裂縫寬度對(duì)混凝土碳化的影響

雷 濤

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和服役期間會(huì)不可避免地出現(xiàn)裂縫，成為有害介質(zhì)(和水)侵入混凝土內(nèi)部的通道，加速保護(hù)層混凝土的失效進(jìn)程，進(jìn)而降低混凝土耐久性。為了保證混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各國都對(duì)混凝土裂縫寬度進(jìn)行了限制[1]。

碳化是影響混凝土耐久性的重要因素。研究表明，環(huán)境濕度對(duì)混凝土碳化速率的影響系數(shù)呈“鐘形”分布[2]，因此，對(duì)于環(huán)境濕度低(20%左右)的干旱環(huán)境，混凝土碳化進(jìn)程放緩，在該類地區(qū)開展鐵路混凝土工程建設(shè)，如果仍按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的裂縫寬度0.2 mm限值進(jìn)行驗(yàn)收，可能會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成不必要的資源浪費(fèi)。雖然對(duì)于完好混凝土碳化的研究已經(jīng)較為成熟[3]，開裂混凝土碳化方面也有少量研究[4-7]，但對(duì)于干燥環(huán)境下開裂混凝土碳化規(guī)律的研究較少。本文通過三點(diǎn)加荷誘導(dǎo)混凝土開裂，研究不同寬度裂縫混凝土試件在模擬環(huán)境下的碳化進(jìn)程，為干燥碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為金隅P.O42.5，比表面積342 m2/kg，化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料為河北遵化河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量1.9%，表觀密度2 610 kg/m3;粗骨料為天津薊縣5～10 mm，10～20 mm兩級(jí)配碎石，壓碎值5.4%，含泥量0.3%，表觀密度2 780 kg/m3，緊密空隙率40%;減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑。

表1 水泥的化學(xué)成分%

1.2 配合比

為了加速試驗(yàn)進(jìn)程，采用高水灰比混凝土，其配合比見表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1)裂縫的模擬

成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，在需預(yù)制裂縫試件內(nèi)放置2根φ8鋼筋，標(biāo)養(yǎng)28 d后，采用三點(diǎn)彎曲的方法在預(yù)制裂縫試件內(nèi)預(yù)埋鋼筋側(cè)制造裂縫，利用加力架裝置控制裂縫寬度為0.1～0.2 mm，0.2～0.3 mm，＞0.3 mm 和 ＜0.1 mm 4種，并保持裂縫的穩(wěn)定性。利用電子設(shè)備對(duì)預(yù)制裂縫試件的裂縫進(jìn)行掃描拓片，精確計(jì)算各試件裂縫的平均寬度，并對(duì)裂縫深度進(jìn)行測(cè)量。

2)碳化試驗(yàn)

將裂縫試件放入濕度為(20±3)%、二氧化碳濃度為(20±3)%、溫度為(20±2)℃的碳化箱內(nèi)，試驗(yàn)至規(guī)定齡期時(shí)取出，將試件兩端各切除100 mm，將剩下部分垂直裂縫方向劈開，使用酚酞溶液對(duì)預(yù)制裂縫試件及未損傷基準(zhǔn)試件破型斷面的碳化區(qū)域進(jìn)行顯色。

3)pH值測(cè)試

采用6 mm沖擊鉆沿裂縫深度方向每隔10 mm鉆取約2 g粉體(見圖1)，采用化學(xué)滴定法測(cè)定pH值，通過裂縫試件及未損傷基準(zhǔn)試件破型斷面不同區(qū)域pH值的變化，對(duì)混凝土裂縫區(qū)域中性化程度進(jìn)行判斷和分析。

