混凝土碳化試驗(yàn)研究與控制

閆宏生

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014040)

混凝土以其性能優(yōu)越、施工方便和耐久性能好等顯著特點(diǎn)，在民用建筑、水利、交通、橋梁隧道、軍事等建設(shè)工程中得到廣泛應(yīng)用。然而在周圍環(huán)境中CO2的作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)逐步被碳化，導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部鋼筋銹蝕、保護(hù)層開(kāi)裂與脫落現(xiàn)象，使構(gòu)筑物的可靠性與安全性逐漸衰減，因此，混凝土結(jié)構(gòu)碳化現(xiàn)象的試驗(yàn)研究以及對(duì)其進(jìn)行有效控制，已成為備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者及廣大工程技術(shù)人員十分關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文通過(guò)快速碳化試驗(yàn)，并結(jié)合其他學(xué)者的研究成果，分析了混凝土的碳化作用機(jī)理與影響因素，并提出相應(yīng)控制措施，以期為其在工程中的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 混凝土碳化

混凝土的碳化現(xiàn)象是指大氣中的CO2氣體與混凝土化學(xué)成分中Ca(OH)2發(fā)生作用，生成碳酸鈣與水的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。混凝土自身內(nèi)部存在較多微小孔隙，呈多孔性組織構(gòu)造，具有一定的透氣性?？諝庵械腃O2氣體能夠通過(guò)混凝土表面滲透到內(nèi)部，與水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C－S－H等物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鹽以及其他物質(zhì)。

混凝土結(jié)構(gòu)被碳化的化學(xué)反應(yīng)方程主要有:

由此可見(jiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)被碳化的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是周圍環(huán)境中的CO2氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐步擴(kuò)散、滲透，并伴隨發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程?；炷涟l(fā)生碳化現(xiàn)象后，改變了混凝土化學(xué)組成成分和微觀組織結(jié)構(gòu)，降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿性物質(zhì)Ca(OH)2含量，引起混凝土內(nèi)部孔隙溶液中pH值減小，鈍化膜出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的防護(hù)作用喪失，鋼筋表面發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，降低鋼筋與混凝土兩者之間的黏結(jié)力以及結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性[1]。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥:蒙西牌P.Ⅰ42.5硅酸鹽水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。細(xì)骨料:普通河砂，表觀密度為2.61g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.7。粗骨料:卵石，粒徑為5mm～20mm，表觀密度為2.59g/cm3。礦物摻合料:包頭水泥廠用粉煤灰，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

2.2 混凝土配合比

混凝土配合比如表3。

表3 混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50082－2009)中快速碳化試驗(yàn)方法進(jìn)行，試塊尺寸為100mm×100mm×300mm，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)26d，然后在溫度為60℃的烘箱內(nèi)烘干48h，放入CO2濃度為(20±3)%、相對(duì)濕度為(70±5)%、溫度為(20±5)℃的碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定碳化齡期后將試塊取出并破型，隨之將酚酞酒精溶液噴灑在試塊斷面上，試塊斷面呈現(xiàn)紅紫色時(shí)，測(cè)定出試塊斷面邊部到呈現(xiàn)紅紫色位置之間的距離，即混凝土碳化深度，精確至 0.5mm[2]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水膠比(W/B)大小的影響

水膠比(W/B)大小對(duì)混凝土碳化深度的影響如表4和圖1。通過(guò)表4和圖1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以顯示出，隨著水膠比(W/B)的增大，試塊的碳化深度也在不斷加大。這是因?yàn)樗z比(W/B)的大小是影響混凝土結(jié)構(gòu)自身密實(shí)性大小的主要因素，進(jìn)而影響周圍環(huán)境中CO2氣體向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散、滲透速度。在水膠比(W/B)較小時(shí)能夠提高混凝土結(jié)構(gòu)物自身的密實(shí)性，阻礙了CO2氣體向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，減少了碳化反應(yīng)頻率，碳化深度隨之減小，混凝土的抗碳化能力得到增強(qiáng)。

表4 混凝土試塊各齡期碳化深度

圖1 水膠比(W/B)大小與混凝土碳化深度之間的關(guān)系

3.2 粉煤灰摻量的影響

粉煤灰摻量大小對(duì)混凝土碳化深度的影響如表4和圖2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，試塊的碳化深度隨著粉煤灰摻量的提高、碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%以上時(shí)，試塊的碳化深度會(huì)急劇增加。

