混凝土碳化寿命预测及应用

摘要：碳化深度是混凝土检测的必测参数，本文简单分析了混凝土碳化的机理、产生危害、碳化深度预测模型、防治措施等。以现场实测样本数据为基础，定量预测结构碳化寿命及剩余碳化年限，有助于建筑结构耐久性设计及评估。

关键词：混凝土碳化碳化寿命

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

一、概述

混凝土的碳化是极复杂的多相物理化学过程，简单理解即为环境中的CO2在湿度较大的环境下在混凝土微孔中形成H2CO3，进而与水泥水化产物Ca(OH)2、3CaO·2SiO2·3H2O、2CaO·SiO2·4H2O发生化学反应生成CaCO3、SiO2、H2O。使碳化混凝土的PH值由原来的12.5以上降低至8.5～9.0。

碳化产生的危害主要有以下三方面：（1）引起钢筋周围的强碱性环境消退，为钢筋锈蚀提供前提条件；（2）碳化收缩，引起混凝土表面开裂；（3）目前碳化深度的测定主要依靠1%的酚酞酒精溶液、游标卡尺等工具利用肉眼观测颜色变化测量判断。碳化测量结果一般呈正态分布，通常取平均值作为碳化深度，存在一定的测量误差。对混凝土强度判定及耐久性评估等存在一定的影响。

碳化是评价混凝土耐久性的一个重要指标；碳化深度也是混凝土检测必须包含的一个重要参数。随着结构耐久性越来越被引起重视，国内外学者借助于快速碳化试验、对碳化参数的跟踪监测和调查以及理论分析等方法，对碳化进行了深入的研究，并在此基础上提出了多种预测模型。

二、碳化深度预测模型

碳化是CO2向结构内部沿着结构深度方向的一维扩散，碳化的发展也存在内因和外因，内因主要是混凝土自身的品质，主要包括：水泥品种、用量，混凝土的强度、孔隙率、水灰比、养护条件、施工质量、应力状态等；外因主要是环境因素，主要包括：CO2的浓度、温度、湿度等。

碳化深度预测方面已经被大量的室内试验和工程实践测试所证实,碳化深度与实践的1/2次方成正比,即,其中称为碳化速度系数。目前，预测模型主要基于理论推导和经验拟合。目前国内外已经形成了一维扩散理论模型；以水灰比、抗压强度为主要参数的经验模型和多系数碳化深度模型。

但是由于碳化的随机性及其影响因素甚多，各种预测模型与实际测量数据均存在一定的差异，且各种模型之间预测结果很难吻合。

三、碳化寿命预测

（1）碳化寿命概念

计算或预测碳化深度的一个重要应用就是对结构进行碳化寿命预测及若干年后碳化的深度预测。通常将保护层混凝土完全碳化所经历的时间作为碳化寿命。这也是钢筋锈蚀开始或产生锈蚀的一个诱因,是结构寿命的一个发展阶段。但是达到碳化寿命仅揭示钢筋锈蚀的开始碳化寿命，并不是结构的耐久性寿命。

碳化寿命的影响因素主要包括碳化速度、碳化深度和钢筋实际保护层厚度。一般情况下，保护层完全碳化的极限状态下，即认为。式中为碳化残量，日本学者岸古孝一定义其为在钢筋开始锈蚀时用酚酞试剂测出的碳化前沿到钢筋表面的距离。为保护层厚度。为碳化深度，是时间的函数。上述三个参数均为随机量，均接受正态分布。因此，保护层未碳化厚度同样接受正态分布。

（2）统计计算方法

为了保守以及计算分析简便，分析过程中通常忽略碳化残量的影响，仅考虑两个正态分布量，即。其概率密度函数为：

并且平均值和标准差具有如下关系：

式中、、分别为未碳化厚度、保护层厚度、碳化深度各测试数据的平均值；、、为相应的方差。相应的保护层厚度完全碳化的概率即为：

引起随机变量,则有

由此的,其与F之间存在一一对应关系。综合考虑了平均值和离散程度两要素，将其作为衡量结构可靠性指标。其值越大失效概率越小；其值越小失效概率越大。忽略碳化残量的影响后,具有两个正态随机变量的情况，利用JC法算得当前时刻耐久性指标为

（3）实例应用

佛山市某大桥1994年12月竣工通车，主梁为65m+100m+65m连续梁桥，主梁混凝土强度等级为C50。佛山地区温湿度较高，年平均气味21.9℃，年平均相对湿度81%。

2011年对该桥进行检测及荷载试验，主梁混凝土碳化深度平均值为10.96mm，标准差为2.18。钢筋保护层厚度平均值为44.6mm，标准差为2.72。

则有；；

由误差传递公式，碳化速度系数接受正态分布，则碳化速度系数平均值及标准差分别为：；。

假定在后期运营过程中，自然环境保持不变，混凝土碳化速度系数保持不变。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，按照计算结构使用年限，则有：

，解不等式得。剩余使用寿命215.7年。达到设计使用年限时碳化深度为mm。该桥在设计使用寿命间无达到碳化寿命问题。

四、碳化防治

混凝土结构碳化贯穿于结构寿命期。碳化寿命预测仅以实际测量数据为基础进行统计、归纳分析，实际工程项目可参考应用。

但是更具有工程意义的是碳化的综合防治治理。良好的耐久性设计和施工质量是防治混凝土碳化根本。在新建期间应对结构所处的环境进行充分的评估，并采取预防措施。主要是从水泥品种、混凝土强度、水灰比等方面下手，提高混凝土抗碳化能力。适当增加保护层厚度是避免碳化后果的有效方法。

施工阶段应加强混凝土施工质量控制，振捣应加强以提高混凝土的密实程度；良好的养护工作更能有效提高防碳化能力。

在后期运营阶段，各处理措施主要是防止碳化进一步发展。可以通过表面涂装防护和再碱化处理达到目的。表面涂装防护，通过在混凝土表面设置防护层，隔绝侵蚀介质与混凝土的继续接触，从而中止混凝土的碳化过程，起到防止钢筋锈蚀的作用。

再碱化处理，通过电化学方式使钢筋的表面重新恢复钝化。该方法是通过一外部电极和钢筋之间通直流电流，钢筋作为阴极，外部电极作为阳极，对钢筋进行阴极极化，使钢筋腐蚀电位迅速回升，从而使钢筋周围环境恢复强碱性。但是该方法应用到大型结构中还存在一定困难。

参考文献

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2.赵国藩 工程结构可靠性理论与应用 [M] 1996

3.金伟良;赵羽习 混凝土结构耐久性 [M] 2002

4.中华人民共和国建设部.建筑结构可靠度设计统一标准(GB 50068-2001) 2001

The prediction and application of Concrete carbonized life

CUI HaiFENG Shuzhen

Abstract：The carbonation depth is the parameter that must be measured,This article simply analyses the concrete carbonization mechanism, harm, the prediction model of carbonation depth, the prevention and control measures, etc. Based on the sample data measured in spot,the quantitative prediction of structure carbonized life and residual number of year, is conducive to design and evaluate the durability of building structure.

Key words: concretecarbonizationcarbonized life

第一作者简介：崔海，1979年生，男，出生地为河北唐山，工程师职称，硕士学位

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。