北京交通大学
硕士学位论文
碳化作用下锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化研究
姓名：王雪慧
申请学位级别：硕士
专业：防灾减灾及防护工程
指导教师：钟铁毅
20050201
北京变通人学硕ｌ‘学位论文摘要
摘要
在一般的大气环境下，混凝土碳化使钢筋表面ＰＨ值降低，钢筋脱钝锈蚀，随着锈蚀的发生与加尉，钢筋截面减小、力学性能恶化，混凝七保护层胀裂，钢筋混凝土构件承载能力降低，导致混凝土结构提前破坏失效。论文以“混凝土碳化一钢筋锈蚀一构件承载力降低”为主线，对由碳化引起的锈蚀钢筋混凝土构件在不同钢锈蚀率情况下的承载力进行了实验研究。
本文首先介绍了混凝土碳化机理、碳化影响因素，对碳化后的混凝土一些材料学上的变化进行了分析，进行了碳化前后抗压强度、弹性模量和应力应变曲线的对比试验研究；其次，基于钢筋锈蚀机理，分析了混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响，综合分析了混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法，着重剖析了两种常用的现场检测方法的优缺点，介绍了几种防止钢筋锈蚀的方法；通过“电化学加速锈蚀法”对混凝土梁中的钢筋进行了快速锈蚀试验，研究了混凝土梁的极限承载力、挠度、受拉区、受压区应力．应变与钢筋锈蚀率的关系；开展锈蚀混凝土梁的非线性有限元分析也是本文研究的～个内容，本文采用ＡＮＳＹＳ有限元分析程序，建立了锈蚀混凝土梁的非线性有限元分析模型，并对锈蚀混凝土实验梁进行了有限元实例计算，通过与实验结果的对比，验证了非线性有限元模拟的合理性，为钢筋混凝土的耐久性设计与计算提供了有价值的参考。
关键词：混凝土碳化钢筋锈蚀锈蚀混凝土梁承载能力
北京交通人学坝ｋ学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＰＨＩｎｇｅｎｅｒａｌａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ
ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｓｔｅｅｌｂａｒｓｕｒｆａｃｅａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｓｔｅｅｌｂａｒｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎ
ＣＲＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｂａｒｗｉｌｌｄｉｍｉｎｉｓｈａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｇｇｒａｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ
ｓａｍｅｔｉｍｅ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｖｅｒｉｎｇｌａｙｅｒｗｉｌｌｓｐａｌｌａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｗｉｌｌｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅＡｔｔｈｅ
ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｍｅｍｂｅｒｓ’ｂｅａｒｉｎｇｅａｐａｃｉｔｙｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａｄｖａｎｃｅ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙｏｆｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｅｍｂｅｒｓｉｓｃａｒｄｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｉｅｒｅｎｔＣｍＴＯＳｉｏｎｒａｔｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｒｅｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｅｎｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｔｒｅｓｓ。ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓｆｉｎｉｓｈｅｄＢａｓｅｄｏｎｓｔｅｅｌｂａｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｃｌｅｔｅｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｎｓｔｅｅｌｂａｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｎｏｎ—ｄａｍａｇｅｄｄｅｔｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓａｂｏｕｔｓｔｅｅＩｂａｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄＭｅｒｒｓａｎｄｄｅｍｅｒｉｔｓｏｆｔｗｏｆｒｅｑｕｅｎｔｆｉｅｌｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｄｅｅｐｌｙａｎｄｓｏｍｅｍｅｔｈｏｄｓｔｈａｔｐｒｅｖｅｎｔｓｔｅｅｌｂａｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｅｅｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒａｔｅａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｅｎｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｎｃｏｒｒｏｄｅｄｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍｓａｎｄｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｏｓｅｂｅａｍｓｗｈｉｃｈａｒｅｕｓｅｄｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｏｎ。ｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｖａｌｕａｂｌｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｃｏｎｃｒｅｔｅｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｓｔｅｅｌｂａｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，
ｃｏｒｒｏｄｅｄｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍ
ＩＩ
北京交通大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
提要本章详细地阐述了碳化作用下锈蚀钢筋混凝土构件的结构性能退化研究的意义与研究现状，并简述了作者在这一领域所做的工作。
１．１问题的提出
钢筋混凝土是一种用途广泛、成本低廉的建筑材料，其施工也相对较容易，因此在建筑业具有不可替代的作用。钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，是土木工程结构设计中的首选形式，其应用范围菲常广泛。虽然随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式，但可以肯定的是，钢筋混凝土结构仍然是新世纪最常用的结构形式之…ｎ
当然，这并不是说钢筋混凝土结构是十全十美的。事实上，从漫凝土应用于建筑工程至今的１５０年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。因此，耐久性失效是导致结构在正常使用状态下失效的最主要原因。
钢筋混凝土结构早期失效的主要原因之一是棍凝土中钢筋的腐蚀【２ｌ。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。日本学者对钢筋锈蚀前后钢筋混凝土梁在低周反复荷载作用下的受力性能进行了比较研究，发现在反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁承载力退化明显加快，抗震性能降低。钢筋锈蚀是引起混凝士结构耐久性下降最主要和最直接的因素。ＭＥＨＴＡ教授在题为《混凝土耐久性一５０年进展》的报告中指出１３】：“当今世界，混凝土破坏原因，
北京交通大学硕Ｌ学位论文第一章绪论
按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”，钢筋腐蚀被列为诸因素之首。
国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。据调查，美国因钢筋腐蚀破坏所造成的损失，已经成为一个重大经济问题。仅就桥梁而邑５７．５万座钢筋混凝土桥，一半以上出现腐蚀破坏，４０％承载力不足、必须修复与加固处理。腐蚀破坏的修复费，１９９８年度就需要２５００亿美元，其中桥梁修复费为１５５０亿美元（是这些桥初建费用的４倍）；英国英格岛中部环形快车道上１１座混凝土高架桥，当初建造费２８００万英镑，到１９８９年因为维修而耗资４５００万英镑，累计接近当初造价的６倍１３Ｊ。这反映了结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。在我国，混凝土结构耐久性问题也十分严重。北京市原西直门立交桥，拆除前有落水口一侧的墩柱氯化物的含量很高，最大值达０．２９％，侵入深度超过８０ｍｍ，是保护层厚度的２－３倍，其相应部位钢筋已经严重锈蚀，失重率达２３％：连云港第一和第二号码头使用不到３年、湛江港一区老码头使用不到４年、宁波北仓港十万吨级码头使用不到ｌＯ年，均出现梁架顺筋开裂，并着手修补的事【４】。
因此，混凝土结构耐久性问题是～个十分重要也是迫切需要解决的问题。总的来说，对钢筋混凝土耐久性的研究，可分为材料耐久性、构件耐久性和结构耐久性研究三个层次。就一般大气环境下的钢筋混凝土结构而言，材料的耐久性研究主要包括混凝土碳化的研究、钢筋锈蚀的研究；结构或构件层次的研究包括结构或构件耐久性评估和耐久性设计两方面。如图１—１所示，其中带“一为本文涉及的内容。
２
北京交通人学硕卜学位论文第一章绪论
，材料层次
ｌ
Ｉ
混凝土结构Ｊ
耐久性研究《
｜构件层次
Ｊ
Ｉ
、结构层次
，碳化机理＋
ｌ影响因素＋
混凝土碳倒碳化深度计算模型
／ｌ碳化深度的测定
ＩＩ碳化混凝土受力
Ｉ性能的研究ｍ
ｌｒ腐蚀机理
ｌ氯化物腐蚀＜渗入模型
ＪＬ防护措施
ｆｒ冻害机理
｝冻融破坏≮影晌因素
ｌ。抗冻措施
Ｉ，反应机理
ｌ碱．集料反应｛影响因素
ｌＬ防治措施
ｌ，锈蚀机理ｓ
、
ｌ影响因素＋
钢筋锈蚀√锈蚀量预测模型
Ｉ检测和防护措施＋
Ｌ锈蚀钢筋力学性能＋厂混凝土胀裂关系的研究
≮锈后钢筋和混凝土的黏结锚固性能Ｌ锈后承载力的变化?
