混凝土碳化深度的计算分析与试验研究.pdf

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1、基础与结构工程器Foundation&StructureEngineering混凝土碳化深度的计算分析与试验研究曹守金，石海(中国市政工程中南设计研究总院有限公司青岛分院，山东青岛266061)摘要：利用有限元分析软件对碳化深度进行了二维与i维模拟，并利用快速碳化试验进行了验证，结果表明：试验数据与模拟结果吻合较好，为准确预测实际混凝土结构在真实状态下碳化寿命提供了参考。关键词：混凝土；碳化深度；有限元分析；快速碳化试验中图分类号：TU528文献标志码：B文章编号：1009—7767(2014)02—0135—03CalculationAnalysisofConcreteCar

2、bonizationDepthandExperimentalStudyCaoShoujin，ShiHai空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与混凝土中的碱性物质发生反应，使pH值下降的过程称为混凝土的中性化过程，而由二氧化碳引起的中性化称为混凝土的碳化。到目前为止，国内外学者对于混凝土碳化进行了大量的深入研究，包含了碳化的机理、影响因素、预测模型等方面。其中对于碳化深度的研究主要采用以试验为主的经验法。物质侵入混凝土结构主要是由于浓度梯度产生了扩散作用，在假定的稳态扩散的过程中，可基于Fick第一定律计算物质的侵蚀深度；对于非稳态扩散过程，可根据模拟物质二维

3、扩散的数学模型，并利用有限元方法进行数值求解【lI。笔者的目的是利用大型多功能有限元分析软件ComsolMuhipysics对快速碳化试验中的碳化深度分别进行二维与三维求解，并与快速碳化试验值相比较。1实验室快速碳化试验实验室快速碳化试验方法参照《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》，碳化箱内的环境条件为：温度(20±5)℃，相对湿度75％，CO：含量为20％。混凝土在各试验周期的显色图如图1所示，混凝土在各碳化期的平均碳化深度应按式(1)计算，结果精确到0．1mm。∑didF上L。(1)F／,式中：d。为试件碳化t天后的平均碳化深度，mm；d。为各测点的碳化深度，mm；n为

4、试块的个数。根据所测结果可得出不同碳化期的碳化深度。2碳化深度的二维Comsol模拟首先，确定模型的边界条件及初始条件，假设碳化开始前混凝土内部CO：的含量为零。根据气体状态方程把CO：的体积质量浓度换算成摩尔浓度[CO：]o=40．89x20％：8．17mol／m3。二维模型的计算大小为100mmxl00mm．假定正方形i边为绝缘(浓度通量等于零)，一边的浓度为8．17molJm3。其次，网格划分采用矩形单元形式，分别对50x50，100×100等不同数量的网格进行试算。试算结果显示，100x100乃至更密的离散网格所计算的结果相差不大。同时试算中发现时间步长采用0．1d时，

5、扩散浓度的计算结果和精度较理想，因而在以后的计算过程中采用0．1d的计算步长。根据所处的环境参数，修正后的扩散系数取D=2．2x10—2m2／s。根据Comsol模拟结果，分别截取时间为10，20，30，40d的扩散效果图进行直观对比，见图2。根据模拟结果可得出不同时期的扩散深度。3比较结果快速碳化试验碳化深度与模拟扩散深度比较结果见表1。根据快速碳化试验测试的碳化深度值与所模拟的扩散深度进行对比分析(见图3)可以看出，试验值2014JF$2期(3一)$3z卷席荭鼓木135器基础与结构工程Foundation＆StructureEngineeringd)40de)50d图1不同

6、碳化期碳化深度实测效果图d、40de)50d图2快速碳化试验扩散深度模拟效果图表1快速碳化试验碳化深度与模拟扩散深度比较。时阔m

7、020304050模拟扩散深度／mr．6．49．111．112．814．3试验测试深度／ram5．58．510．511．313．8与模拟值吻合较好，从而得到如下结论：当采取合理的环境因素影响系数对扩散系数进行修正后。试验结136辛荭敬木2014No．2(Mar．)V01．32果与Comsol模拟结果基本一致，此时利用Comsol软件进行扩散的有限元计算有较大的可信性。4三维碳化深度的Comsol模拟目前对于混凝土碳化深度的研究往往仅限于一维、二维的状

8、态。在三维状态下，利用有限元法推导碳化深度时，不仅非稳态扩散方程变得复杂，而且单元系数矩阵的推导也变得十分繁琐。但是三维状态下碳】020304050碳化时间，d图3模拟结果与试验结果对比化深度的研究具有更加实际的意义，因为三维状态下混凝土角区碳化深度相对于其他区域更大，目前计算中计算角区深度时，往往是笼统地乘以1．4～1．8的系数f2]，并没有进行定量分析。扩散系数控制方程的输入与二维模型相同。几何建模时，创建立方体三维模型，模型尺寸为100mmx100mmxl00mm，所计算角区(顶点设为