混凝土碳化深度與孔結構關系的灰色系統研究
2023-11-10
混凝土碳化深度與孔結構關系的灰色系統研究
周維1，朱惠英2 ，馮慶革3， 盧凌寰2
1（1.廣西城鄉規劃設計院，廣西 南寧 530022；2. 廣西建筑科學研究設計院，廣西 南寧 530002；3. 廣西大學 環境學院，廣西 南寧 530004）
摘 要：以灰色系統理論研究不同孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響。結果表明，不同的孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響是不同的，養護齡期為28d和63d的混凝土的碳化深度與孔徑范圍為200～500nm的關聯度最大，當碳化時間延長到63d時，100～200nm的關聯度升高了，表明隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞的變化加強。在此基礎上建立了混凝土28d碳化深度與孔徑的灰色模型GM(1, 4)。
關鍵詞：混凝土；碳化；孔徑分布；灰色系統
1 前言
影響混凝土耐久性方面一個重要的因素是混凝土的碳化問題。根據混凝土碳化機理與混凝土的傳質過程等理論方面的研究，影響混凝土傳質的主要因素有：混凝土的微結構特征、介質的自身條件及外界條件[1]。
影響混凝土碳化的內因主要有混凝土的堿含量和孔結構。在微觀水平上，混凝土中孔的數量與孔徑分布是決定氣體擴散的重要因素。龍廣成等[2]人的研究表明，混凝土中的孔隙率增大，混凝土的碳化深度也就不斷增加。國內外學者對混凝土的碳化深度與碳化時間的平方根成正比的規律獲得了較為一致的認可[3]。但是混凝土的碳化深度與孔結構的相關性還有待進一步研究。
通過研究混凝土的微觀孔結構如孔隙率等[4]可以大概推斷宏觀混凝土力學性能的好壞。目前測量材料孔徑分布的方法常用的是壓汞法（MIP），其基本原理是根據汞的表面積不隨壓力的變化而變化，通過記錄不同壓力下汞壓入試樣的體積變化，計算出試樣的孔隙率等孔結構參數。
灰色系統是主要基于灰色關聯性分析和灰色模型的建立，其中灰色關聯性分析是鄧聚龍[5]提出一種“少數據不確定”因素分析方法，其原理是基于行為因子序列微觀或宏觀的幾何形狀的差別，以曲線間差值的大小，作為關聯程度的衡量尺度。其根據因素之間發展態勢的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度。灰色關聯分析的目的在于尋求系統中各因素之間的主要關系，按發展趨勢作分析，找出影響系統的主要因素。在此基礎上，將隨機量當作是在一定范圍內變化的灰色量，將無規律的原始數據經生成后，變為較有規律的生成數列后再建模。
2 試驗原材料及方法
2.1 試驗原材料
實驗用水泥為普通硅酸鹽水泥，其化學組成和物理性質見表1。粗骨料使用的是最大粒徑為20mm，密度為2.71g/cm3的碎石；細骨料使用模數為2.58，密度為2.65g/cm3的II區河沙。減水劑采用瑞士西卡的聚羧基系高效減水劑，減水率為28%。
表1 水泥的化學組成和物理性質
化學組成 | Loss | SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | SO3 | |
20.63 | 60.81 | 6.21 | 3.45 | 0.75 | 2.52 | 20.63 | ||
物理性質 | R80篩余/% | 勃氏比表面積/(m2×kg-1) | 標準稠度/% | 初凝時間/min | 終凝時間/min | 抗壓強度/MPa | ||
7d | 28d | |||||||
2.3 | 371 | 26 | 138 | 198 | 29.7 | 45.5 | ||
2.2 實驗方法
為了獲得不同孔徑分布的混凝土，調節水灰比和摻合料摻量，混凝土的配比見表2。采用聚羧基系減水劑控制新拌混凝土的塌落度在180±10mm。碳化實驗采用Φ100×180mm的圓形混凝土試件，養護至28d后，將每個試塊的端面中除一圓面外用環氧樹脂密封后，置于溫度為（20±1）℃、相對濕度為70％、CO2濃度為20%的碳化試驗箱中進行快速碳化試驗。放入碳化箱中碳化至28d和63d后取出。在切片試件上取凈漿樣，剪成約5mm×5mm大小，立即用丙酮洗滌并浸泡24h，取出待丙酮充分揮發后放入50℃真空干燥箱中干燥7d。使用AUTOPORE IV 9500壓汞儀對樣品進行測試，測試最大壓力為228MPa，孔測定范圍為5~600 000nm。
表2 混凝土的配合比
編號 | W/B | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 礦渣 | 硅灰 | 石 | 砂 | 總量 |
#1 | 0.51 | 178 | 350 | 0 | 0 | 0 | 1250 | 702 | 2480 |
