混凝土碳化深度与孔结构关系的灰色系统研究
2023-11-10
混凝土碳化深度与孔结构关系的灰色系统研究
周维1，朱惠英2 ，冯庆革3， 卢凌寰2
1（1.广西城乡规划设计院，广西 南宁 530022；2. 广西建筑科学研究设计院，广西 南宁 530002；3. 广西大学 环境学院，广西 南宁 530004）
摘 要：以灰色系统理论研究不同孔径范围对混凝土碳化深度的影响。结果表明，不同的孔径范围对混凝土碳化深度的影响是不同的，养护龄期为28d和63d的混凝土的碳化深度与孔径范围为200～500nm的关联度最大，当碳化时间延长到63d时，100～200nm的关联度升高了，表明随着碳化时间的延长影响200nm以下的孔洞的变化加强。在此基础上建立了混凝土28d碳化深度与孔径的灰色模型GM(1, 4)。
关键词：混凝土；碳化；孔径分布；灰色系统
1 前言
影响混凝土耐久性方面一个重要的因素是混凝土的碳化问题。根据混凝土碳化机理与混凝土的传质过程等理论方面的研究，影响混凝土传质的主要因素有：混凝土的微结构特征、介质的自身条件及外界条件[1]。
影响混凝土碳化的内因主要有混凝土的碱含量和孔结构。在微观水平上，混凝土中孔的数量与孔径分布是决定气体扩散的重要因素。龙广成等[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断增加。国内外学者对混凝土的碳化深度与碳化时间的平方根成正比的规律获得了较为一致的认可[3]。但是混凝土的碳化深度与孔结构的相关性还有待进一步研究。
通过研究混凝土的微观孔结构如孔隙率等[4]可以大概推断宏观混凝土力学性能的好坏。目前测量材料孔径分布的方法常用的是压汞法（MIP），其基本原理是根据汞的表面积不随压力的变化而变化，通过记录不同压力下汞压入试样的体积变化，计算出试样的孔隙率等孔结构参数。
灰色系统是主要基于灰色关联性分析和灰色模型的建立，其中灰色关联性分析是邓聚龙[5]提出一种“少数据不确定”因素分析方法，其原理是基于行为因子序列微观或宏观的几何形状的差别，以曲线间差值的大小，作为关联程度的衡量尺度。其根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间接近的程度。灰色关联分析的目的在于寻求系统中各因素之间的主要关系，按发展趋势作分析，找出影响系统的主要因素。在此基础上，将随机量当作是在一定范围内变化的灰色量，将无规律的原始数据经生成后，变为较有规律的生成数列后再建模。
2 试验原材料及方法
2.1 试验原材料
实验用水泥为普通硅酸盐水泥，其化学组成和物理性质见表1。粗骨料使用的是最大粒径为20mm，密度为2.71g/cm3的碎石；细骨料使用模数为2.58，密度为2.65g/cm3的II区河沙。减水剂采用瑞士西卡的聚羧基系高效减水剂，减水率为28%。
表1 水泥的化学组成和物理性质
化学组成 | Loss | SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | SO3 | |
20.63 | 60.81 | 6.21 | 3.45 | 0.75 | 2.52 | 20.63 | ||
物理性质 | R80筛余/% | 勃氏比表面积/(m2×kg-1) | 标准稠度/% | 初凝时间/min | 终凝时间/min | 抗压强度/MPa | ||
7d | 28d | |||||||
2.3 | 371 | 26 | 138 | 198 | 29.7 | 45.5 | ||
2.2 实验方法
为了获得不同孔径分布的混凝土，调节水灰比和掺合料掺量，混凝土的配比见表2。采用聚羧基系减水剂控制新拌混凝土的塌落度在180±10mm。碳化实验采用Φ100×180mm的圆形混凝土试件，养护至28d后，将每个试块的端面中除一圆面外用环氧树脂密封后，置于温度为（20±1）℃、相对湿度为70％、CO2浓度为20%的碳化试验箱中进行快速碳化试验。放入碳化箱中碳化至28d和63d后取出。在切片试件上取净浆样，剪成约5mm×5mm大小，立即用丙酮洗涤并浸泡24h，取出待丙酮充分挥发后放入50℃真空干燥箱中干燥7d。使用AUTOPORE IV 9500压汞仪对样品进行测试，测试最大压力为228MPa，孔测定范围为5~600 000nm。
表2 混凝土的配合比
编号 | W/B | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 矿渣 | 硅灰 | 石 | 砂 | 总量 |
#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 结果分析与讨论
3.1 关联度分析
因为获得的数据较少且相关性并不明显，使用灰色关联度分析混凝土碳化深度与不同的孔径参数的相关性大小。以28d、63d的碳化深度为母序列，以相应的不同范围的孔径分布为子序列，由此计算出不同的孔参数与混凝土碳化深度的关联度（见表3）。
结果表明，不同孔径范围对碳化深度的影响是不同的。由关联度的大小可知，对于28d碳化深度各关联度大小顺序为：（200～500nm） （1000～2000nm）（500～1000nm）（100～200nm）（>2000nm）= 孔隙率 平均孔径（<100nm）。
对于63d碳化深度各关联度大小顺序为：（200～500nm）（100～200nm）（500～1000nm）（1000～2000nm）（>2000nm）= 孔隙率平均孔径（<100nm）。
由结果可知>2000nm和<100nm对碳化深度关联度小，可见CO2渗入时对>2000nm大孔的影响较小，主要影响100～2000nm的孔径范围<100nm的影响较小。当碳化时间延长后，100～200nm孔径范围的关联度提高，可见随着碳化时间的延长影响200nm以下的孔洞变化的作用加强。
表3 母序列和子序列表及碳化深度和孔径范围的关联度
系列 | 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 关联度 | |
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) | 平均孔径/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) | 平均孔径/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
根据关联度的大小，将28d碳化深度与孔径范围为200~500nm、500~1000nm及1000~2000nm建立GM(1, 4)灰色模型，模型如下，原始数列及均化序列见表4：
其差分模式如下，模型值及残差见表5：
表4 模型原始数据列及均值化序列
系列 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
原始数据 | 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 模型值及相对误差
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 结论
（1） 不同的孔径范围对混凝土碳化深度的影响是不同的；
（2） 对于碳化28d和63d的混凝土碳化深度，孔径范围为200~500nm的关联度最大，当碳化时间延长到63d时，100～200nm的关联度升高了，表明随着碳化时间的延长影响200nm以下的孔洞的变化加强；
（3） 在灰色关联分析的基础上建立了混凝土28d碳化深度与孔径的灰色模型GM(1,4)。
致谢
感谢广西科学研究与技术开发计划（桂攻科0799002-2）对本项目的支持。
参考文献:
[1] 万小梅，张芳如，赵铁军.混凝土的传值过程及其理论[J].煤炭工程，2001，20（2）：73-77
[2] 龙广成，谢友均，尹健，马昆林.掺矿物掺合料结构混凝土性能与其孔隙率的关系研究[J] .铁道科学与工程学报，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] 邓聚龙. 灰色控制系统 [M]. 武汉:华中工学院出版社, 1985: 348-355.
作者简介:周维，1965年生，本科，高级工程师。现工作于广西城乡规划设计院。主要研究方向为：绿色高性能混凝土、绿色建材及节能建材研发等。
