亞熱帶濕熱環境橋梁混凝土錨碇碳化細觀研究

李 越，阮 欣，張少錦

(1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092；3.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

混凝土結構作為基礎設施建設的重要部分，長期服役中也面臨環境作用導致的耐久性退化問題，其中最為常見的是碳化作用[1-3].大氣環境中的二氧化碳向混凝土內部滲透擴散并與礦物水化產物發生反應，降低混凝土內部堿性水平，導致內部鋼筋銹蝕失效、保護層開裂損傷，最終結構性能受此影響[4-5].在我國鋼筋混凝土結構設計規范中，碳化問題也是耐久性設計關注的重點，但現行規范中將一般環境劃分為干燥和干濕循環等情況的處理策略仍較為粗放[6-7].碳化過程中的混凝土內部水分物質傳輸和反應速率，受到環境溫濕度影響顯著，因此不同環境條件下結構碳化問題也存在較大差異，尤其是我國南方亞熱帶濕熱環境下服役的基礎設施結構[8].因此，能夠考慮真實服役環境的復雜影響，建立精準描述結構碳化規律的預測方法，并分析潛在病害問題的空間分布和涌現時機，對于結構服役性能的保障和提升十分關鍵.

目前，在研究層面，混凝土碳化試驗研究中已經關注到環境溫濕度影響并開展相關參數討論，但對比實際環境中日周期、年周期環境波動相比試驗參數仍過于簡單.因此，由試驗研究得到的物理化學機理開展數值模擬研究逐漸吸引了工程研究者的關注[9-10].另一方面本世紀初我國建設的大量橋梁基礎設施，在經歷十余年服役后，局部病害問題逐漸暴露.而基于試驗回歸的碳化影響參數模型在面對實際退化空間涌現問題略顯乏力，難以描述退化問題的隨機空間分布，且局部碳化開裂損傷遠早于設計預期.除了前述的環境輸入簡化，主流材料模型與實際混凝土內部顆?？臻g隨機分布也差異較大[11].近年來，在模型變異性方面，大量前沿研究工作也在陸續開展，多尺度模型[12-13]、貝葉斯更新模型[14-15]、人工神經網絡模型[16]等模型和方法也逐漸被引入混凝土碳化問題分析中.但精細化材料研究成果在應用于工程結構分析中，龐大的數據模型和計算成本激增難以避免.因此，聯結材料與結構多尺度研究并推廣于工程應用仍較為棘手，平衡分析效率和精度也是目前混凝土結構耐久性研究的共性難題.

綜合亞熱帶濕熱環境特點、碳化作用物理化學機理以及基礎設施大體積混凝土分析中多尺度計算瓶頸，本研究將架構材料碳化機理與結構局部退化之間的高效傳遞模型.模擬方法基于擴散路徑映射(Diffusion Path Dependent Mapping)方法進行改進適用于大體積混凝土結構考慮精細環境參數的時程變化，實現工程結構細觀碳化過程的精準高效仿真分析.研究依托我國東南省份某橋梁工程大體積混凝土錨碇結構開展模擬，基于氣象數據細節，對長期服役過程中的碳化深度和鋼筋銹蝕概率空間分布進行預測，且求解效率也大幅提升至工程應用可以接受的程度.最終結合具體工程養護策略，研究對工程案例防護措施的耐久性能提升影響進行評估，并為相關混凝土結構服役管養提供建議.

1 考慮環境影響的混凝土碳化細觀模型

1.1 擴散路徑映射方法

混凝土碳化模擬的策略與實際碳化反應過程是一致的，通過材料配比中礦物成分含量和可供反應消耗的水分分布計算構件內部水化產物的空間分布，再通過考慮大氣環境的二氧化碳向內傳輸過程中接觸的水化產物含量計算碳化反應影響.傳統宏觀模擬建立材料均勻化假定，考慮混凝土等效的均質材料內部水化和碳化效應，從而提供碳化作用的均值結論.細觀模擬在宏觀模擬的基礎上引入夾雜顆粒的空間隨機分布，采取更為復雜的網格劃分，賦予骨料、水泥漿體和界面層不同的單元屬性，最終得到帶有概率信息的碳化作用預測結果.混凝土碳化作用在宏觀和細觀不同尺度上的機理和模擬策略在本質上沒有區別，而細觀求解效率方面的困境在于精細化網格劃分后，大量用于描述模型幾何特征的單元重復參與水化和碳化過程的迭代求解.