圖2 粉煤灰摻量大小與混凝土碳化深度之間的關(guān)系

粉煤灰中含有高活性的SiO2，具有良好的微骨料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。加入混凝土中后，一方面可與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，增加了混凝土中C－SH含量，改善了混凝土微觀組織結(jié)構(gòu)，CO2氣體在混凝土內(nèi)的滲透能力降低;另一方面，二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，也使得混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)含量降低，碳化過(guò)程縮短，吸收CO2能力減弱，混凝土碳化性能下降。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時(shí)，28d的碳化深度從8.1mm增加至10.7mm，這是因?yàn)榇藭r(shí)混凝土密實(shí)度提高速度高于混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)含量減少速度，碳化深度增加18.5%，混凝土抗碳化性能下降不明顯;當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí)，試塊碳化深度從8.1mm提高至18.2mm，這是因?yàn)榇藭r(shí)后者作用占主導(dǎo)地位，混凝土密實(shí)度提高速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)含量減少速度，混凝土的抗碳化能力明顯降低，致使碳化深度增大1.25倍。

3.3 周圍環(huán)境中CO2濃度的影響

眾多學(xué)者的研究結(jié)果已表明，混凝土的碳化深度與周圍環(huán)境中CO2氣體濃度的平方根成正比。通過(guò)對(duì)混凝土碳化作用機(jī)理分析可知，周圍環(huán)境中CO2氣體濃度越高，CO2氣體向混凝土內(nèi)部的滲透速度越快，碳化反應(yīng)進(jìn)行的越徹底，混凝土試塊碳化深度也越大?？捎孟率椒从郴炷猎噳K碳化深度與CO2氣體濃度之間的關(guān)系[3]見(jiàn)式(5)。

式中 D——混凝土碳化深度;K——CO2擴(kuò)散系數(shù);C——混凝土表面CO2的濃度;t——混凝土碳化持續(xù)時(shí)間;m——單位體積混凝土所吸收CO2的體積。

3.4 周圍環(huán)境中相對(duì)濕度及溫度的影響

周圍環(huán)境中相對(duì)濕度及溫度對(duì)混凝土試塊的碳化深度也有一定程度的影響，分別如圖 3[4]和圖 4[5]。

圖3 周圍環(huán)境中相對(duì)濕度與混凝土碳化深度之間的關(guān)系

圖4 周圍環(huán)境中相對(duì)溫度與混凝土碳化深度之間的關(guān)系

已有的研究結(jié)果顯示混凝土碳化進(jìn)程只有在相對(duì)潮濕為50%～70%的環(huán)境中速度最快，并且伴隨著周圍溫度的升高，混凝土的碳化反應(yīng)速度呈現(xiàn)加速之勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)周圍環(huán)境相對(duì)濕度超過(guò)85%時(shí)，混凝土內(nèi)部的微小孔隙被冷凝水充滿，使CO2氣體在混凝土中的侵入受到阻礙，擴(kuò)散速度急劇降低，導(dǎo)致碳化反應(yīng)停止;當(dāng)周圍環(huán)境相對(duì)濕度小于20%時(shí)，雖然空氣中CO2氣體在混凝土中的擴(kuò)散與滲透速度很快，但會(huì)因混凝土孔隙中沒(méi)有充足的水分，降低了 CO2與 Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度，影響了碳化反應(yīng)的正常進(jìn)行。張海燕，李光宇等人[5]的研究結(jié)果表明在其他條件相同情況下，周圍環(huán)境的相對(duì)濕度從40%增大到80%時(shí)，混凝土的碳化深度由13.9mm減小至10.4mm，降低幅度為25.18%。

隨著周圍環(huán)境溫度的升高，可以加快CO2氣體在混凝土中的擴(kuò)散速度，增加了CO2與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)率，混凝土碳化深度提高。劉小芳[6]的研究結(jié)果顯示在其他條件相同情況下，周圍環(huán)境溫度為30℃時(shí)的碳化深度是周圍環(huán)境溫度為10℃時(shí)碳化深度的1.7倍。

