基于数值模拟的混凝土碳化过程分析.pdf

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1、6低温建筑技术2013年第4期(总第178期)基于数值模拟的混凝土碳化过程分析孟卫涛，武永新(天津大学，天津300072)【摘要】混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，CO：在混凝土结构中的扩散是混凝土碳化反应过程的真实写照。碳化反应过程中CO在混凝土中的扩散与热传导过程中热量的传递极为相似，利用大型通用有限元分析软件ANSYS的热分析模块对挡土墙的混凝土碳化过程进行了数值模拟，结合快速碳化实验得到碳化锋面CO浓度与混凝土碳化深度拟合关系式。【关键词】碳化；仿真模拟；ANSYS热分析【中图分类号】TU528．0【文献标识码】B【文章编号】100

2、1—6864(2013)04—0006—03ANAISIsONCABoNA11【ONOFCONCRIEBASEDONNU]MERICALSm【JIA11【0lNMENGWei-tao．WUYong-xin(TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：CarbonationiSone0fthemostimportantelementsthatinflueneethestructureendurance．It’SarealattributesofcarbonationprocessthatCO2diffuse

3、sthroughtheconcretestrue—ture．WeanalyzedaboutthesimilaritybetweenthecarbondioxideinconcretecarbonationprocessandtheheattransferinheatconductionprocessandproceedanumericalsimulationonretainingwallwithgeneralFEMso~erwareANSYS．Comparedwiththeresultsofrapidcarbonizationexperimentwere

4、achedaequationofthedensityofCO2andthedepthofcarbonationconcrete．Keywords：carbonation；numericalsimulation；ANSYSheatanalysis混凝土的耐久性和强度是判断混凝土结构可靠C=C一C。一C(1)性的两个重要指标，现行规范对混凝土强度指标有着式中，C、C．m、C和cr分别表示微元体内的CO含详细的控制参数和实验方法，而对耐久性却没有严格量、进入微元体的CO含量、流出微元体的CO含量和的规定，而实际上，同一强度指标的混凝土其耐久性碳化反应消耗的CO

5、：含量。一般相差很大。由混凝土碳化引起的钢筋锈蚀是影设CO由于浓度梯度在微元体各表面的扩散通量响混凝土耐久性的一个重要因素，一般认为，混凝土为，，，微元体内cO的反应速率为R，微元体内碳化和氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀的主要因素。的CO浓度为P，则混凝土碳化过程的微分方程可表对混凝土碳化过程的数值模拟可准确预测混凝土结构未来使用年限下的碳化深度，与混凝土钢筋保示为：护层厚度做比较分析，对混凝土结构的耐久性研究有筹=譬+。，等～：fP—R(2)十分重要的意义。1混凝土碳化过程若混凝土内CO：扩散系数各向同性，即D=D，=混凝土碳化是一个复杂多相物理化学反应过程

6、，D=D，拉普拉斯算子=++，式(2)也：以水泥石中的水化物产生的碱性物质与周围环境中dxdyOz的酸性物质反应为基础，从而使混凝土的碱性降低，可表示为：也是混凝土中性化的过程。OP——：DVC—R(3)af在混凝土结构碳化部分混凝土内取一微元体对混凝土碳化过程进行分析。假设微元体各边边长分若已知混凝土结构所处的环境条件，则可根据混别为、dy、出，则根据质量守恒定律，CO：通过该微元凝土内部cO：的分布情况通过对混凝土碳化锋面的cO浓度值的研究判断混凝土内部的碳化情况，进而体的碳化过程有：盂卫涛等：基于数值模拟的混凝士碳化过程分析7确定混凝土的碳化深度。

7、表1碳化过程数值模拟cO：浓度l0kg·m则碳化过程的微分方程和边界条件可表示如下：⋯一R㈤P(，Y，，t)l=P0混凝土碳化问题演变成对混凝土内部CO：浓度场的变化分析，利用变分原理，则微分方程的定解问题等同于相应泛函分析求极值过程。于是混凝土结构的碳化问题即演变为通过泛函方程求解P(，y,z，t)的极值问题。表2快速碳化实验碳化深度mm2混凝土碳化过程与热传导过程相似性分析对于一般的三维问题，瞬态热分析其温度场变量(，Y，，t)满足微分方程：=口+，y，，t)(5)在热传导问题中，热量从系统的A部分传到部分或者由A系统传递到系统，而混凝土的碳化过程则

8、可看成是CO：由环境中进入到混凝土中扩散的过程。若把CO：浓度考虑为物体的温度，