ｒ结构耐久性评定
｛结构剩余使用寿命的预测
Ｌ结构耐久性的设计
１．２国内外研究概况１．２．１混凝土碳化的研究
混凝上碳化机理及影响因素的研究比较成熟【５ｊ，前苏联学者阿列克谢耶大等人根据Ｆｉｃｋ第一扩散定律及ｃＯｔ在多孔介质中扩散和吸收的特点给出理论数学模型［６１；希腊学者Ｐａｐａｄａｋｉｓ等人根据ｃ０。及各可碳化物质（Ｃａ（０Ｈ）。、ＣＳＨ、ｃ。ｓ、ｃ。ｓ）在碳化过程中质量ｉＦ衡条件建立偏微分方程组，经求解给出另一种理论式“ｌ，两者所用方法不同。但数学模型最后形式都反映了碳化深度与碳化时间的平方根成正比的基本关系，如下式所示：
ｄ＝口以
式中的碳化速度系数ｃｃ体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸的分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关【８】【９１。对于ｃｃ的取值，国内外学者都给出了不同的经验计算公式，有些碳化计算式是以水灰比为主要参数，再用其它参数修正，如Ｎｉｓｈｉ式仅用材料参数修正【ｌｏ】，朱安民式则用材料参数和环境因素修正【１１１，日本白山式【１２】、日本建筑学会推荐式㈣用材料、环境、覆盖层影响三个系数修正，有些碳化深度计算式以水灰比和水泥用量为主要参数，然后用材料系数修正【１４】【１５】，或再考虑环境因素一并修正㈣。也有不少学者用抗压强度来预测碳化深度【１４ｌ【１７】，或同时将水狄比作为主要参数【１８】。
为克服经验公式的理论依据不足，蒋利学等基于碳化机理提出了综合考虑水灰比、水泥用量、相对湿度以及Ｃ０２浓度的实用计算式㈣。
英国著名学者Ｐａｒｒｏｔｔ最先通过实验验证了部分碳化区的存在，它的发现很好地解释了为什么在碳化未到钢筋表面之前钢筋已经开始锈蚀的现象，也为更好地认识钢筋锈蚀与混凝土碳化之间的关系提供了依据。文献ｆ冽给出部分碳化区长度计算公式，在此基础上，文献弘”通过数值处理，分析了部分碳化区内物质含量分布的舰律。
文献１２２ｊ把混凝土的抗压强度视为服从芷态分布的变量，并且
４
均值与方差随着碳化时间的变化而变化，通过总结国内外暴露实骀的数据，提出了均值与方差的具体表达式，这对于了解混凝土构件的抗力变化十分有益。
同济大学刘亚芹硕士对处于一定应力状态下的混凝土构件的碳化进行了研究，表明应力状态对混凝土碳化速度有影响，拉应力作用下碳化速度加快，压应力超过一定值后碳化速度急剧增大ｆ２３］。同济大学还进行了碳化混凝土力学性能口４１１２５１、抗火能力‘冽等的初步试验研究。
１．２．２混凝土中钢筋锈蚀的研究
在一般的环境中，混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀的主要原因。由于混凝土的碳化使得原先钢筋所处的碱性环境中性化，钢筋表面致密的氧化膜遭到破坏，致使钢筋锈蚀，因此钢筋的锈蚀是一个电化学过程【２７】。文献㈤首次对钢筋锈蚀进行了理论分析，提出了预测构件寿命的方法。文献１２９】基于氧气在混凝土中的扩散服从Ｆｉｃｋ第一定律的假设，提出了关于混凝土构件基本参数的简单适用的钢筋锈蚀数学模型。中国建筑科学研究院整理分析了有关耐久性调研长期观测和快速锈蚀实验得到的规律和数据，建立了关于保护层厚度、钢筋直径与时间的钢筋锈蚀公式ｐ…，该公式考虑了水泥品种、养护条件与环境等的影响。