機理層面，混凝土水化與碳化作用機理如式(1)和式(2)所示，水化過程中礦物成分硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸二鈣以及鐵鋁酸四鈣消耗孔隙水分形成水合硅酸鈣、凝膠以及氫氧化鈣晶體，碳化過程中大氣環境中的二氧化碳擴散溶解于孔隙溶液，水化產物與孔隙溶液中的二氧化碳發生反應，生成碳化產物碳酸鈣.其中反應原料中化學物質、水分和二氧化碳的空間濃度分布決定化學反應能否順利進行，而具體水化和碳化反應速率也受到環境因素中溫度和濕度的影響，根據Papadakis的水化動力學模型以及Henry定律中二氧化碳溶解平衡關系可以得到相關反應的消耗和產物的生成[17-18].

(1)

(2)

考慮到礦物成分、水化產物在混凝土內部不可移動，因此水化碳化過程的數值模擬主要考慮水分和二氧化碳的傳輸效應以及時變消耗關系.基于Fick擴散定律以及上述化學反應機理[12，19]，可以建立數值求解方程(3)和方程(4).

(3)

(4)

式中：H和C分別為混凝土內部含水量和二氧化碳濃度；gH，水化和gH，碳化分別為水化過程水分消耗和碳化過程水分產生的時變函數；gC，碳化則為混凝土內部碳化反應的二氧化碳消耗函數.在細觀數值模擬中，首先需要對模型單元按照骨料和水泥漿體位置進行區分，求解過程僅在水泥漿體域內進行求解.因此如圖1所示，將細觀幾何特征影響與復雜化學機理求解過程進行分離，這也是本研究中擴散路徑算法的核心邏輯.計算過程中單獨提取由于顆粒阻礙效應在水泥漿體內部形成的擴散路徑網絡，再通過純砂漿介質屬性的代理模型計算復雜環境下碳化作用過程，最終將包括水化產物和二氧化碳濃度結果沿著擴散路徑映射到細觀模型中得到場域碳化結果.

圖1 擴散路徑映射方法流程圖

1.2 細觀路徑特征提取

擴散路徑映射方法中的細觀路徑特征提取主要包含兩個部分：細觀幾何建模和擴散路徑計算.

基于Wang等[20-21]提出的隨機骨料結構(Random Aggregate Structure，RAS)框架上，細觀建模方法快速發展，不同模型的建模效率存在差異，適用的分析場景也存在不同.針對精細化骨料顆粒粒徑、形狀以及棱角細節的模擬場景，本研究采用多重抽樣細觀建模，其參數形式如式(5)所示[22].骨料幾何特征由粒徑D，長寬比β以及棱角細節T三個參數進行描述，各參數通過真實材料試塊切割圖像識別的方法得到概率分布函數.在考慮各粒徑顆粒不同數量的情況下，不同粒徑骨料的形狀參數概率分布也有所區分，其中小顆粒骨料更易形成針片狀細長碎石，而大顆粒骨料則容易形成卵圓形狀骨料顆粒.實際建模中將骨料建模為多邊形形狀，通過形狀縮放和軸向拉伸，達到所需的顆粒尺寸和長寬比.骨料空間分布參數由空間坐標X和主軸方位角θ進行表示，建模過程中骨料顆粒按照粒徑從大到小的順序逐個隨機投放入模型空間，判斷顆粒與模型邊界以及已投放骨料是否沖突，直至所有顆粒投放進入模型空間，最終形成所需的混凝土細觀模型[22].

SAgg={PAgg(D，β，T，X，θ)}

(5)

式中：SAgg為骨料幾何參數的集合；PAgg為單個骨料的特征參數集合包含的幾何和位置信息.