3.5 水泥品種的影響

不同品種水泥水化后，其水化產(chǎn)物Ca(OH)2含量以及混凝土的滲透性也有所不同，在一定程度上影響了混凝土抗碳化能力大小。研究資料顯示對(duì)于礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥，因水泥熟料中CaO含量較低而 SiO2的含量較高，水泥水化時(shí)所生成的Ca(OH)2含量較少，降低了混凝土的抗碳化能力，碳化深度有所提高。

4 混凝土碳化控制措施

4.1 降低水膠比(W/B)

降低水膠比可以改善混凝土內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高混凝土結(jié)構(gòu)自身的密實(shí)度，增加CO2氣體向混凝土內(nèi)部滲透的阻力，降低了碳化反應(yīng)速度，提高混凝土結(jié)構(gòu)物的抗碳化能力。

4.2 摻加礦物摻合料

粉煤灰、高爐礦渣和硅灰等礦物摻合料具有良好的微骨料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，將這些礦物摻合料加入混凝土中后，既可以取代部分水泥，也可以填充于混凝土內(nèi)部微小孔隙中，細(xì)化混凝土微觀組織結(jié)構(gòu)，增大混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性，提高混凝土的抗碳化能力。但當(dāng)粉煤灰、高爐礦渣和硅灰等礦物摻合料的摻量高于30%時(shí)，因礦物摻合料的摻入而使混凝土中堿性物質(zhì)Ca(OH)2含量減少的負(fù)面作用超過(guò)其對(duì)混凝土內(nèi)部密實(shí)性的改善作用，導(dǎo)致混凝土的抗碳化性能反而會(huì)明顯下降。

4.3 合理控制骨料粒徑

適當(dāng)控制骨料粒徑，有助于減少混凝土的收縮量及表面開(kāi)裂現(xiàn)象，降低CO2氣體在混凝土內(nèi)部的滲透速度，減少CO2氣體與Ca(OH)2發(fā)生中和反應(yīng)的機(jī)率，降低混凝土試塊的碳化深度，提高混凝土抗碳化能力，避免混凝土碳化現(xiàn)象的發(fā)生。

4.4 在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂刷保護(hù)層

在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂刷樹脂等保護(hù)層，不僅可以將CO2氣體與混凝土隔離，還可以提高混凝土結(jié)構(gòu)表面的密實(shí)度，明顯降低了CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度，改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗碳化能力。

4.5 增加混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度

增加混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度，可以降低CO2氣體在混凝土中的擴(kuò)散與滲透速度，降低 CO2氣體與Ca(OH)2之間反應(yīng)速度，提高混凝土的抗碳化能力。

5 結(jié)論

(1)混凝土的碳化過(guò)程是CO2氣體向混凝土內(nèi)部逐步擴(kuò)散、滲透的過(guò)程。粉煤灰是通過(guò)調(diào)整混凝土內(nèi)部的堿度大小來(lái)影響混凝土的碳化深度;周圍環(huán)境中相對(duì)濕度、溫度及CO2濃度是通過(guò)改變碳化反應(yīng)發(fā)生條件以影響混凝土的碳化速度與碳化深度;水膠比(W/B)是通過(guò)改變混凝土的密實(shí)性影響混凝土抗碳化能力。

(2)混凝土抗碳化能力隨水膠比及周圍環(huán)境中CO2氣體濃度的增大而降低。

(3)礦物摻合料的摻入、周圍環(huán)境相對(duì)濕度及溫度的變化都可以影響到混凝土的抗碳化能力。

(4)混凝土的抗碳化能力可以通過(guò)合理控制骨料粒徑、降低水膠比(W/B)、在結(jié)構(gòu)表面涂刷保護(hù)層、適當(dāng)增加保護(hù)層厚度等技術(shù)措施得到提高。

[1]閆宏生.混凝土的碳化及其對(duì)鋼筋腐蝕的影響[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2004(18):73－75

[2]《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50082－2009)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[3]周新剛.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷防治[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999

[4]工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項(xiàng)目組.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[5]張海燕，李光宇，袁武琴.混凝土碳化試驗(yàn)研究[J].武漢:中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006(8):78－81

[6]劉小芳.混凝土碳化對(duì)混凝土耐久性能的影響[D].武漢:華中科技大學(xué)，2005