钢筋锈蚀首先将影响钢筋本身的力学性能，目前已有较多的研究。冶金工业部建筑研究总院通过对钢筋锈蚀实验数据的分析【３“，提出了锈蚀钢筋的应力一应变关系曲线，以及锈蚀钢筋伸长率、屈服强度、抗拉强度随局部锈蚀的变化规律，但这仅适用于截面锈蚀率小于５矧拘情况。中国建筑科学研究院结构所利用快速锈蚀方法研究了由１２、巾１６钢筋的力学性能，并分别给出了大气条件Ｆ极限延伸率和极限抗拉强度与截面损失率的线性关系，它适用于截面损失率小于１０Ｎ的情形ｐ０１。袁迎曙口２１对钢筋混凝土构件内的钢筋进行了锈蚀实验，给出了锈蚀钢筋后的力学性能，所有的公式对于截面锈蚀率达６０％后的钢筋都适用。文献［３３１１３哪通过对锈
！！塞窭里．苎兰堡！：兰堡垒兰ｊ至！邑！童鱼
蚀钢筋金相组织和力学性能的试验，研究了锈蚀钢筋承载能力与其锈蚀程度及其它参数的关系，提出钢筋锈蚀程度对强度无明显影响，锈蚀钢筋承载能力主要取决于剩余的有效面积。
目前，检测钢筋锈蚀状态的方法除了传统的破损检测方法之外，尤损检测钢筋锈蚀是许多国家正在探求的新技术口纠ｕ“，它对于尽早发现和诊断钢筋锈蚀状态，确保结构耐久与安全是十分重要的。
防锈技术的研究对于解决钢筋混凝土结构耐久性问题的意义是不言而喻的，目前化工与材料学科的发展给防锈技术的Ｉ丌发提供了有利的支持。根据防锈途径的不同，防锈技术可分为主动防锈和被动防锈两大类，主动防锈是通过改善混凝土质量来提高保护层抗碳化能力或者加大保护层厚度来延迟碳化到达钢筋表面的时间。被动防锈是通过改善钢筋自身防锈能力，如在钢筋表面涂环氧树脂、阻锈剂等化学材料来达到防锈目的。
１．２．３钢筋锈蚀对于混凝土构件的影响研究
钢筋锈蚀对于构件力学性能的影响是实际工程最为关心的。文献ｐ”定性分析了钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件弯、剪、扭承载能力的影响机理。日本学者ＯｋａｄａＩ弛］等对锈蚀前后钢筋混凝土梁在低周反复荷载作用下的受力性能进行了比较研究，发现在反复荷载作用下，锈蚀钢筋混凝土粱承载力退化明显加快，抗震性能降低。ＰｒｉｔｐａｌＳ．Ｍａｎｇａｔ．ｅｔａｌ通过电化学加速锈蚀对大批试验梁的抗弯承载力进行了研究［３９１；我国通过现场取样或加速锈蚀也进行了不少试验研究。王庆霖ｍ１假设钢筋沿梁跨度的锈蚀量按抛物线分布，采用三维有限元分析了钢筋锈蚀对其承载力的影响；袁迎曙【３２１１４１１等也通过电化学加速锈蚀法对锈蚀的梁、柱进行了结构性能的研究；牛荻涛㈣研究了反复荷载作用下的压弯构件；文献【４３１通过外加氯化钙加速锈蚀方法对２４根梁的受弯性能、９根柱的受压性能（３根轴压、３根大偏压、３根小偏压）进行了试验研究，给出了锈蚀后受弯、受压构件承载力的计算方法。
６
北京交通火学坝士学位论文第一章绪论