在骨料幾何特征明確后，模型內部物質最短路徑擴散的過程則通過Dijkstra算法進行求解.混凝土細觀擴散路徑是指材料水泥漿體內部各節點到環境暴露表面的所需距離，受到不可滲透骨料介質空間隨機分布的影響，實際物質傳輸擴散長度要略長于各點到暴露表面的直線距離.因此，該路徑分布主要受到骨料顆粒的隨機分布影響，是與時間無關的標量.Dijkstra算法是通過不斷更新網絡中兩兩節點之間的最短距離，以得到遍歷全圖的最短路徑網絡，較為常用的變體是設置部分“源”節點來計算網絡所有其他節點到源頭的最短路徑樹，這也是本研究中采用的計算方式[23].通過網格劃分，將模型劃分為適應于描述骨料幾何棱角細節的單元尺寸，并基于節點和單元所處位置區分骨料節點、水泥漿體節點以及界面層節點；擴散路徑長度的計算更新主要基于Dijkstra最短路徑算法，基于介質內物質主要沿最短路徑向低濃度區域傳輸擴散的假定，將模型與外部環境直接接觸的暴露邊界設定為擴散起點，由表面向內遍歷所有水泥漿體節點并對擴散路徑長度進行更新，直至得到所有節點的最短路徑長度場域分布.不同的骨料幾何模型下，物質傳輸穿過水泥漿體的所需長度也存在較大差異，通過不同模型的路徑計算則可以在物理層面考慮對應混凝土結構的局部抗侵蝕能力.由于界面層區域的孔隙率差異，其局部擴散屬性容易形成物質擴散的快速通道，因此在路徑計算過程中需要對界面層局部路徑長度按照Dcm/DITZ進行修正，其中Dcm和DITZ分別為水泥漿體和界面層內的物質擴散系數.

1.3 時變碳化效應求解

代理模型的求解主要關注水泥漿體內部水化和碳化過程的物質傳輸遷移和化學反應變化，對水分和主要礦物成分、水化產物、碳化產物的空間分布進行建模，通過偏微分方程的逐時間步求解來考慮傳輸、產生和消耗.真實結構服役退化難以精準預測的關鍵在于邊界環境的時變波動，諸如晝夜溫差、潮汐干濕循環等，因此求解過程需要能夠考慮并反映出環境參數波動的影響.傳統模擬方法在面臨結構尺度分析需求，或者精細化細觀骨料描述的需要，大模型小網格帶來計算效率的急劇下降.而本方法中代理模型則可以采用能夠反映碳化深度方向影響的狹長模型，不必考慮細觀特征的影響，也能夠調大網格劃分尺寸，帶來計算成本的下降.模擬能力的提升則可以用于關注環境參數的時變波動變化，基于氣象統計數據采用3小時一步的計算步驟，能夠通過精細化的8個計算步來考慮服役過程中每一天的溫濕度波動細節.面向結構百年服役過程的代理模型通過292 000步求解，能夠精細考慮晝夜溫差、季節溫差以及濕度變化的復雜影響.

隨著長期服役過程中碳化作用的影響加深，大體積混凝土結構表面和內部的堿性環境被逐漸削弱，進而造成鋼筋表面中性化脫鈍銹蝕，其對應的關鍵指標是氫氧化鈣濃度的下降.因此，對代理模型各時間步中氫氧化鈣濃度隨深度變化進行統計，并將結果按照對應的擴散路徑長度映射到混凝土細觀路徑網絡中，則可以得到混凝土內部關鍵物質的細觀濃度分布.其中，由于骨料顆粒隨機分布和棱角細節影響，同樣服役條件下碳化作用的影響范圍也存在較大差異，結合具體工程需求則可以得到結構耐久性退化整體水平和隨機特性.

2 大體積混凝土構件碳化作用分析

2.1 大體積錨碇工程背景概述

本文選取了廣州地區某大跨徑斜拉橋錨碇結構開展碳化作用分析，錨碇結構平面尺寸73 m×73 m，地面以上部分高度47 m，地下埋置深度36 m以上，整體布置如圖2所示.

