混凝土化学碳化深度预测分析

于洪霞

【摘要】钢筋混凝土碳化是混凝土结构耐久性研究的重点，碳化深度的准确预测对混凝土结构的耐久性设计和寿命预测具有指导性意义。本文系统地总结了混凝土碳化的机理、碳化的影响因素以及碳化深度的预测模型，指出了现有预测模型存在的问题，并通过实例比较分析了现有模型的预测结果，提出采用建立时间序列模型的方法预测混凝土碳化深度。时间序列法将所有对混凝土碳化产生影响的因素都归结为时间因素，根据实际测得的碳化深度结果建立时间序列模型，预测未来某时刻的碳化深度。该方法以贝叶斯理论为基础，结合先验信息和样本信息建立时间序列模型，并且随着实测碳化深度样本数量的增加，可以不断对模型进行更新，使得模型更符合碳化的规律，从而预测的结果更准确。

【关键词】混凝土碳化深度时间序列预测分析

近些年来，大量混凝土结构因为材质的劣化导致失效甚至破坏坍塌的事故屡见不鲜，其原因主要是钢筋混凝土的耐久性不足。混凝土结构耐久性是指结构在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀以及其他劣化过程，而不需要花费大量资金加固处理就能保证其安全性和适用性的功能。由于钢筋混凝土组成材料自身的特点，使得处于不同环境下的钢筋混凝土

结构都面临着耐久性的问题。温变收缩、钢筋锈蚀、冻融循环、碱骨料反应以及氯盐侵蚀等因素是引发钢筋混凝土耐久性问题的重要原因。自20世纪40年代以来，由于硅酸盐水泥组成成分的变化以及混凝土技术的发展，混凝土材料可以达到更高的强度。但是强度的提高没并有使混凝土的耐久性变得更好，国内外混凝土结构的耐久性现状都不容乐观。随着我国东部地区经济的持续快速增长和西部大开发发展战略的持续进行，我国正投入大量的人力、物力和财力进行基础设施的建设，许多大规模的混凝土工程不断涌现，如何能提高混凝土结构的耐久性并准确地判断工程的寿命能否达到设计要求是当前面临的问题。目前对于混凝土耐久性的研究主要分为四个层次：环境层次、材料层次、构件层次以及结构层次。其中结构层次的研究是运用耐久性理论对混凝土结构进行耐久性设计和寿命预测。对已有的建筑结构作出科学的耐久性评定，可以发现其潜在的危险及时地采取加固措施，避免重大事故的发生，并且其研究成果可直接用于结构的设计。通过对结构耐久性的预评估，使所建混凝土结构具有足够的耐久性，从而做到防患于未然。混凝土的耐久性问题十分复杂，包括大气和近海环境的钢蚀、冻融循环、化学腐蚀、物理磨损以及各种因素的综合作用。其中，一般大气环境混凝土结构中钢下造成钢筋筋锈蚀的主要原因混凝土碳化作用。随着社会的不断发展，建筑工程质量标准的提高，混凝土的性能也不断改善。同时涌现出许多新型混凝土，如高性能混凝土、钢纤维混凝土、轻质混凝土以及自密实混凝土等。这些混凝土的性能虽然得到了改善，满足了建筑工程发展的需要，但是它们仍然普遍面临着碳化的问题。混凝土碳化是环境中的二氧化碳与水泥石中的水化产物发生化学反应，生成碳酸钙和其他固态产物的过程。碳化能够降低混凝土的碱度，导致钢筋表面钝化膜的破坏，钢筋失去了钝化膜的保护作用，更容易发生锈蚀。同时，碳化作用还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土开裂甚至结构的破坏。随着大气中二氧化碳浓度的不断增长，钢筋混凝土结构的碳化作用也日趋加剧。因此，碳化仍然作为一个不可忽视的问题，受到研究学者的广泛關注。碳化过程既可以单独发生，也可以伴随其他过程发生。在一般大气环境中，引起混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因是碳化作用。然而在其他环境中，许多引起混凝土退化的过程是同时作用的，如除冰盐环境和海洋大气环境。处于这两种环境下的混凝土受到碳化作用和氯离子侵蚀的共同影响，虽然氯离子侵蚀是导致混凝土中钢筋锈蚀的主要原因，可是碳化作用能使混凝土的微观结构发生改变，影响氯离子在混凝土中的扩散进程，并且碳化作用能够使混凝土中对钢筋锈蚀无影响的氯化物分解，生成对钢筋有害的自由氯离子，提高了混凝土中氯离子的含量，加速了对钢筋的锈蚀。除此之外，处于其他环境中的混凝土结构退化发生时也都伴随着碳化过程，而且多种退化过程同时作用加速了混凝土结构的退化。因此，碳化在混凝土结构耐久性研究的过程中具有重要的意义。20世纪60年代，部分发达国家开始对混凝土碳化进行试验研究和理论分析，