#2 | 0.57 | 181 | 270 | 48 | 0 | 0 | 1250 | 702 | 2451 |
#3 | 0.33 | 142 | 366 | 65 | 0 | 0 | 1250 | 705 | 2527 |
#4 | 0.26 | 121 | 326 | 140 | 0 | 0 | 1250 | 703 | 2539 |
#5 | 0.56 | 183 | 261 | 0 | 65 | 0 | 1250 | 701 | 2461 |
#6 | 0.40 | 159 | 318 | 0 | 80 | 0 | 1250 | 704 | 2510 |
3 結果分析與討論
3.1 關聯度分析
因為獲得的數據較少且相關性并不明顯，使用灰色關聯度分析混凝土碳化深度與不同的孔徑參數的相關性大小。以28d、63d的碳化深度為母序列，以相應的不同范圍的孔徑分布為子序列，由此計算出不同的孔參數與混凝土碳化深度的關聯度（見表3）。
結果表明，不同孔徑范圍對碳化深度的影響是不同的。由關聯度的大小可知，對于28d碳化深度各關聯度大小順序為：（200～500nm） （1000～2000nm）（500～1000nm）（100～200nm）（>2000nm）= 孔隙率 平均孔徑（<100nm）。
對于63d碳化深度各關聯度大小順序為：（200～500nm）（100～200nm）（500～1000nm）（1000～2000nm）（>2000nm）= 孔隙率平均孔徑（<100nm）。
由結果可知>2000nm和<100nm對碳化深度關聯度小，可見CO2滲入時對>2000nm大孔的影響較小，主要影響100～2000nm的孔徑范圍<100nm的影響較小。當碳化時間延長后，100～200nm孔徑范圍的關聯度提高，可見隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞變化的作用加強。
表3 母序列和子序列表及碳化深度和孔徑范圍的關聯度
系列 | 序號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 關聯度 | |
28d | x01(k) | 碳化深度/mm | 18.80 | 26.80 | 10.40 | 1.10 | 0.50 | 3.40 | 1.90 | |
x1(k) | 孔隙率/% | 13.40 | 13.50 | 11.40 | 11.00 | 13.70 | 13.00 | 12.40 | 0.788 | |
x2(k) | 平均孔徑/nm | 43.70 | 45.10 | 42.50 | 35.50 | 43.10 | 31.80 | 36.50 | 0.504 | |
x3(k) | <100nm | 75.90 | 85.40 | 64.30 | 47.60 | 57.30 | 48.20 | 50.80 | 0.366 | |
x4(k) | 100~200nm | 11.00 | 9.10 | 12.80 | 5.40 | 11.80 | 7.10 | 4.70 | 0.833 | |
x5(k) | 200~500nm | 14.20 | 12.70 | 11.10 | 5.80 | 11.40 | 4.40 | 5.00 | 0.869 | |
x6(k) | 500~1000nm | 5.20 | 9.20 | 4.00 | 2.10 | 5.00 | 1.50 | 2.90 | 0.853 | |
X7(k) | 1000~2000nm | 4.90 | 8.20 | 3.60 | 1.60 | 4.00 | 1.30 | 2.50 | 0.856 | |
X8(k) | >2000nm | 21.70 | 22.10 | 18.50 | 19.40 | 21.90 | 18.20 | 23.00 | 0.788 | |
63d | x01(k) | 碳化深度/mm | 25.30 | 60.00 | 13.30 | 2.50 | 0.80 | 3.50 | 7.20 | |
x1(k) | 孔隙率/% | 12 | 10.2 | 9.9 | 10.1 | 12.6 | 12 | 11 | 0.751 | |
x2(k) | 平均孔徑/nm | 40.4 | 42 | 38.2 | 30.5 | 38.7 | 30.9 | 22.8 | 0.590 | |
x3(k) | <100nm | 41.60 | 43.50 | 48.90 | 66.00 | 52.80 | 69.20 | 73.70 | 0.458 | |
x4(k) | 100~200nm | 11.7 | 9.1 | 14.9 | 3.8 | 11.3 | 4.8 | 2.8 | 0.802 | |