圖2 錨碇結構側視圖與正視圖

錨碇結構包含錨固系統和混凝土錨體兩部分，其中錨固系統包括核心區域拉桿、連接器、預應力鋼束和管道、預應力錨具以及錨頭防護等組件；而錨體結構則包括錨塊、散索鞍支墩及底板、前錨室、后澆段.錨體結構地上部分在長期服役過程中暴露于橋址大氣環境，在混凝土澆筑施工完成后，大氣二氧化碳侵入造成表面碳化作用影響.考慮到錨碇結構表面積大，碳化作用病害的空間分布隨機性強，造成病害問題較為隱蔽且爆發時機難以預測，因此有必要針對錨碇結構各關鍵局部開展相關碳化作用模擬和服役性能分析.

橋址地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫22 ℃，夏季最熱月份為七月份，平均28.5 ℃，日最高氣溫≥35 ℃的天數為10 d，極端最高氣溫38.7 ℃；冬季1月份最冷，平均氣溫13.6 ℃，極端最低氣溫在0 ℃.多年平均降雨量1 694～1 726 mm，最大降雨量2 517 mm；最少降雨量1 243 mm.雨日在150 d以上，日降雨量≥80 mm的天數為3 d.暴雨較集中的月份為5～9月份.連續降雨天數為20 d，一般出現在6～7月份.基于橋址周邊氣象站實測數據，可以得到環境溫度和濕度時變結果如圖3所示，數據頻率為3小時1次，溫度數據精度0.1 ℃，濕度數據精度1%.從圖中數據可以看出橋址亞熱帶濕熱環境的特點顯著，環境溫度季節溫差明顯，夏季溫度主要波動于25～35 ℃，冬季溫度波動于5～25 ℃溫差波動更為顯著，季節之間過渡過程中短周期的升溫和降溫劇烈波動也較為顯著且復雜；環境濕度則一直保持相對較高的水平，全年大部分時間濕度維持于60%以上，冬夏季節濕度較高且穩定，而在春秋季節中溫度劇烈變化過程也常伴隨著濕度的短期下降，最低濕度約為35%.由此可見亞熱帶地區氣候條件特殊，對于混凝土碳化作用等耐久性溫度發展的影響較為復雜，有必要采用合適的模擬分析方法，用以預測環境波動下結構服役退化過程規律.

圖3 橋址位置環境溫濕度數據

2.2 亞熱帶濕熱環境錨碇碳化作用模擬

基于前述擴散路徑映射方法求解策略，針對錨碇結構開展關鍵截面細觀建模與碳化作用代理模型求解.選擇錨碇表面與角隅區域共計6處關鍵局部，分別建立平均寬度600 mm、深度200 mm的混凝土細觀模型，如圖4左側所示.針對錨碇結構混凝土材料配合比設計，考慮到骨料含量46.9%，模擬骨料級配為經典Fuller級配中1.0～25.0 mm粒徑范圍，骨料具體形狀建模方面采用多邊形碎石骨料模型，單個局部細觀模型中投放骨料5 000顆左右.為了能夠較為精準地描述各粒徑尺寸下骨料顆粒形狀與棱角細節，擴散路徑計算精度達到0.1 mm，網格單元數量達到107量級.針對結構細觀模型的深度，代理模型建模尺寸為20.0 mm×200.0 mm，模型單元的化學屬性設置為考慮界面層效應的水泥漿體材料.考慮到結構服役的亞熱帶濕熱氣候的復雜影響，本研究代理模型求解中采用3 h的標準計算步時長，環境邊界的溫度、濕度和大氣二氧化碳濃度也采用氣象站實測數據進行輸入.通過細觀路徑計算考慮骨料顆粒對于迂曲擴散路徑的影響，由于材料內部非均勻性與時間無關所以擴散路徑僅需單次求解，而真實服役的碳化過程則通過代理模型的傳統偏微分方程進行求解.代理模型尺寸20.0mm×200.0mm，網格尺寸5.0mm，得益于小模型和大網格，對百年服役按照3小時一步進行求解分析，292 000步驟，計算耗時約15分鐘，對氫氧化鈣的時變濃度-深度數據進行存儲，數據體積100KB以內，可見該方法在求解效率和存儲空間方面優勢顯著.代理模型求解結果如圖4右側所示.選取氫氧化鈣濃度作為材料局部堿性的判斷依據，其中較淺的黃色區域為碳化作用影響范圍，而較深的藍色區域為未受碳化影響的區域范圍.隨著結構百年服役過程中碳化作用在水泥漿體中逐步侵入，碳化早期侵入速率較快，深度達到20 mm左右，服役百年后水泥漿體內碳化深度約為60 mm.

