摘要:为了得到针对地下连续墙的碳化深度预测模型，对现场取制试件进行了快速碳化试验.试件取自建成已10年之久的上海地铁一号线，试验分别在CO2为20%，30%两种质量分数下进行.利用Matlab对试验数据进行回归得到了三种地下连续墙碳化深度预测模型:随时间以及CO2质量分数变化的预测模型;随混凝土抗压强度变化的预测模型;考虑碳化龄期和混凝土抗压强度变化的预测模型.分析表明，所得碳化深度预测模型有其可靠性和实用性.
关键词:地下连续墙;快速碳化试验;碳化深度;混凝土抗压强度
随着地下空间的开发，地下连续墙得到了越来越多的应用.相比地面混凝土结构，地下连续墙在耐久性能上既有天然的优势也有显著的缺点.其有利因素在于:无雨水带来的干湿变化;无人为损坏;温差较小等.而不利因素在于地下连续墙处于水环境中，一旦裂缝延伸至钢筋表面，将会导致钢筋的快速腐蚀，当氯离子和硫酸根离子质量分数较高时尤其明显;地下工程一次建设资金投入巨大，且维修或改建都比较困难，由此对耐久性提出了更高的要求;地下结构隐蔽性强，“小病不医可能酿成大患”.另外，值得一提的是随着地下轨道交通的发展和地下建筑物的大量兴建，地下连续墙所处的环境日趋复杂.并且，地下建筑物尤其是地铁的修建大多集中在氯离子、硫酸根离子含量较高的沿海一带.这些无疑都增加了地下连续墙耐久性研究的必要性.
碳化作为主要影响因素一直是混凝土耐久性研究的重点.影响混凝土碳化的因素很多，归纳起来有两种，其一:材料的因素，如水灰比、水泥品种及用量、骨料级配、外加剂品种及掺量等;其二:外部环境如CO2质量分数、相对湿度、养护方法、碳化时间、有无覆盖层、结构所处位置、上风向、下风向等[1].按碳化程度，混凝土可划分为三个区，靠外部的完全碳化区;内部的未碳化区;中间的碳化反应区.碳化深度通常指完全碳化区的深度，关于碳化深度计算，1855年费克提出了著名的费克(Fick)第一定律，建立了最简单的碳化深度与碳化时间的幂函数公式[2]:
X=at1/2 (1)
式中:X为碳化深度;a为碳化系数，取决于环境中的CO2质量分数及其在混凝土中的有效扩散;t为碳化时间.
近年来，有学者利用数值计算方法[3]进行混凝土碳化深度的研究，大部分国内外的学者在此公式的基础上发展了更为全面的碳化深度公式，如表1所示.
这些公式虽然都考虑了环境、材料两个碳化影响因素，但都是针对地面混凝土结构而言.地下连续墙不仅所处的环境与地面建筑物迥异，而且由于受土压力等因素的影响，内部结构密实性必然发生变化，因而这些公式对地下连续墙并不适用.为了得到可靠的地下连续墙碳化深度公式，作者亲自前往地铁一号线上海八万人体育场站取制试件.地铁一号线已经建成10年，现场取制试件有以下优点:
(1)现场试件不像实验室自制试件那样理想化，它柔和了诸多自制试件难以模拟的因素:如现场施工因素、多种因素的耦合作用等.
(2)因地铁一号线已经建成10年之久，混凝土内部结构已经趋于稳定.用这样的试件对混凝土的碳化规律进行研究无疑会对现已投入使用的地下连续墙的耐久性状况评估有很好的指导作用.
1 快速碳化试验方案和测试数据
1.1 试验方案
通过现场取制试件的快速碳化试验探求地下连续墙混凝土碳化腐蚀的变化规律，以寻求和建立随碳化龄期、CO2质量分数以及抗压强度变化的碳化深度模型.试验是在同济大学混凝土材料原国家重点实验室进行，如图1所示，采用碳化箱进行快速碳化试验.
试件全部取自地铁一号线上海八万人体育场站地下连续墙，取样深度在地下约15~25m深度范围内.其形状呈圆柱形.长为10cm，试件直径见表2.
试件分为2批，每批均为6个.2批试件分别在CO2为20%，30%的质量分数下进行快速碳化试验，碳化箱内湿度为(70±5)%，温度为(20±5)℃.