以上这些研究均表明锈后钢筋混凝土构件的承载力计算，除考虑钢筋和混凝土的截面变化外，还需考虑材料力学性能的变化、钢筋与混凝土间协同工作性能的退化。钢筋锈蚀到一定程度后，钢筋承载力的计算不但要考虑截面的削弱，而且要考虑其强度的降低。对于锈蚀钢筋混凝土梁，锈蚀钢筋与混凝土的粘结力的破坏是导致梁结构性能退化的主要因素，承载力计算模型也变为：Ｍ＝颤厶如（％一％）（１．２）式中的ｋ。即为考虑粘结性能退化的协同工作系数，它的确定也是近些年来许多学者研究的重点。文献［４４］利用电化学快速锈蚀方法研究了锈蚀量对粘结强度的影晌；同济大学的张伟平博士ｆ４５】建立了简单的协同工作系数与锈胀裂缝宽度的关系式，但未很好考虑不同裂缝宽度对粘结性能退化的影响。牛荻涛等【删考虑了不同裂缝宽度对粘结性能退化的影响，建立了协同工作系数和锈胀裂缝的分段式关系式，较之以前取得了进步。
１．３本文的主要工作
本文共分六章，各章内容如下：
第一章，详细地阐述了钢筋混凝土结构耐久性研究的意义，并对该课题目前的国内外研究现状进行了综述。
第二章，该章主要介绍了混凝土的碳化机理及影响因素；通过实验室的快速碳化试验，研究了混凝土试块在碳化前后的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及应力一应变关系的变化。
第三章，本章基于钢筋锈蚀是电化学反应过程，研究了碳化对钢筋锈蚀的影响；探讨了锈蚀钢筋的一些力学性能，并介绍了防止钢筋锈蚀的一些措施。
第四章，阐述了模型试验梁的电化学锈蚀工作，及其加载和后处理工作，研究了钢筋锈蚀率与混凝土梁的力学性能关系。
第五章，通过有限元法，建立了锈蚀钢筋混凝土梁的三维非
北京交通人学碗Ｉ。学位论文第一章绪论
线性有限元模型，对照电化学锈蚀梁的试验结果，证明了有限元模型的合理性。
第六章，对本文所做的工作进行了总结，并对该领域需要进一步深入研究的问题提出了个人的观点。
！！壁奎里查兰塑±堂垡笙茎墨三兰望壁圭堕！！生
第二章混凝土的碳化
提要碳化是钢筋混凝土结构劣化的一个主要原因。在混凝土未碳化前，溶液是早碱性的，ＰＨ值大于１２．５，钢筋在这种高碱性环境中，表面很容易形成－层致密的氧化物钝化膜，防止钢筋锈蚀。然而，由丁＿空气中二氧化碳的侵入，使得混凝十碱性降低，钝化膜遭到破坏。失去了对钢筋的保护作用ｔ钢筋就会锈蚀。另一方面，混凝土碳化生成的碳酸钙义会填充混凝十孔隙．使混凝士变的更密实，强度得以提高，混凝土的应力应变关系亦发生变化。本章通过实验室快速碳化试验，研究了碳化后混凝土的强度、应力一应变曲线、弹性模量等的变化关系。
２．１混凝土的碳化机理
混凝土是一种多孔的、圆液气三相并存的非均质复合材料，这样，混凝土所处环境中的某些介质就会通过孔隙进入混凝土，与孔隙液及水泥水化产物发生一系列物理、佬学反应。混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳通过扩散渗透作用进入混凝土并与水泥水化产物发生反应，使混凝土的内部组成和组织发生变化，进而影响混凝土结构物的性质和耐久性。
