二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法及应用 技术领域 本发明涉及一种二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法及应用， 尤其涉 及一种二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法及应用。
背景技术 随着钢管混凝土的广泛应用， 在原有钢管混凝土技术基础之上发展了利用二氧化 碳改善钢管混凝土性能的技术。二氧化碳对混凝土的作用主要是碳化能提高混凝土的强 度。由于目前二氧化碳应用于钢管混凝土的情况还不多， 对于二氧化碳改造的混凝土构件 强度承载力确定方法还没有， 这大大影响了二氧化碳改造的混凝土构件的推广和应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是 ： 提供一种二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定 方法， 克服现有技术中缺乏二氧化碳改造混凝土构件强度承载力的确定方法的技术问题。
本发明的技术方案是 ： 一种二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法， 所 述混凝土构件为钢管混凝土构件， 所述钢管混凝土构件制作过程中通入二氧化碳对混凝土 进行改造， 二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法包括如下步骤 ：
采集相关参数 ： 采集空心钢管混凝土构件的钢材强度标准值和混凝土轴压强度标 准值， 采集钢管混凝土中钢管的截面积、 混凝土的截面积， 采用钢管混凝土构件的碳化深度 和碳化时间， 采集空心钢管混凝土构件环境的温度及相对湿度， 采集空心钢管混凝土构件 的内部压力 ；
确定强度承载力 ： 根据得到钢管混凝土构件的强度承载力， 其中， L 表示碳化深度， t 表示碳化时间， 表示钢管混凝土构件的强度承载 力， fck ＝ 0.88×αc1×αc2×fcuk，
fcuk 表示混凝土立方体抗压强度标准值。本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括确定钢管混凝土 压力与碳化的关系。 本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括根据钢管混凝土 碳化深度与强度的关系， 对钢管混凝土碳化深度与压力进行拟合。
本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括对钢管混凝土碳 化深度与温度进行拟合。
本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括对钢管混凝土碳 化深度与相对湿度进行拟合。
本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括对钢管混凝土碳 化深度与混凝土强度进行拟合。
本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括对钢管混凝土碳化深度与混凝土强度增长关系曲线进行拟合。
本发明的进一步技术方案是 ： 在确定强度承载力步骤中， 还包括对空心钢管混凝 土强度增长关系进行拟合。
本发明的技术方案是 ： 将二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法应用于 钢管混凝土。
本发明的技术效果是 ： 通过确定钢管混凝土压力与碳化的关系， 将钢管混凝土碳 化深度分别与压力、 温度、 相对湿度、 混凝土强度、 混凝土强度增长关系曲线进行拟合， 然后 钢管混凝土构件强度承载力确定方法。 本发明计算精确， 简单易行， 大大方便了在钢管混凝 土中的应用。 附图说明
图 1 为本发明流程图。 图 2 为本发明不同压力下碳化深度与碳化时间关系图。 图 3 为本发明温度影响系数拟合图。 图 4 为本发明相对湿度影响系数拟合图。具体实施方式 下面结合具体实施例， 对本发明技术方案进一步说明。
如图 1 所示， 本发明的具体实施方式是 ： 提供一种二氧化碳改造的混凝土构件强 度承载力确定方法， 所述混凝土构件为钢管混凝土构件， 所述钢管混凝土构件制作过程中 通入二氧化碳对混凝土进行改造， 二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法包括如 下步骤 ：
步骤 100 ： 采集相关参数 ： 采集空心钢管混凝土构件的钢材强度标准值和混凝土 轴压强度标准值， 采集钢管混凝土中钢管的截面积、 混凝土的截面积， 采用钢管混凝土构件 的碳化深度和碳化时间， 采集空心钢管混凝土构件环境的温度及相对湿度， 采集空心钢管 混凝土构件的内部压力 ；
