方式就十分不可靠。

2.3 隨機預(yù)測法

由于混凝土的使用壽命受到各種隨機變量的影響，甚至某些變量會隨時間的變化而發(fā)生變化，所以對混凝土進行全壽命預(yù)測進行定量分析，顯而易見是十分不合理的。因此，采用隨機預(yù)測的方法對混凝土進行全壽命預(yù)測是一種十分不準確的預(yù)測方法。

2.4 數(shù)學模型預(yù)測法

這種方法預(yù)測的準確度較高，主要是因為材料的選擇和環(huán)境參數(shù)的選取以及模型都具有合理性。這種數(shù)學模型的預(yù)測方法較為完善，因此在實際工程項目應(yīng)用中較為廣泛使用，具體有馬爾可夫模型、灰色模型等。

2.5 智能預(yù)測法

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能化也開始投入到實際工程項目中的某些特定參數(shù)的預(yù)測，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、模糊數(shù)學理論預(yù)測法等等。智能系統(tǒng)具有很強的優(yōu)化能力和學習能力，能夠很好地應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)衰退過程中發(fā)生的不確定因素。

綜上對混凝土全壽命預(yù)測的五種實驗方法都屬于確定性方法。就是將影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的某一個影響因素作為變量，其他影響因素作為定量進行試驗研究，經(jīng)研究得到的壽命預(yù)測結(jié)果就是具備平均參考意義上的使用壽命。由于影響混凝土結(jié)構(gòu)碳化耐久性的各因素都存在隨機性，所以應(yīng)用概率對基于碳化耐久性的混凝土全壽命預(yù)測進行實驗研究是比較合理的。

3 碳化對混凝土全壽命預(yù)測的影響

從混凝土的碳化機理可以知道，影響碳化的主要因素本質(zhì)是混凝土的滲透性和其含有的堿性物質(zhì)的影響。那么，分析碳化對混凝土結(jié)構(gòu)和性能的影響就是分析碳化對混凝土全壽命預(yù)測的影響，下面對此展開分析。

3.1 碳化對混凝土結(jié)構(gòu)的影響

當混凝土發(fā)生碳化時，混凝土結(jié)構(gòu)的孔徑和總孔隙率都會減少。例如，將砂漿試件濕養(yǎng)28d 后，放入溫度為20℃、相對濕度為60%，CO2濃度為10%的碳化箱中，觀察16 周后的孔結(jié)構(gòu)變化。我們可以看到，當試件發(fā)生碳化后，碳化區(qū)的孔隙總體積明顯減少，孔徑明顯減小，而未碳化區(qū)的孔隙總體積和孔徑?jīng)]有明顯改變。這就說明，混凝土在發(fā)生碳化時，由于CO2通過孔隙在混凝土內(nèi)部發(fā)生了碳化反應(yīng)，導致混凝土的結(jié)構(gòu)遭到了破壞。

3.2 碳化對混凝土性能的影響

3.2.1 質(zhì)量的影響

混凝土發(fā)生碳化會使質(zhì)量增加。從上文混凝土的碳化機理化學反應(yīng)方程式可以看出，由于混凝土吸收了二氧化碳釋放出了碳酸化合物和水，所以混凝土總質(zhì)量會增加。一般來說，混凝土本身具備一定的厚度，當發(fā)生碳化時很難影響到混凝土中心的鋼筋。為了測定混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)所產(chǎn)生的質(zhì)量，可以設(shè)置將水灰比為0.65 的試件放入溫度為20℃、相對濕度為60%的碳化箱中養(yǎng)護3 個月，最后得到的試驗結(jié)果是混凝土的總質(zhì)量下降了約0.9%；而在同樣的溫度、濕度條件下，放入10%的二氧化碳，碳化箱中的質(zhì)量約增加了1.2%。由此可見混凝土碳化時的確發(fā)生了質(zhì)量的增加。

3.2.2 體積的影響

混凝土發(fā)生碳化時，體積會收縮，這是由于受到了濕度的影響。先后設(shè)置了先干燥后碳化、干燥和碳化同時進行、只進行碳化三種情況的實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，當相對濕度為50%時，體積收縮最大。這說明了當混凝土的含水量增加并達到一定量時，二氧化碳向混凝土內(nèi)部擴散的速度會逐漸降低甚至終止，混凝土的碳化速度也會減慢。