普通混凝土中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙（３Ｃａ?￥ｉ０２，简写为Ｃ３Ｓ）、硅酸二钙（２ＣａＯ?Ｓｉ０２，简写为ｃ２ｓ）、铝酸三钙（３ＣａＯ叽１２０３，简写为Ｃ３Ａ）、铁铝酸四钙（４ＣａＯ诅１２０３，Ｆｅ２０３，简写为ＣａＡＦ）及石膏（ＣａＳ０４?２Ｈ。０，简写为ＣＳＨ２）等，它们经水化生成氢氧化钙（Ｃａ（ＯＨ）２，简写为ｃＨ）和水化硅酸钙（３ＣａＯ?２Ｓｉ０２?３Ｈｚ０，简写为ＣＳＨ）等可碳化物质，未水化的硅酸三钙Ｇｓ和硅酸二钙ｃ２ｓ也属于可碳化物质。其化学反应方程式如下【４７】：
９
北京交通火学坝士学位论文第二章混凝土的碳化
ｃｊｓ＋ｎＨ＝Ｃ—Ｓ一日＋（３一ｘ）ＣＨ
ｃ２ｓ＋，托日＝Ｃ—Ｓ一日＋（２一ｘ）ＣＨ
２Ｃ３Ａ＋２７Ｈ＝Ｃ４ＡＨｌ９＋ｃ２ＡＨ８
ＣａＡＨｌ３＋ｃ２爿＾ｋ＝２Ｃ３Ａｎ６＋９日
Ｃ３Ａ＋６Ｈ＝Ｃ３ＡＨ６
ｃ３Ａ＋ＣＨ＋１２Ｈ＝ｃ４ＡＨＩ，
ｃ４ＡＨｌ３＋３ＣＳＨｚ＋１４日＝ｃ３Ａ罾ｃｓｇｑ３２＋ＣＨ
Ｃ３爿宙ｃｉ季＿彳３２＋２Ｃ４ＡＨｌ３＝３（Ｃ３爿ｇ碧鲥１２）＋２ＣＨ＋２０Ｈ
ｃ３４酗粥２＋ＧＡ＋ＣＨ＋１２Ｈ＝ｚｃ３Ａ（ｃｓ．ＣＨ）Ｈ１２
ｃ４ＡＦ＋４ＣＨ＋２２Ｈ＝２６＇４（ＡＦ）Ｈ１３
Ｃ４ＡＦ＋２ＣＨ＋６ＣＳＨ２＋５０Ｈ＝２Ｃ３（ＸＦ）９３ＣＳｇｔｔｌ２
２ｃ４（ＡＦ）Ｈ１３＋ｃ３（ＡＦ）９３ＣＳｇｔ３２
＝３Ｃ３（ＸＦ）９３ＣＳｇ］１３２＋２ＣＨ＋２０Ｈ
水化反应生成具有强度的水泥石并将散粒状的骨料黏结起来，成为一个坚硬的整体。混凝土的碳化实际上是水泥石的碳化。当空气中的二氧化碳Ｃ０ｚ通过混凝土孔隙中的气相部分由表及罩向内扩散并溶解于孔壁水时，就会在孔隙溶液中与溶于其中的ｃＨ反应，在水泥石和孔壁水问的固液相界面上与水化硅酸钙ＣＳＨ及未水化的硅酸二钙ｃ２ｓ、硅酸三钙Ｃ。Ｓ等可碳化物质发生碳化反应，生成碳酸钙ＣａＣ０。，具体反应方程式如下【４８ｌ：
Ｃａ（ＯＨ）２＋ｃ０２一ＣａＣ０３＋Ｈ２０
（３ＣａＯｇ？＿Ｓｉ０２孚Ｈ２０）＋３ｃ０２专３ＣａＣ０３＋２ｓｊ＿０２＋３Ｈ２０
（３Ｃａ０９９ｉ０２）＋３ｃ０２＋，厶ｒ２０＿Ｓｉ０２ｇｖｌ－１２０＋３ＣａＣ０２
（２∞Ｄ鳓Ｄ２）＋２ｃ０２十ｒＨ２０寸Ｓｉ０２∥马Ｏ＋２ＣａＣ０２水泥水化产物中的Ｃａ（ＯＨ）２和其它碱性物质ＣＳＨ、Ｅ／Ｓ、ｃ。ｓ等（主要是Ｃａ（Ｏｆ．ｉ）２）使混凝土呈现出很强的碱性，ＰＨ值约为１２～１３，碳化作用使这些物质分解生成盐类，水泥石原有的碱性大大降低，ＰＨ值下降（完全碳化后混凝土ＰＨ值降到８．５左右），从这种意义上来说，碳化应广义称为中性化１４８１。引起混凝土中性化的原因不
ｌＯ
北京交通大学硕士学位论文第二章混凝七的碳化
仅仅是碳化，其它酸性气体如Ｓ０３及工业排放出来的废气、废水、废渣都会导致混凝土的中性化。
碳化对混凝土的微结构产生了一定的影响。碳化前的水泥石内Ｃａ（ＯＨ）２晶体结晶完好，呈板状晶体，碳化过程中ｃａ外向孔隙内富集，ｃ蕊Ｏ。沉淀导致混凝土孔隙率下降、大孔减小。碳化前后混凝士孔径分布测试表明ｉ４９１，碳化后大孔减，ｊ、，平均孔径降低，从而混凝土密实度和强度提高，减弱了后续的二氧化碳及氧气的扩散。
２．２碳化的影响因素