步骤 200 ： 确定强度承载力 ： 根据得到钢管混凝土构件的强度承载力， 其中， L 表示碳化深度， t 表示碳化时间， 表示钢管混凝土构件的强 度承载力， fck ＝ 0.88×αc1×αc2×fcuk，
fcuk 表示混凝土立方体抗压强度标准值。具体过程如下 ：
一、 碳化耦合方程的建立。
( 一 ) 碳化过程的基本假定。
二氧化碳从外界空气进入混凝土的孔隙中， 溶解在孔隙中的水中产生碳酸， 然后 与混凝土中的碱性水化物、 硅化物、 钾化物和钙化物等发生中合反应， 形成碳酸钙。因为混 凝土中氢氧化钙的含量通常要大大多于其它物质的量， 所以我们可以简单的认为在混凝土 中主要发生的是二氧化碳与氢氧化钙的反应， 化学方程式可以写成 ：CO2+Ca(OH)2 → CaCO3+H2O
( 二 ) 碳化速率方程。
单位时间碳酸钙的生成量取决于碳化程度、 外界温度、 二氧化碳浓度和混凝土孔 隙中的相对湿度。假设碳化反应在第一时间进行， 碳化速率方程可以写成公式 (1) ：
f(h， T) ＝ f1(h)×α1×k (2) 式中 表示热力学活化能 ； α1 表示材料参数 ； f1(h) 表示把相对温度的影响引入到碳化过程中的函数。 因此， 碳化速率表达式可以写成公式 (3)
式中 gmax 表示最大二氧化碳量含量式中 cmax 表示最大碳酸钙沉淀量 ( 三 ) 不饱和混凝土中的水汽扩散与热传导方程。 混凝土中的水汽与热量的传导方程如式 (8)。式中表示水化热系数 ；α2 表示湿度与化学反应间可能存在的相关性系数 ； Pmax 表示碳酸钙的最大沉淀量 ； K 表示吸附 - 解吸等温线角系数 ； hs 表示自水化系数。 扩散系数依赖相对湿度和温度
式中 C 表示相对湿度在混凝土的扩散系数 ； C0 表示标准状态下 28 天时， 相对湿度在混凝土的扩散系数 ； 表示等效水化时间。
式中 Cq ＝ 0.1458T+870.83 表示定压比热 ； α3 表示热量流动与化学反应间可能存在的相关性系数 ； 表示多孔介质导热系数 ； bf 表示气体导热系数 ； bs 表示混凝土导热系数 ； φ 表示混凝土空隙率 ； Qh 表示热通量。 ( 四 ) 二氧化碳扩散方程 二氧化碳在混凝土孔隙中的扩散方程如公式 (14) ：
式中 α0 表示湿度扩散系数的最小值与最大值之比 ； hc 表示到相对湿度的扩散系数降低到最大值与最小值的中间值之间时的相对湿 N 表示湿度扩散系数的下降范围。度；
式中 Q 表示扩散过程的活化能 ； R 表示气体常数。( 五 ) 压力与碳化的关系。
引入压力对碳化的影响规律， 由文献， 在压力从 0.1 到 20MPa 时， 二氧化碳的溶解 性提高了 100 倍， 此关系直接影响了碳化反应的快慢。为了将压力的影响引入到常压下的 碳化控制方程中， 考虑到溶解性在控制方程中没有表达的很明显， 所以将压力与溶解性的 相关关系转化成压力与扩散系数的关系， 见公式 (18)， 从而得到在不同压力条件下的对碳 化机理的影响因素。
式中表示二氧化碳扩散系数 ；P 表示碳化压力 ； Dg 表示常压下二氧化碳扩散系数。 ( 五 ) 控制方程的建立。 由公式 (1)、 (3)、 (8)、 (14) 可得到控制方程的标准实用形式 ：式中 K11 ＝ 1
C23 ＝ b， K32 ＝ 1， K34 ＝ α4， C32 ＝ Dg， K44 ＝ 1， 其它系数缺省值为零。
( 六 ) 碳化深度与强度公式。
根据牛荻涛等人提出的考虑了环境温湿度， 二氧化碳浓度及混凝土质量的影响预 测碳化深度的随机模型， 可表达， 见式 (25) ：
式中 L 表示混凝土碳化深度 ； KT 表示环境温度影响系数， 可表示为 T1 为碳化环境温度， T0 为标准环境温度 ；
KRH 表示环境相对湿度系数， 表示为 表示二氧化碳浓度影响系数， 可表示为KC 表示混凝土质量影响系数 ；
t 表示碳化时间。
因为主要考虑的是室外实际工程， 碳化时间较长， 所以没有对热传递的影响， 此处 引入室内热传递影响系数， 更好的拟合室内试验。
二、 高压碳化深度与各影响因素的关系拟合
( 一 ) 深度与压力的拟合
应用 COMSOL( 一种多物理场耦合软件 ) 软件分别计算出在固定相对湿度和二氧化 碳浓度条件及温度条件下， 对不同压力下的碳化进行了模拟分析， 得出了不同压力下的碳 化深度关系， 压力的不同用扩散系数的不同表示， 此处只考虑压力对二氧化碳扩散系数的 影响。不同压力下碳化深度与碳化时间关系如图 2。
由牛荻涛等的 《预测混凝土碳化深度的随机模型》 一文可知， 混凝土的碳化深度与 时间的开平方成正比关系， 所以这里将每条曲线与时间的开平方进行拟合， 可以得出不同 压力条件下的不同的系数值。得到压力影响系数为公式 (26) ：
( 二 ) 碳化深度与温度的拟合