圖4 錨碇結構關鍵截面建模與代理模型求解

將長期服役下水泥漿體內部碳化作用模擬結果，映射于錨碇截面關鍵局部細觀擴散路徑網絡，可以得到不同位置、角隅區域的碳化作用分布情況，如圖5所示.模擬結果表明錨碇結構長期服役過程中，環境二氧化碳侵入與材料內部水化產物發生化學反應，造成由暴露表面向內的堿性下降.碳化作用影響范圍隨服役時間增長而不斷擴大，在服役百年后錨碇結構一般區域平均碳化深度達到50 mm左右，而在角隅區域由于兩段暴露邊界的向內傳輸共同作用，碳化深度略有增大，總體差異并不顯著.但基于本方法中細觀擴散路徑場的計算，骨料顆粒隨機分布對于碳化作用空間分布的復雜影響也得到充分考慮，不同骨料顆粒粒徑、形狀、棱角分布對碳化作用的擴散影響形成阻礙，這也是結構與純水泥漿體代理模型差異的關鍵所在.綜上，基于擴散路徑映射方法，能夠得到錨碇結構在亞熱帶濕熱環境服役的碳化作用細觀尺度分布，也可以為后續保護層厚度下鋼筋局部銹蝕概率以及結構耐久性能演化分析提供量化依據.

圖5 錨碇結構長期服役碳化作用映射結果

為了對比分析亞熱帶濕熱環境對于結構碳化的具體影響，以及材料精細化模擬的差異，研究針對錨碇截面關鍵局部開展簡化模擬分析，材料屬性采用均質化混凝土物理化學屬性，環境邊界溫濕度按照實測數據年平均數值進行取值，其中溫度19.89 ℃濕度81.80%，得到對應的局部碳化模擬結果如圖6所示.對比結果表明，采用均質化材料模型中碳化作用從暴露表面均勻向內侵入，各局部位置碳化深度一致與細觀模擬結果差異顯著；采用年平均溫濕度環境條件輸入后，碳化作用在高溫干濕交替影響下的加速侵入難以考慮，整體碳化深度略小于復雜環境工況.從右側模擬結果局部對比可以發現，考慮材料和環境復雜影響下的截面碳化分布復雜，更加接近真實混凝土碳化作用情況，采取擴散路徑映射方法在碳化模擬效果方面優勢顯著.

圖6 亞熱帶濕熱環境碳化作用細觀模擬與簡化模擬結果差異

圖7 考慮亞熱帶濕熱氣候影響與簡化氣候環境的錨碇碳化深度對比

圖8 橋梁錨碇結構涂層防護過程(攝于2020年10月)

2.3 考慮濕熱環境影響的碳化深度對比

基于圖6中錨碇結構在亞熱帶濕熱環境下碳化作用隨服役時間變化規律，為比較分析精細化氣候環境模擬對于結構碳化的具體影響，因此，本研究將背景工程服役碳化過程與忽略氣候特征的簡化模型進行對比.對比研究中針對百年服役采用的292 000計算步驟(8步/d×365 d/a×100 a服役)中每步溫濕度更新輸入，簡化模型中采用年平均溫度和年平均濕度進行輸入，而模型其余方面設定均與前述模型保持一致，求解得到對應碳化作用影響.對平均碳化深度、95%分位深度以及深度標準差進行統計分析如表1所示，結果表明考慮濕熱環境影響下的錨碇結構碳化深度的平均值、極值以及變異性均略高于簡化模型計算結果，偏差水平約為3.7%左右.通過量化統計結果可以發現，采用考慮日周期、年周期的環境時變輸入能夠較好地反映結構真實退化過程，而采用簡化模擬的環境年平均水平輸入策略則會忽視溫差和濕度波動對于碳化作用的加速和減緩效果，最終結果中對于碳化深度的預測結果略低也會導致低估碳化對結構性能影響的風險，因此有必要在結構碳化仿真分析中考慮具體服役環境氣候和時變特征.