混凝土的碳化是环境中的二氧化碳向混凝土内部扩散，并与混凝土中的可碳化物质发生化学反应的过程，因此，很多学者应用扩散理论研究混凝土的碳化规律，指出碳化过程遵循Ｆｉｃｋ第一扩散定律‘５０】【５１】【…，得到理论上计算混凝土碳化深度的公式为（５０１：
Ｘ＝（２—１）
式中：Ｘ一碳化深度
口。，一二氧化碳在混凝土中的有效扩散系数
Ｃ。。一混凝土表面二氧化碳浓度
Ｍ。一单位体积混凝土吸收二氧化碳的量
ｆ一碳化时间
国内外的大量碳化试验与碳化调查表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根里正比，可以用下面一个简单的公式表利”Ｊ：
ｘ＝克以（２—２）
式中：七一碳化系数，是反映碳化速度快慢的综合参数从混凝土碳化机理和理论公式（２．１）可以看出，混凝土的碳化速度主要取决于二氧化碳的扩散速度和二氧化碳与混凝土中可碳化物质的反应性。而二氧化碳气体的扩散速度则与混凝土本身
！！塞窒塑叁兰堕主兰堡望壅一羔三里＿！墅壁主堕！！丝
的密实性、二氧化碳气体的浓度、环境温度及混凝土的含湿状态等因素有关，碳化反应则与混凝土中氧化钙的含量、水化产物的形态及环境的温湿度等因素有关，这些影响因素可以归结为与混凝土本身有关的内部因素和与环境有关的外部因素。
同混凝土本身有关的内部因素为；
＜１）水灰比水灰比是反映混凝土性能的一个基本指标。水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率越大，密实性越差，渗透性也就越大，因而碳化速度也越快。此外，混凝土的强度主要取决于水灰比，一般水灰比越小，强度越高，碳化速度越慢。国内外许多学者都进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化速度的关系‘５４】１５５】１５６】Ｉ锕，这些试验均表明混凝土的碳化速度与水灰比成直线上升关系。
（２）水泥品种和用量水泥品种不同，水泥水化产物中碱性物质的含量及混凝土的渗透性不同，吸收二氧化碳的能力也就不同。矿渣水泥和火山灰水泥的水化产物Ｃａ（ＯＨ）２含量少，对抗碳化不利；普通硅酸盐水泥中的水化产物Ｃａ（ＯＨｈ含量较多，碳化较慢。文献【４８】给出了水泥品种的影响系数，如表２－１所示。水泥用量直接影响混凝土吸收Ｃ０２的量，因此，对混凝土碳化速度有一定影响。水泥用量越大，生成的Ｃａ（ＯＨ）：含量越多，同时也减小了孔隙率，使扩散系数降低，碳化进行就越慢。
表２—１水泥品种对碳化速度的影响
水泥品种
｝混凝土品种
普通硅酸盐矿渣或火山灰水矿渣水泥
水泥４２５＃泥４２５４３２护
！轻集料混凝土１．ＯＯ１．２０１．２５
Ｉ普通混凝土１．００１．３５１．５０（３）掺合料掺合料主要影响混凝土的微结构和渗透性，～般的活性掺合料都是硅质的，如粒化高炉矿渣、火山灰、硅灰和
北京交通大学顺Ｉｊ学位论文第二章混凝十的碱化
粉煤驮，不同的掺合料有不同的影响。传统的观点认为掺入粉煤灰会导致混凝土的抗碳化能力降低。这是因为：一方面，粉煤灰的掺入使水泥中的熟料用量相应地减少，混凝土吸收二氧化碳的能力降低；另一方面，粉煤灰混凝土的早期强度较低孔结构差，会加速Ｃ０２的扩散速度。但是，梅国兴１５８烽的试验研究却表明，粉煤灰中的活性组分会和Ｃａ（ＯＨ）２发生二次反应，降低混凝土的孔隙率，混凝土变得更密实。如果超量取代水泥掺入活性比较高的粉煤灰，其密实应占优势，抗碳化能力会有所提高。
