環(huán)境氣候條件下混凝土碳化速度研究

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摘　要:主要側(cè)重于環(huán)境氣候條件(溫度、相對濕度) 對混凝土的碳化速度規(guī)律進(jìn)行研究，并提建立了考慮環(huán)境溫、濕度氣候條件的混凝土碳化模型。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；氣候條件；混凝土；碳化速度

1 　實(shí)驗(yàn)方案

考慮的混凝土碳化影響因素主要為環(huán)境氣候因素，即環(huán)境溫度、相對濕度，另外加上混凝土的水灰比共三種因素，每種因素取6 個(gè)水平。為加快混凝土碳化速度，環(huán)境CO2濃度統(tǒng)一設(shè)定為20 % ，混凝土碳化時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為240h。

考慮到自然界中混凝土的碳化是一個(gè)相對較為緩慢的物理、化學(xué)過程，為節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，本實(shí)驗(yàn)同樣采用“均勻設(shè)計(jì)”法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)加速碳化試驗(yàn)所考慮的因素?cái)?shù)和水平數(shù)，選擇均勻設(shè)計(jì)表中的U6 (64 ) 表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，總共只需6 組實(shí)驗(yàn)即可以達(dá)到預(yù)期的目的。具體的人工氣候條件組合如表1 所示。

2 　實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)方法

水泥采用淮南礦務(wù)局水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥R325 ， 砂采用河砂，石子采用碎石，粒徑10～20mm?；炷敛捎? 種配合比，如表2 所示。

表2 　混凝土配合比表

編號配合比(C ∶S ∶G∶W)

A 1 ∶0. 85 ∶1. 89 ∶0. 35

B 1 ∶1. 12 ∶2. 26 ∶0. 42

C 1 ∶1. 75 ∶2. 98 ∶0. 55

D 1 ∶1. 90 ∶3. 53 ∶0. 59

E 1 ∶2. 21 ∶4. 28 ∶0. 63

F 1 ∶2. 94 ∶5. 53 ∶0. 74

試件采用100 ×100 ×100mm3 試塊，每種配合比試件制作6 組，每組3 塊，在表1 所示每種氣候條件6 種配合比試件各放1 組。碳化實(shí)驗(yàn)室里根據(jù)設(shè)定目標(biāo)自動(dòng)控制環(huán)境的溫度、相對濕度、CO2濃度三項(xiàng)指標(biāo)，溫度控制范圍0～60 ℃，偏差±1 ℃，相對濕度控制范圍40 %～95 % ，偏差±2 % ，CO2 濃度0～50 %(體積濃度) ，精度±0. 1 %。

混凝土人工氣候加速碳化的具體過程如下：①試件脫模后即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室( T = 20 ℃±3 ℃、RH ≥95 %) 內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 天；② 試件養(yǎng)護(hù)完畢后即取出放在室內(nèi)自然環(huán)境，任取6 種配合比試件各1 組放入105 ℃烘箱內(nèi)烘干48h ，冷卻至常溫，保留試件成型時(shí)的相對兩側(cè)面，其余各表面采用石蠟密封；③將試件放入按表1 設(shè)定好溫濕度氣候條件、CO2 濃度的碳化室內(nèi)進(jìn)行碳化，在碳化過程中每24h 檢查一次碳化箱內(nèi)CO2濃度，并隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充以保證CO2的濃度在20 % ±1 %；④碳化240h 后將試件取出，采用壓力機(jī)沿碳化面劈裂，將試塊一分為二，然后用1 %酚酞乙醇指示液噴于斷裂面，從試件表面到變色邊界每邊采用鋼尺量測三處混凝土碳化深度，以其算術(shù)平均值作為該試塊的碳化深度，取3 塊試件的算術(shù)平均值作為該組試件的碳化深度。⑤其余每組人工氣候條件的混凝土加速碳化均重復(fù)以上②～ ④過程。