x5(k) | 200~500nm | 15.1 | 13.6 | 13.3 | 5.3 | 8.7 | 3.8 | 2.8 | 0.825 | |
x6(k) | 500~1000nm | 4.7 | 7.8 | 5.4 | 2.1 | 3.1 | 1.8 | 1.5 | 0.790 | |
X7(k) | 1000~2000nm | 6.1 | 7.9 | 3.7 | 2.1 | 2.7 | 1.4 | 1.5 | 0.788 | |
X8(k) | >2000nm | 20.8 | 18.2 | 13.9 | 20.7 | 21.4 | 19 | 17.7 | 0.751 | |
3.3 GM(1，4)模型的建立
根據關聯度的大小，將28d碳化深度與孔徑范圍為200~500nm、500~1000nm及1000~2000nm建立GM(1, 4)灰色模型，模型如下，原始數列及均化序列見表4：
其差分模式如下，模型值及殘差見表5：
表4 模型原始數據列及均值化序列
系列 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
原始數據 | 28d碳化深度 | x1 | 0.80 | 2.50 | 3.50 | 7.20 | 13.30 | 25.30 | 60.00 |
200～500nm | x2 | 8.70 | 5.30 | 3.80 | 2.80 | 13.30 | 15.10 | 13.60 | |
500～1000nm | x3 | 3.10 | 2.10 | 1.80 | 1.50 | 5.40 | 4.70 | 7.80 | |
1000～2000nm | x4 | 2.70 | 2.10 | 1.40 | 1.50 | 3.70 | 6.10 | 7.90 | |
均化 | 28d碳化深度 | x1 | 0.05 | 0.16 | 0.22 | 0.45 | 0.83 | 1.57 | 3.73 |
200～500nm | x2 | 0.973 | 0.593 | 0.425 | 0.313 | 1.487 | 1.688 | 1.521 | |
500～1000nm | x3 | 0.822 | 0.557 | 0.477 | 0.398 | 1.432 | 1.246 | 2.068 | |
1000～2000nm | x4 | 0.744 | 0.579 | 0.386 | 0.413 | 1.020 | 1.681 | 2.177 | |
表5 模型值及相對誤差
k | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0.80 | 1.20 | 3.52 | 8.13 | 13.13 | 25.69 | 59.77 |
| 0.80 | 2.50 | 3.50 | 7.20 | 13.30 | 25.30 | 60.00 |
| 0.00 | 1.30 | -0.02 | -0.93 | 0.17 | -0.39 | 0.23 |
| 0.00 | 108.31 | -0.49 | -11.47 | 1.33 | -1.51 | 0.39 |
4 結論
（1） 不同的孔徑范圍對混凝土碳化深度的影響是不同的；
（2） 對于碳化28d和63d的混凝土碳化深度，孔徑范圍為200~500nm的關聯度最大，當碳化時間延長到63d時，100～200nm的關聯度升高了，表明隨著碳化時間的延長影響200nm以下的孔洞的變化加強；
（3） 在灰色關聯分析的基礎上建立了混凝土28d碳化深度與孔徑的灰色模型GM(1,4)。
致謝
感謝廣西科學研究與技術開發計劃（桂攻科0799002-2）對本項目的支持。
參考文獻:
[1] 萬小梅，張芳如，趙鐵軍.混凝土的傳值過程及其理論[J].煤炭工程，2001，20（2）：73-77
[2] 龍廣成，謝友均，尹健，馬昆林.摻礦物摻合料結構混凝土性能與其孔隙率的關系研究[J] .鐵道科學與工程學報，2006，3（3）：65-68.
[3] Ho D.W.S, Lewis R.K.The carbonation of conctete and its prediction[J].Cement and Concrete research,1987,17(3):489-504
[4] Brandt. A. M, Cement based composites: materials, mechanical properties and performance [M], London, E & FN Spon, 1995: 422.
[5] 鄧聚龍. 灰色控制系統 [M]. 武漢:華中工學院出版社, 1985: 348-355.
作者簡介:周維，1965年生，本科，高級工程師。現工作于廣西城鄉規劃設計院。主要研究方向為：綠色高性能混凝土、綠色建材及節能建材研發等。