国内关于混凝土碳化研究的工作起步较晚，从20世纪80年代才开始研究碳化与钢筋锈蚀的问题。目前对于混凝土碳化的研究主要集中在三个方面：混凝土碳化的机理、影响混凝土碳化的因素以及混凝土碳化深度预测模型。混凝土碳化的机理并不复杂，但碳化过程的影响因素众多，如温度、湿度、水灰比、掺合料、混凝土质量等。由于实际混凝土结构所处环境的多样性和复杂性，对于任何混凝土结构而言，其碳化过程及速度都有较大差别。预测在人们生产生活中具有重要作用，科学准确地预测愈发受到人们的重视。目前，预测技术广泛地应用在一些经济规划部门、科研单位以及工业部门，而且取得了比较显著的效果。随着国民经济的不断发展，各种预测技术将会得到更加广泛的应用，尤其是基于数据分析的预测，在当今大数据时代，将发挥更重要的作用。预测是根据目前掌握的客观事物的发展规律，估计和推测事物未来的发展变化，确定事物未来的发展态势。随着时间序列分析方法研究的日趋成熟，其应用领域也越来越广泛，在气象预报、市场预测、地震预报、人口预测、汛情预报、产量预测等领域都有广泛的应用。本文考虑采用建立时间序列模型的方法对混凝土碳化深度进行预测分析。时间序列的最大优点是通过大量的回归分析，可以找到因变量随时间变化的规律。

这个规律可以把无法搞清楚的问题屏蔽掉，不考虑具体参变的变化及其影响。由于混凝土碳化的影响因素众多，而且各因素之间相互作用，在建立混凝土碳化深度预测模型时，无法确定各个因素的影响程度，因此碳化过程十分复杂。现有的大部分碳化深度预测模型是在试验条件下研究单因素影响得到的，虽然也有模型是考虑多因素共同作用并结合实际工程数据得到的，但是由于建筑物所处的环境千变万化，现有的模型并不能对某一具体工程的碳化深度进行准确的预测，所以不便于工程实用。而采用以贝叶斯理论为基础的时间序列法可以将所有影响因素归结到时间这一因素上，合理的利用先验信息，预测混凝土碳化深度。而且在预测的过程中，可以结合实测信息不断的对预测模型进行更新，使得所建模型更符合碳化规律，预测结果更加精确，为受碳化影响的混凝土结构的寿命预测提供有力工具。概括来说，采用贝叶斯方法建立时间序列模型预测混凝土碳化深度的价值主要体现在两个方面：一是理论上找到一个通过实测数据建立预测模型的方法；与其它模型相比，时间序列模型是根据实测碳化深度值建立的碳化深度预测模型，该模型并不是一成不变的，它结合实测的数据对未来预测的结果不断更新，使得预测结果更加准确。二是找到的模型可以对混凝土结构的寿命进行预测，建立全寿命的设计理论。考虑碳化作用的混凝土结构耐久性设计和寿命预测，通常把碳化深度到达钢筋表面的时间作为混凝土结构的使用寿命。此，可采用模型预估碳化深度达到钢筋表面的时间来预测钢筋混凝土结构的使用寿命。