（４）含水率含水率的变化主要影响扩散系数，随着含水率的增加，碳化速度减小。若混凝土处于饱水状态，而水中又不含和水化产物反应的物质，则混凝土不会发生碳化。
（５）施工质量混凝土施工质量对混凝土的品质有很大影响，混凝土浇注、振捣、养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实性。如施工质量差，混凝土表面不平整，内部有裂缝、蜂窝、麻面、孔洞等，则不仅会降低混凝土的强度，而且会使其密实性很差，加快了Ｃ０２的扩散速度。
和外部环境相关的因素为：
（１）Ｃ０２浓度很显然，环境中Ｃ０２浓度越大，单位时间内进入反应区域的Ｃ０２量越多，碳化速度也就越快。从公式２．１可以看出，碳化速度与Ｃ０２浓度的平方根成正比。
（２）温度根据扩散定律，在一定范围内，温度升高，气体的扩散速度加快。因此，温度越高，碳化越快。日本学者永岛正九等睁９Ｊ的研究表明，ｃ０２浓度１０％、相对湿度８０％条件下，温度４０。Ｃ的碳化速度是２０。Ｃ的２倍，充分说明了温度对碳化的影响很大。
（３）湿度环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，湿度较小时，混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态，虽然二氧化碳气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢；湿
幽２－１碳化箱中的碳化试件图２－２ＣＣＢ一７０标准碳化箱（２）试验结果及分析
由于本文试件不是太多，所以没有回归碳化系数，只是对相关文献给出的预测公式进行对比和验证。同济大学张誉教授基于快速碳化试验给出的碳化深度数学模型为【１９１；
Ｘ＝ｋ也
扣ｓｓ９×（１－驯１Ｊｃｏ｛嚣黔枷埘）肛％喇弦ｓ，其中，ｘ一碳化深度（ｎｌｎｌ）
ｙ。～水化程度修整系数，取９０天养护为Ｉ，２８天养护为０．８５％一水泥品种修正系数，普通硅酸盐水泥为１，其它品种水泥取儿＝ｌ一掺合料含量
ＲＨ一环境相对湿度（％），ＲＨ＞５５％时适用
ｃ０一环境中二氧化碳浓度（％）
豫～水泥用量（ｋｇ／ｍ３）
忉（Ⅵ９／脚（ｃ）一水灰比
ｆ一碳化时间（天）
！！皇銮望尘堂堡土兰篁丝兰塑三童堡鳖圭竺壁垡
不同混凝土强度等级及不同碳化龄期的碳化深度试验值和计算值的比较列于表２－８，混凝土喷酚酞乙醇后，碳化深度见图２－３，从上至下碳化时间依次为ｌＯｄ、２０ｄ、４０ｄ、６０ｄ。
表２－８碳化深度表
碳化龄期（天）１０２０４０６０
试验值１２．５１５．３１９．３２１．９Ｃ２０
计算值１１．５１６．３２３．Ｏ２８．０
碳化深度试验值９．８１４．１１４．４１７．７Ｃ３０
（ｎｌｍ）计算值８．８１２．５１７．７２１．７
试验值７．１８．０１０．３１３．６Ｃ４０
计算值７．３１０．３１４。５１７．８