碳化深度由质量分数为1%的酒精酚酞溶液测定，为了获取尽可能多的数据资料，开箱龄期间隔时间较短，具体如下:
第一批CO2质量分数为20%，开箱龄期分别为:5.5，11.0，22.0，28.0，33.0，44.0d(表3).
第二批CO2质量分数为30%，开箱龄期分别为:5.5，11.0，22.0，28.0，33.0，44.0d(表4).
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2 试验数据分析
2.1 初步分析
见图2~图7.图中1~12为试件编号.
2.2 碳化深度随碳化龄期变化的规律
由图2和图5可以看出地下连续墙碳化深度远小于地面建筑物，这主要是因为试件取自建成已10年之久的地铁车站，混凝土内部结构已经非常致密， 因而有较好的耐久性和抗碳化能力.虽然碳化深度较小，但碳化深度时间曲线很有规律性.
国外有关研究中描述混凝土碳化发展趋势的公认公式[7]是
X=α1(wt)b (1)
式中:比例常数α1和指数b是与混凝土自身结构和组成有关的常数;w是混凝土周围CO2的质量分数.假设X=atb，运用Matlab[8]得碳化深度公式如下:
CO2质量分数为20%的试件:
X=0.192t0.6296=0.529(0.2t)0.6296 (2)
CO2质量分数为30%的试件:
X=0.26t0.6795=0.5290(0.3t)0.6795 (3)
碳化深度计算值和实测值的比较如表5所示.
可见误差基本控制在5%之内，有其可信赖性.又因为第一批试件总离差平方和S1=(1.82)2+(-1.14)2+(-2.19)2+(2.50)2+(-2.26)2+(5.05)2=46.27，第二批试件总离差平方和S2=(2.47)2+(-0.75)2+(-4.9)2+(-3.85)2+(-1.76)2+(6.25)2=87.66，显然S1&<S2，故取
X=0.192t 0.6296=0.529(0.2t)0.6296 (4)
一般地，
X=0.529(wt)0.6296 (5)
式中:X为碳化深度，mm;t为碳化龄期，d.
2.3 碳化深度随抗压强度变化的规律
由图4和图7可以看出，混凝土抗压强度随碳化深度的增加而提高.碳化初期抗压强度增长较快，当碳化超过一定深度后抗压强度增长缓慢.可以认为混凝土强度的增量与碳化深度的一般关系为
Δf=αeβX (6)
式中:Δf为混凝土抗压强度的增量，MPa;X为碳化深度，mm.
同样，利用Matlab进行回归分析得到地下连续墙混凝土抗压强度随碳化深度变化的公式为
Δf=0.4772e0.8347X (7)
由式(7)可得
X=1.198ln(Δf)-0.6849 (8)
当测定地下连续墙混凝土的抗压强度后，利用式(8)便可以预测碳化深度.这在CO2质量分数不易确定时，显得尤为方便和重要.
2.4 碳化深度随碳化龄期和抗压强度变化的规律
由式(2)和式(6)可知，碳化深度随龄期和抗压强度变化的一般规律可以表示为
X=α(wt)β[ln(Δf)]γ (9)
利用Matlab进行回归分析得到地下连续墙碳化深度随时间和混凝土抗压强度变化的公式为
X=0.2263(wt)0.4507[ln(Δf)]0.4806 (10)
式(8)和式(10)的方差分别为0.2802和0.1615.由此可以看出，同时考虑时间和抗压强度变化的计算结果更加合理.
3 结论和建议
(1)本文以现场试件快速碳化试验研究了地铁环境下地下连续墙的碳化规律，用回归的方法得出了碳化深度随时间变化的公式.
(2)试验结果也揭示了混凝土强度随时间的变化规律，并推得了碳化深度随抗压强度变化的公式，为混凝土碳化深度的预测提供了另外一种思路.
(3)本文综合考虑碳化时间和混凝土抗压强度变化的混凝土碳化深度预测模型.通过方差比较，该模型精度较单因素分析的模型精度高.
(4)由于在实际环境下压应力的存在，在试验中很难模拟，但这对混凝土来说是偏于安全的.应力对混凝土碳化规律的影响将在下一步的试验中进行探讨.
(5)本文结论适用于上海地铁一号线的地下连续墙碳化深度预测，对其他软土地区的地下连续墙碳化深度预测有一定参考意义.为提高本文经验公式的适用范围，需进一步采集相关数据，增加样本数量后，重新拟合更好的经验公式.
参考文献
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