表1 考慮亞熱帶氣候影響與簡化環境輸入的碳化深度差異

3 大體積混凝土構件碳化防護效能分析

3.1 考慮涂層防護的錨碇碳化模擬

得益于擴散路徑映射方法在復雜服役環境方面的模擬精度，在大體積錨碇結構關鍵局部碳化作用模擬的基礎上，可以針對耐久性能防護措施效果開展精細化研究分析.考慮到錨碇結構耐久性能保障和提升的主要策略是通過防護涂層、添加劑等形式封閉阻斷環境物質侵入和改良材料自身抗滲透能力，其中涂層防護方法成熟高效，且在長期服役管養維護方面相對便捷經濟.混凝土結構涂層防護是通過隔絕混凝土暴露表面的環境物質侵入實現耐久性能提升，考慮到橋梁建成開通于2008年12月，距今服役已有14 a，因此本研究也考慮了無防護碳化、建成10 a后防護和建成后立即防護三種工況進行對比，也能夠為類似工程的新建橋梁防護方案制定和在役橋梁耐久性能提升提供支撐.

不同防護方案下錨碇結構長期服役碳化作用如圖9所示，模擬結果表明考慮涂層防護后錨碇結構百年服役碳化作用影響深度大幅減少，碳化深度縮短一半以上.

對比無防護方案下碳化深度50 mm以上，服役10 a后采取涂層防護的方案，盡管在服役早期10 a內碳化深度達到22 mm左右，但得益于涂層隔絕二氧化碳輸入，后續服役的90 a內碳化深度僅僅向內侵入2 mm，可以結構服役早期的耐久性能防護措施能夠及時杜絕繼續退化問題.而對比服役后立即采用涂層隔絕的防護方案效果，后者防護效果更為顯著，新建結構早期快速退化過程被及時避免，結構百年服役內總體碳化深度不足20 mm.結合本方法細觀模擬結果，骨料顆粒隨機分布影響也十分顯著，臨近結構表面的大顆粒骨料對于碳化過程的阻礙效應顯著，大顆粒骨料和狹窄間隙下方能夠看到碳化影響區域的缺口；而大顆粒缺失小顆粒聚集的局部，水分和環境物質的傳輸擴散通道暢通，該局部碳化影響的范圍也更深，容易形成鋼筋銹蝕和耐久性退化的薄弱位置.

3.2 考慮涂層防護的碳化深度分析

基于錨碇截面細觀模擬能夠獲得碳化作用影響區域的空間分布，以及隨時間變化的結構服役不同階段碳化區域發展規律，但與結構整體耐久性能演化和對應的不確定性概率仍有差距.因此可以將氫氧化鈣濃度驟降的臨界區域作為碳化鋒面位置，提取考慮細觀材料特性的碳化深度概率分布情況，并深入對比不同防護措施對于碳化深度的量化影響.因此得到具體各個防護方案下錨碇截面百年服役后碳化深度概率密度分布如圖10所示，其對應的相關統計量化指標數值如表2所示.圖中黃色分布為無防護方案，綠色分布為服役10后采取涂層防護方案，藍色分布為服役初始即采用涂層防護方案.結果表明自然服役無防護方案下碳化平均深度最深達53.43 mm，變異性更大，考慮到常規錨碇結構50 mm左右的凈保護層厚度，鋼筋表面受碳化區域達到90%左右，存在表層鋼筋大面積脫鈍銹蝕風險，有必要采取合適的耐久性能保障措施進行防護；而在服役10 a相對較短的時間內進行涂層防護，雖然錯過了早期快速碳化防護的關鍵階段，但后續阻斷環境物質侵入，碳化深度也得以控制，平均深度24.45 mm最大深度也不超過26.90 mm，在保障涂層防護完好的前提下能夠有效降低百年服役期間耐久性能退化病害風險；顯然在新建結構服役初始階段采取必要的防護措施能夠達到較好的防護效果，百年服役碳化深度極值降低至20 mm左右.