应用 COMSOL 分别计算出在固定相对湿度和二氧化碳浓度条件下， 温度梯度为 0℃， 20℃， 40℃时的碳化深度与碳化时间关系曲线。分别根据不同温度曲线加入温度影响 系数， 最后得出温度梯度影响系数为公式 (27)， 加入温度影响系数后， 将模拟得出的温度关 系曲线与拟合出的公式曲线进行对比， 如图 3， 可以看出拟合的结果比较吻合。
K3 ＝ 0.029T+1.34， 0 ≤ T ≤ 40 (27)
( 三 ) 碳化深度与相对湿度的拟合
应用 COMSOL 分别计算出在固定温度和二氧化碳浓度条件下， 相对湿度为 0.4， 0.65， 0.8 时的碳化深度与碳化时间关系曲线。 分别根据不同相对湿度得出的碳化深度与时 间关系曲线加入相对影响系数， 最后得出相对湿度影响系数如公式 (28)， 图 4 为模拟得出 的温度关系曲线与拟合出的公式曲线的对比。
( 四 ) 碳化深度与的混凝土强度拟合
依据实际工程中混凝土抗压强度与碳化深度的统计资料， 利用最小二乘法对其关 系曲线进行拟合， 所得混凝土抗压强度影响系数为公式 (29) ：
本文根据由牛荻涛等提出的碳化深度数学模型， 因为在有压力存在的条件下， 不 用考虑二氧化碳浓度， 所以去掉浓度影响系数， 而加入压力影响系数。 得到高压碳化深度关 系分式为公式 (30) ：
式中 X 表示碳化深度 ；
K1 表示压力影响系数 ；
K2 表示相对湿度影响系数 ；
K3 表示温度影响系数 ；
K4 表示强度影响系数 ；
T 表示碳化时间。
公式形式与牛荻涛等人提出的公式一致， 这里只修正了其中的一些参数。
考虑再生混凝土的再生粗骨料的吸水作用， 在强度相同时， 再生混凝土的总水灰 比与普通混凝土相比要大的多 ； 而水灰比作为影响碳化深度的一个重要因素还说， 对于再 生混凝土来说是应该考虑的， 因此， 在上式中引入水灰比影响系数 K5 ＝ 1.1， 对于再生混凝 土， 公式如 (31) 所示。
( 五 ) 空心钢管混凝土强度增长关系拟合
通过对混凝土试件快速碳化试验结果的分析， 得出碳化混凝土与未碳化混凝土没 有实质性的区别， 主要不同点为碳化混凝土峰值强度提高 60％。对于未完全碳化钢管混凝 土试件， 强度表达式如公式 (32) ：
对于空心钢管混凝土构件来说， A 为混凝土总面积， A1 为碳化混凝土面积， A2 为未 碳化混凝土面积， 假设碳化深度 X， R 为钢管内半径， r 为空心部分半径 ； 则 A ＝ π×(R2-r2)， A1 ＝ π×[(r+X)2-r2]， A2 ＝ π×[R2-(r+X)2]。并假设 fcuk′＝ 1.6×fcuk， 代入式 (34)， 得 总的抗压强度值为公式 (33) ：
( 六 ) 混凝土强度标准值公式。
按照规范 《普通混凝土力学性能试验方法标准》 GB/T50081~2002 规定， 由公式 (34) 进行换算 ：
fck ＝ 0.88×αc1×αc2×fcuk (34)
式中 fcuk 表示立方体强度 (MPa) ；
fck 表示混凝土强度标准值 (MPa) ；
αc1 表示棱柱强度与立方强度之比值， 对 C50 及以下取 αc1 ＝ 0.76， 对 C80
取 αc1 ＝ 0.82， 中间按线性规律变化 ；
αc2 表示 C40 以上混凝土考虑脆性折减系数， 对 C40 取 αc2 ＝ 1.0， 对 C80 取 αc2 ＝ 0.87， 中间按线性规律变化。
( 七 ) 改造后的空心钢管混凝土强度值
空心普通钢管混凝土的强度标准值计算公式如 (35) ：
式中 θh 表示空心构件截面的套箍系数标准值， θh ＝ α0fy/fck ； α0 表示空心构件的含钢率， α0 ＝ α/(1-φ) ； α 表示对应的实心截面的含钢率 ； φ 表示空心率， φ ＝ Ah/(Ah+Ac) ； Ac、 Ah 表示分别为管内混凝土的面积和空心部分的面积 ； k0 表示截面形状系数， 圆形和十六边形 k0 ＝ 0.6 ； 将加速碳化改造前与改造后的混凝土强度分别带入公式 (35)， 就可得出空心钢管 本试验的空混凝土的强度提高值。根据材性试验得到 fy ＝ 346.5N/mm2， 同的钢管混凝土强度值
心钢管混凝土空心率 φ ＝ 0.41， α0 ＝ 0.311， θh ＝ 4.4 ； 代入公式 (35) 得到碳化前后不 强度提高了 3.9％。 本发明的技术效果是 ： 通过确定钢管混凝土压力与碳化的关系， 将钢管混凝土碳 化深度分别与压力、 温度、 相对湿度、 混凝土强度、 混凝土强度增长关系曲线进行拟合， 然后 钢管混凝土构件强度承载力确定方法。 本发明计算精确， 简单易行， 大大方便了在钢管混凝 土中的应用。
本发明的具体实施方式是 ： 将二氧化碳改造的混凝土构件强度承载力确定方法应 用于钢管混凝土。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在 不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本发明的 保护范围。