3 　基于混凝土碳化機(jī)理的混凝土碳化模型建立

采用1 %酚酞乙醇指示液噴灑后的某一人工氣候條件下的6 種試件斷面混凝土碳化深度顯示(部分) 的典型照片如圖1 所示。同時(shí)，6 種人工氣候條件下的混凝土試件碳化深度實(shí)測結(jié)果如表3 所示。

從表3 可以看出，雖然碳化時(shí)間、碳化箱內(nèi)CO2濃度均相同， 但是6 種人工氣候條件下的混凝土碳化深度存在明顯的差異。首先對于同一種氣候條件，6 種水灰比的試件其碳化深度存在差異，隨著混凝土水灰比的增大混凝土碳化深度存在明顯增大的趨勢，這與人們常規(guī)的認(rèn)識(shí)是吻合的；其次對于同一種混凝土水灰比的試件，6 種氣候條件下的混凝土碳化深度各不相同。由于本文采用的是均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，故混凝土碳化深度隨氣候條件的變化規(guī)律不能直接看出，需要通過回歸分析獲得。根據(jù)混凝土碳化的理論模型式、通用混凝土碳化公式：

w/ c ———混凝土水灰比。

對回歸方程(8) 的顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(方差分析) 結(jié)果如表4 所示。

從表4 可以看出，回歸方程(8) 的顯著性統(tǒng)計(jì)量F = 344. 74 > F(3 ，32) (0. 01) = 4. 40 ，故方程(8) 在顯著性水平α= 0. 01 下是可信的。

對回歸方程(8) 的回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)如表5 所示：

從表5 可以看出，回歸方程(8) 各影響因素的回歸系數(shù)均是非常顯著的，顯著性水平均在α= 0. 01 以上。同時(shí)從各因素的T 值可以看出，環(huán)境溫度對單位時(shí)間的混凝土碳化速度影響最大；混凝土水灰比次之次之；環(huán)境相對濕度影響相對較小。

從表1 任取一環(huán)境氣候條件(溫度40 ℃、相對濕度30 %RH) 同時(shí)取CO2 濃度20 %、碳化時(shí)間240h ，利用所建立的回歸方程(8) 可獲得混凝土水灰比- 混凝土碳化深度的對比關(guān)系曲線如圖2 所示。

已有的研究成果[1 ] 表明:混凝土的水灰比決定著混凝土的孔隙率，從而決定著混凝土這種多孔介質(zhì)材料的抗?jié)B能力。一般來講，混凝土水灰比越大，則混凝土內(nèi)部的孔隙率越大，從而液體或氣體在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)越大；反之混凝土水灰比越低， 則混凝土內(nèi)部的孔隙率越低，從而液體或氣體在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)越小。從圖2 可以看到，混凝土的碳化速度同混凝土的水灰比的關(guān)系正是反映了這種規(guī)律，即隨著混凝土水灰比的增大，混凝土的碳化速度顯著提高。比如隨著混凝土的水灰比從0. 35 增大到0. 74 ，混凝土的碳化深度提高了約2. 8 倍。根據(jù)已建立的混凝土碳化深度預(yù)測模型(8) 可以對環(huán)境氣候條件對混凝土碳化速度影響的規(guī)律進(jìn)行研究。比如，環(huán)境CO2濃度均保持20 %不變，碳化時(shí)間240 小時(shí)，混凝土水灰比取0. 55 ， 分別固定環(huán)境相對濕度而改變環(huán)境溫度即可以獲得混凝土碳化深度- 環(huán)境溫度的變化曲線如圖3 所示；同理可以獲得混凝土碳化深度- 環(huán)境相對濕度的變化曲線如圖4 所示。

