上海地鐵地下連續(xù)墻混凝土碳化深度預(yù)測模型

1、上海地鐵地下連續(xù)墻混凝土碳化深度預(yù)測模型 摘要:為了得到針對地下連續(xù)墻的碳化深度預(yù)測模型,對現(xiàn)場取制試件進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn).試件取自建成已10年之久的上海地鐵一號線,試驗(yàn)分別在co2為20%,30%兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行.利用matlab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到了三種地下連續(xù)墻碳化深度預(yù)測模型:隨時(shí)間以及co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的預(yù)測模型;隨混凝土抗壓強(qiáng)度變化的預(yù)測模型;考慮碳化齡期和混凝土抗壓強(qiáng)度變化的預(yù)測模型. 分析 表明,所得碳化深度預(yù)測模型有其可靠性和實(shí)用性.關(guān)鍵詞:地下連續(xù)墻;快速碳化試驗(yàn);碳化深度;混凝土抗壓強(qiáng)度隨著地下空間的開發(fā),地下連續(xù)墻得到了越來越多的 應(yīng)用 .相比地面混凝土結(jié)構(gòu),地下連

2、續(xù)墻在耐久性能上既有天然的優(yōu)勢也有顯著的缺點(diǎn).其有利因素在于:無雨水帶來的干濕變化;無人為損壞;溫差較小等.而不利因素在于地下連續(xù)墻處于水環(huán)境中,一旦裂縫延伸至鋼筋表面,將會(huì)導(dǎo)致鋼筋的快速腐蝕,當(dāng)氯離子和硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)尤其明顯;地下工程一次建設(shè)資金投入巨大,且維修或改建都比較困難,由此對耐久性提出了更高的要求;地下結(jié)構(gòu)隱蔽性強(qiáng),“小病不醫(yī)可能釀成大患”.另外,值得一提的是隨著地下軌道 交通 的 發(fā)展 和地下建筑物的大量興建,地下連續(xù)墻所處的環(huán)境日趨復(fù)雜.并且,地下建筑物尤其是地鐵的修建大多集中在氯離子、硫酸根離子含量較高的沿海一帶.這些無疑都增加了地下連續(xù)墻耐久性 研究 的必要性.

3、碳化作為主要 影響 因素一直是混凝土耐久性研究的重點(diǎn).影響混凝土碳化的因素很多,歸納起來有兩種,其一:材料的因素,如水灰比、水泥品種及用量、骨料級配、外加劑品種及摻量等;其二:外部環(huán)境如co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、相對濕度、養(yǎng)護(hù) 方法 、碳化時(shí)間、有無覆蓋層、結(jié)構(gòu)所處位置、上風(fēng)向、下風(fēng)向等1.按碳化程度,混凝土可劃分為三個(gè)區(qū),靠外部的完全碳化區(qū);內(nèi)部的未碳化區(qū);中間的碳化反應(yīng)區(qū).碳化深度通常指完全碳化區(qū)的深度,關(guān)于碳化深度 計(jì)算 ,1855年費(fèi)克提出了著名的費(fèi)克(fick)第一定律,建立了最簡單的碳化深度與碳化時(shí)間的冪函數(shù)公式2:x=at1/2 (1) 式中:x為碳化深度;a為碳化系數(shù),取決于環(huán)境中的co

4、2質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其在混凝土中的有效擴(kuò)散;t為碳化時(shí)間. 近年來,有學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算方法3進(jìn)行混凝土碳化深度的研究,大部分國內(nèi)外的學(xué)者在此公式的基礎(chǔ)上發(fā)展了更為全面的碳化深度公式,如表1所示.這些公式雖然都考慮了環(huán)境、材料兩個(gè)碳化影響因素,但都是針對地面混凝土結(jié)構(gòu)而言.地下連續(xù)墻不僅所處的環(huán)境與地面建筑物迥異,而且由于受土壓力等因素的影響,內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性必然發(fā)生變化,因而這些公式對地下連續(xù)墻并不適用.為了得到可靠的地下連續(xù)墻碳化深度公式,作者親自前往地鐵一號線上海八萬人 體育 場站取制試件.地鐵一號線已經(jīng)建成10年,現(xiàn)場取制試件有以下優(yōu)點(diǎn): (1)現(xiàn)場試件不像實(shí)驗(yàn)室自制試件那樣理想化,它柔和了諸多自