3.2.3 抗壓強度的影響

將濕養(yǎng)28d 的試件放在溫度為21℃、相對濕度為50%、CO2濃度為9%的碳化箱中加速碳化3d，將得到的混凝土的抗壓、抗折強度及彈性模量數(shù)據(jù)進行列表對比分析，如表1 所示：

表1 碳化混凝土力學性能

我們可以看到，混凝土碳化后抗壓強度有提高。這是因為混凝土碳化時生成的碳酸鈣密實了混凝土的結(jié)構(gòu)。需要注意的是，實驗條件下的試件碳化反應(yīng)是在設(shè)定好的養(yǎng)護環(huán)境中進行的，受到的影響因素少。而實際的混凝土構(gòu)筑物由于受到多種因素的影響，其碳化的程度會增加，因此實際的混凝土構(gòu)筑物的強度會有所下降。

3.2.4 堿度的影響

當混凝土的pH 值達到較高的堿度時，鋼筋的表面會形成一層鈍化膜，可以有效對鋼筋進行保護。隨著碳化反應(yīng)的進行，pH 值會逐漸降低。當達到碳化完全發(fā)生時，混凝土的pH 值會處在8.5～9.0之間，混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕。同時，碳化反應(yīng)引起的中性化在氯離子的共同作用下會加速鋼筋的腐蝕。

4 基于碳化耐久性的混凝土全壽命預(yù)測建議

目前關(guān)于混凝土碳化耐久性的全壽命預(yù)測研究理論，都是以設(shè)定某一因素為定量，其他因素為變量的條件下的實驗得出的。但在實際的工程項目中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評估和全壽命預(yù)測會受到許多變量的影響。這些變量可能同時多個存在并具有不定性，難以定量化，很多都是發(fā)生在碳化的初級階段，因此無法設(shè)計較為合理的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估模式。在實際工程中更多的是以經(jīng)驗判斷為基礎(chǔ)，通過層次分析來對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行評估。

基于這種情況，筆者認為，要對混凝土進行更為準確的全壽命預(yù)測，需要完善以下兩方面：一是要采用耐久性好的材料，建立其與混凝土密實度、孔結(jié)構(gòu)等混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及鋼筋銹蝕速度、銹蝕量之間的關(guān)系；二是對存在碳化耐久性問題的混凝土結(jié)構(gòu)建立動態(tài)評估體系，并根據(jù)檢測得到的耐久性指標數(shù)據(jù)，建立壽命預(yù)測模型。最后，要對混凝土碳化做好防護措施?；炷恋奶蓟艿江h(huán)境、材料和施工的影響，保證混凝土有良好的密實性，就能得到很好的抗碳化性能?；诖耍梢蕴岢鲆韵赂纳拼胧汉侠碓O(shè)計混凝土配合比、采用機械振搗、用涂料或者其他措施對混凝土表面進行隔絕氣體處理、選用透氣性小且密實的骨料、增加混凝土的保護層厚度等。

5 結(jié)束語

建立多因素作用下的混凝土的碳化耐久性研究及全壽命預(yù)測是一項復雜且艱巨的任務(wù)。本文對混凝土碳化進行研究，并通過試驗對該過程中混凝土的pH 值和孔隙率的變化，對混凝土碳化做出了相對完善的壽命預(yù)測，并提出了預(yù)測方法。各類預(yù)測方法都有其優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中要考慮其可操作性。筆者認為，應(yīng)該優(yōu)先采用基于碳化試驗的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行混凝土的全壽命預(yù)測，而不是選擇理論模型。理論模型由于更偏向于理想化且相關(guān)參數(shù)不易獲取，不適合在工程實踐中應(yīng)用。

碳化是混凝土耐久性研究的一個重要方向，但由于對此試驗的研究數(shù)據(jù)較少且混凝土離散較大，因此碳化對混凝土全壽命的影響結(jié)論還有待進一步驗證。為此，應(yīng)該多多開展現(xiàn)場工程的實測，并利用各種有限元軟件進行理論模擬；其次，要考慮混凝土結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)無征兆的脆性破壞。因此，要善于利用現(xiàn)代信息技術(shù)以及人工智能手段，對新建和實踐中的混凝土結(jié)構(gòu)的碳化耐久性進行實時監(jiān)測，以便對可能出現(xiàn)的狀況及時預(yù)報，這也是今后的主要研究方向。