圖10 不同防護方案下錨碇碳化深度概率密度分布

從碳化深度變異性的角度，細觀方法通過考慮材料內部組分的不均勻性來反映出耐久性退化的不確定性，這也揭示出以碳化作用為代表的耐久性退化存在顯著的空間變異性，傳統數值模擬均質化假定得到的平均退化程度與實際局部極值仍存在差異，如分析結果中碳化深度平均值與5%分位數差值接近5 mm.實際退化過程不同于結構整體的均勻退化，往往會表現出早期局部退化隨機涌現和后期病害大規模爆發的情況，且退化時機早于傳統預測結果中的均值失效.由此可見，結合細觀尺度模型的擴散路徑映射方法能夠揭示大體積混凝土結構復雜服役環境下退化的空間隨機分布，也具備支撐工程耐久性能演化概率分析的潛力.

4 結論

碳化作用是大體積混凝土基礎設施在長期服役過程中最為常見的耐久性退化問題，亞熱帶濕熱環境中碳化問題更為顯著，有必要開展模擬預測和量化分析.本研究提出適用于復雜服役環境下大體積混凝土結構碳化分析的擴散路徑映射方法，研究依托我國東南沿海地區某橋梁錨碇結構開展細觀碳化分析，對長期服役過程碳化深度和鋼筋銹蝕概率特征進行預測，求解效率和精度均實現大幅提升，可以總結為以下結論：

(1)在亞熱帶濕熱環境大體積混凝土構件碳化作用模擬中，材料內部組分不均勻分布和環境溫濕度時變波動，與結構退化空間分布以及時間隨機涌現緊密關聯.通過采用基于擴散路徑映射的細觀碳化模擬方法，能夠保持100 μm網格劃分和3 h時間步的精度下，完成構件百年服役求解.其中精細化模型路徑求解可以充分考慮1～25 mm粒徑范圍內骨料級配、形狀、棱角細節對于局部碳化的復雜效應，百年服役中每天8計算步的環境邊界時變輸入也能夠較為精準反映濕熱環境下溫濕度晝夜波動、季節波動等對于碳化進程的影響；

(2)選取錨碇截面6個關鍵局部開展細觀建模，單個模型內部骨料顆粒數量約5 000顆粒，網格單元數量達到107量級；代理模型基于橋址周邊氣象站實測數據進行環境邊界建模.模擬結果表明錨碇結構百年服役中一般區域碳化深度達到50 mm左右.通過將亞熱帶濕熱環境碳化細觀模擬結果與材料環境簡化模型進行對比，模擬結果在碳化深度整體水平和變異性存在差異，精細化材料建模和環境邊界模擬十分必要；

(3)針對耐久性能防護措施效果開展精細化研究分析，模擬結果表明，服役10 a后采取涂層防護的方案，可以將無防護狀態下百年服役50 mm以上的碳化深度降低至24 mm左右，而服役后立即采用涂層隔絕的防護方案效果更為顯著，平均碳化深度18.05 mm變異性也更小.基于對比分析，對于現役時間不長的大型混凝土基礎設施采取必要的防護方案十分必要；

(4)研究通過橋梁錨碇結構案例論證了該方法在求解效率和模擬效果方面的優勢，研究結論為結構早期退化隨機涌現和后期病害整體爆發的性能突變提供量化支撐.在后續研究中，將該方法遷移至相關耐久性問題數值模擬，能夠為大型混凝土結構服役災變演化預測提供依據，也能夠為基礎設施耐久性與韌性提升提供支撐.