5、制試件難以模擬的因素:如現(xiàn)場施工因素、多種因素的耦合作用等. (2)因地鐵一號線已經(jīng)建成10年之久,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于穩(wěn)定.用這樣的試件對混凝土的碳化 規(guī)律 進(jìn)行研究無疑會(huì)對現(xiàn)已投入使用的地下連續(xù)墻的耐久性狀況評估有很好的指導(dǎo)作用.1 快速碳化試驗(yàn)方案和測試數(shù)據(jù)1.1 試驗(yàn)方案 通過現(xiàn)場取制試件的快速碳化試驗(yàn)探求地下連續(xù)墻混凝土碳化腐蝕的變化規(guī)律,以尋求和建立隨碳化齡期、co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及抗壓強(qiáng)度變化的碳化深度模型.試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)混凝土材料原國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,如圖1所示,采用碳化箱進(jìn)行快速碳化試驗(yàn).試件全部取自地鐵一號線上海八萬人體育場站地下連續(xù)墻,取樣深度在地下約1525m深度范圍內(nèi)

6、.其形狀呈圓柱形.長為10cm,試件直徑見表2. 試件分為2批,每批均為6個(gè).2批試件分別在co2為20%,30%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行快速碳化試驗(yàn),碳化箱內(nèi)濕度為(705)%,溫度為(205). 碳化深度由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的酒精酚酞溶液測定,為了獲取盡可能多的數(shù)據(jù)資料,開箱齡期間隔時(shí)間較短,具體如下: 第一批co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,開箱齡期分別為:5.5,11.0,22.0,28.0,33.0,44.0d(表3). 第二批co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,開箱齡期分別為:5.5,11.0,22.0,28.0,33.0,44.0d(表4).2 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 分析2.1 初步分析 見圖2圖7.圖中112為試件編號.2

7、.2 碳化深度隨碳化齡期變化的 規(guī)律 由圖2和圖5可以看出地下連續(xù)墻碳化深度遠(yuǎn)小于地面建筑物,這主要是因?yàn)樵嚰∽越ǔ梢?0年之久的地鐵車站,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常致密, 因而有較好的耐久性和抗碳化能力.雖然碳化深度較小,但碳化深度時(shí)間曲線很有規(guī)律性. 國外有關(guān) 研究 中描述混凝土碳化 發(fā)展 趨勢的公認(rèn)公式7是x=1(wt)b (1) 式中:比例常數(shù)1和指數(shù)b是與混凝土自身結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)的常數(shù);w是混凝土周圍co2的質(zhì)量分?jǐn)?shù).假設(shè)x=atb,運(yùn)用matlab8得碳化深度公式如下: co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試件:x=0.192t0.6296=0.529(0.2t)0.6296 (2) co2質(zhì)量

8、分?jǐn)?shù)為30%的試件:x=0.26t0.6795=0.5290(0.3t)0.6795 (3) 碳化深度 計(jì)算 值和實(shí)測值的比較如表5所示.可見誤差基本控制在5%之內(nèi),有其可信賴性.又因?yàn)榈谝慌嚰傠x差平方和s1=(1.82)2+(-1.14)2+(-2.19)2+(2.50)2+(-2.26)2+(5.05)2=46.27,第二批試件總離差平方和s2=(2.47)2+(-0.75)2+(-4.9)2+(-3.85)2+(-1.76)2+(6.25)2=87.66,顯然s1s2,故取x=0.192t 0.6296=0.529(0.2t)0.6296 (4) 一般地,x=0.529(wt)0.6

9、296 (5) 式中:x為碳化深度,mm;t為碳化齡期,d.2.3 碳化深度隨抗壓強(qiáng)度變化的規(guī)律 由圖4和圖7可以看出,混凝土抗壓強(qiáng)度隨碳化深度的增加而提高.碳化初期抗壓強(qiáng)度增長較快,當(dāng)碳化超過一定深度后抗壓強(qiáng)度增長緩慢.可以認(rèn)為混凝土強(qiáng)度的增量與碳化深度的一般關(guān)系為f=ex (6) 式中:f為混凝土抗壓強(qiáng)度的增量,mpa;x為碳化深度,mm. 同樣,利用matlab進(jìn)行回歸分析得到地下連續(xù)墻混凝土抗壓強(qiáng)度隨碳化深度變化的公式為f=0.4772e0.8347x (7)由式(7)可得x=1.198ln(f)-0.6849 (8)當(dāng)測定地下連續(xù)墻混凝土的抗壓強(qiáng)度后,利用式(8)便可以預(yù)測碳化深度.