從圖3 和圖4 可以看出，環(huán)境溫濕度氣候條件對混凝土的碳化速度具有明顯的影響，而且環(huán)境溫度對混凝土碳化速度的影響高于環(huán)境相對濕度。環(huán)境相對濕度不變，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的碳化速度顯著增大，比如，對應(yīng)70 %RH ，環(huán)境溫度從10 ℃提高到50 ℃，混凝土的碳化速度提高了近3 倍；而環(huán)境溫度不變，隨著環(huán)境相對濕度的增大，混凝土的碳化速度顯著減小， 比如對應(yīng)20 ℃，環(huán)境相對濕度從50 %增大到90 % ，混凝土的碳化速度降低了約22 %。

由混凝土的碳化機(jī)理過程可知混凝土的碳化速度由以下幾個(gè)步驟所控制：CO2 從外部環(huán)境進(jìn)入混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度；CO2與混凝土內(nèi)部可碳化物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速度；可碳化物質(zhì)[ 主要為Ca (OH) 2 ]的遷移速度。以上3 個(gè)環(huán)節(jié)中每個(gè)過程速度的提高均有助于混凝土碳化速度的提高，反之，則有助于混凝土碳化速度的降低。環(huán)境溫度、相對濕度對混凝土碳化速度的影響主要體現(xiàn)在：

隨著環(huán)境溫度的升高，CO2 的擴(kuò)散速度提高，混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)速度提高，可碳化物質(zhì)的遷移速度也在提高；而隨著環(huán)境相對濕度的提高，混凝土內(nèi)部的孔隙水飽和度將增大，這將阻礙CO2在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度，同時(shí)由混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)方程可知，混凝土的碳化反應(yīng)是一個(gè)釋放水的反應(yīng)，故隨著混凝土內(nèi)部水分的增多，也將影響混凝土碳化化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。故隨著環(huán)境相對濕度不變而環(huán)境溫度升高，混凝土的碳化速度將增大；而隨著環(huán)境溫度不變環(huán)境相對濕度增大，混凝土的碳化速度將降低。

雖然本文所進(jìn)行的是人工氣候條件下的混凝土碳化速度研究，即恒定溫濕度氣候條件下混凝土碳化速度的研究，而自然氣候條件下環(huán)境的溫濕度氣候條件是瞬時(shí)多變的，從這一點(diǎn)講，人工氣候與自然氣候存在著不同。但是根據(jù)已有的對兩種氣候條件下碳化后混凝土的物相分析、微觀孔結(jié)構(gòu)分析研究結(jié)果表明：兩種氣候條件下的混凝土碳化產(chǎn)物、碳化后混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)變化都是非常一致的，從而可以認(rèn)為兩種氣候條件下混凝土的碳化機(jī)理是相同的，人工氣候條件下混凝土的碳化同自然氣候條件下混凝土的碳化存在相關(guān)關(guān)系。因此利用人工氣候條件所獲得的混凝土碳化速度預(yù)測模型可以適用于自然氣候條件下混凝土的碳化深度預(yù)測。

3 　結(jié)論

通過本實(shí)驗(yàn)研究與回歸分析可以得到如下結(jié)論：

(1) 環(huán)境的溫度對混凝土的碳化速度具有重要影響，二者近似呈正比關(guān)系。在10 ℃～60 ℃的環(huán)境溫度范圍，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的碳化速度明顯增大；反之，隨著環(huán)境溫度的下降，混凝土的碳化速度明顯降低。

(2) 環(huán)境相對濕度對混凝土的碳化速度也具有重要影響，二者近似呈反比關(guān)系。在45 %～95 %RH 的環(huán)境相對濕度范圍，隨著環(huán)境相對濕度的增大，混凝土的碳化速度降低；反之，隨著環(huán)境相對濕度的減小，混凝土的碳化速度增大。

(3) 混凝土的碳化速度同混凝土的水灰比成正比。隨著混凝土水灰比的增大，混凝土碳化速度顯著提高；反之，隨著混凝土水灰比的下降，混凝土的碳化速度明顯降低。

(4) 在基于混凝土碳化機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過回歸分析建立了考慮環(huán)境溫濕度氣候條件的混凝土碳化模型：

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