10、這在co2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不易確定時(shí),顯得尤為方便和重要.2.4 碳化深度隨碳化齡期和抗壓強(qiáng)度變化的規(guī)律 由式(2)和式(6)可知,碳化深度隨齡期和抗壓強(qiáng)度變化的一般規(guī)律可以表示為x=(wt)ln(f) (9) 利用matlab進(jìn)行回歸分析得到地下連續(xù)墻碳化深度隨時(shí)間和混凝土抗壓強(qiáng)度變化的公式為x=0.2263(wt)0.4507ln(f)0.4806 (10) 式(8)和式(10)的方差分別為0.2802和0.1615.由此可以看出,同時(shí)考慮時(shí)間和抗壓強(qiáng)度變化的計(jì)算結(jié)果更加合理.3 結(jié)論和建議 (1)本文以現(xiàn)場試件快速碳化試驗(yàn)研究了地鐵環(huán)境下地下連續(xù)墻的碳化規(guī)律,用回歸的 方法 得出了碳化深度隨時(shí)間

11、變化的公式. (2)試驗(yàn)結(jié)果也揭示了混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律,并推得了碳化深度隨抗壓強(qiáng)度變化的公式,為混凝土碳化深度的預(yù)測提供了另外一種思路. (3)本文綜合考慮碳化時(shí)間和混凝土抗壓強(qiáng)度變化的混凝土碳化深度預(yù)測模型.通過方差比較,該模型精度較單因素分析的模型精度高. (4)由于在實(shí)際環(huán)境下壓應(yīng)力的存在,在試驗(yàn)中很難模擬,但這對混凝土來說是偏于安全的.應(yīng)力對混凝土碳化規(guī)律的 影響 將在下一步的試驗(yàn)中進(jìn)行探討. (5)本文結(jié)論適用于上海地鐵一號線的地下連續(xù)墻碳化深度預(yù)測,對其他軟土地區(qū)的地下連續(xù)墻碳化深度預(yù)測有一定 參考 意義.為提高本文經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍,需進(jìn)一步采集相關(guān)數(shù)據(jù),增加樣本數(shù)量后,

12、重新擬合更好的經(jīng)驗(yàn)公式.參考 文獻(xiàn) :1崔鵬飛,李興貴.混凝土碳化分析及其耐久性預(yù)測研究j.水利與建筑工程學(xué)報(bào),2003(12):49.cuipengfei,lixinggui.analysisofconcretecarbonizationandpredictionofconcretedurabilityj.journalofwaterresourcesandarchitecturalengineering,2003(12):49.2夏燕,江波.粉煤灰混凝土的耐久性及其評價(jià)j.混凝土,2000(10):45.xiayan,jiangbo.evaluationanddurabilityoffly

13、ashconcretej.conrete,2000(10):45.3liangmingte,linshiengmin.mathematicalmodelingandapplica-tionsforconcretecarbonationj.journalofmarinescienceandtechnology,2003,11(1):20.4郭院成,霍達(dá),王云昌.混凝土碳化深度模糊預(yù)測j.河南 科學(xué) ,1998(12):432.guoyuancheng,huoda,wangyunchang.fuzzypredictiveofthecarbonationdepthj.henanscience,199

14、8(12):432.5張譽(yù),蔣利學(xué).基于碳化機(jī)理的混凝土碳化深度實(shí)用數(shù)學(xué)模型j. 工業(yè) 建筑,1998,28(1):16.zhangyu,jianglixue.apracticalmathematicalmodelofconcretecarbonationdepthbasedonthemechanismj.industrybuilding,1998,28(1):16.6牛荻濤,董振平,浦聿修.預(yù)測混凝土碳化深度的隨機(jī)模型j.工業(yè)建筑,1999,29(9):41.niuditaodongzhenping,puyuxiu.randommodelofpre-dictingthecarbonatedconcretedepthj.industrialconstruction,1999,29(9):41.7金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性m.北京:科學(xué)出版社,2002.jinweiliang,zhaoyuxi.durabili