圖1 pH滴定試驗(yàn)取樣方法

2 結(jié)果與討論

2.1 酚酞顯色和碳化深度

將28 d碳化齡期的預(yù)制裂縫試件沿垂直裂縫方向破型。利用酚酞溶液對(duì)預(yù)制裂縫試件破型斷面的碳化區(qū)域進(jìn)行顯色，對(duì)破型斷面裂縫區(qū)域的碳化情況進(jìn)行觀測(cè)。為便于直觀表達(dá)碳化區(qū)域范圍，利用Photoshop軟件對(duì)破型斷面碳化區(qū)域進(jìn)行拓片，通過計(jì)算單位長(zhǎng)度碳化區(qū)域面積，比較分析了預(yù)制裂縫試件開裂側(cè)裂縫區(qū)域距表層不同深度及開裂對(duì)側(cè)區(qū)域距表層不同深度混凝土的碳化情況。典型斷面碳化區(qū)域拓片見圖2，開裂側(cè)裂縫區(qū)域與開裂對(duì)側(cè)相應(yīng)區(qū)域平均碳化深度測(cè)量結(jié)果見表3。

圖2 不同寬度裂縫混凝土試件碳化拓片

表3 平均碳化深度測(cè)量結(jié)果 mm

從圖2可以看出，在試驗(yàn)控制裂縫寬度內(nèi)，混凝土一旦開裂就會(huì)沿著裂縫界面產(chǎn)生碳化，且碳化深度會(huì)直達(dá)裂縫前端。從表3可以看出，試驗(yàn)控制裂縫寬度范圍內(nèi)的混凝土裂縫區(qū)域、開裂面對(duì)側(cè)相應(yīng)區(qū)域以及裂縫處的平均碳化深度無明顯差異?？梢?，采用顯色及碳化深度雖直觀，但不能精確反映不同寬度裂縫混凝土的碳化規(guī)律。

2.2 pH值

對(duì)不同寬度裂縫混凝土不同深度處的pH值作圖分析，見圖3。從圖3可以看出，未開裂混凝土pH值的演變存在3個(gè)區(qū)域，即完全碳化區(qū)(深度為0～2.0 cm，pH值較低)、半碳化區(qū)(pH值線性增加段)和未碳化區(qū)(pH值高且穩(wěn)定段)，pH曲線呈近似對(duì)稱形態(tài)(以距離開裂面5 cm等位線為中軸)。當(dāng)裂縫寬度＜0.21 mm時(shí)，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處相同深度混凝土pH值呈下降趨勢(shì)，但與未開裂混凝土相同位置pH值相比下降不明顯，且整個(gè)pH值曲線仍呈對(duì)稱形態(tài)。說明在本試驗(yàn)測(cè)試條件下，當(dāng)裂縫寬度＜0.21 mm時(shí)，相同深度混凝土碳化程度隨裂縫寬度增加有變大趨勢(shì)，但變化不明顯，裂縫寬度對(duì)混凝土的碳化影響較小。當(dāng)裂縫寬度＞0.32 mm時(shí)，與未開裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值下降較明顯，尤其是當(dāng)裂縫寬度為0.45 mm時(shí)，與未開裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值急劇下降，且整個(gè)pH值曲線呈不對(duì)稱狀態(tài)，開裂側(cè)混凝土pH值明顯低于開裂對(duì)側(cè)。

圖3 不同寬度裂縫混凝土pH值隨深度的變化

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層厚度一般為35 mm。根據(jù)圖3中不同寬度裂縫混凝土裂縫深度35 mm處pH值繪制pH值與裂縫寬度的關(guān)系曲線，見圖4。從圖4可見，隨著裂縫寬度的增加，該深度處混凝土pH值呈下降趨勢(shì)。當(dāng)開裂混凝土的裂縫寬度＜0.25 mm時(shí)，pH值均＞12.0，說明裂縫對(duì)混凝土碳化影響較小;而當(dāng)裂縫寬度＞0.25 mm時(shí)，裂縫對(duì)混凝土碳化影響程度急劇增加，具有明顯的碳化趨勢(shì)。

圖4 混凝土裂縫深度35 mm處pH值隨裂縫寬度變化曲線

3 結(jié)論

1)開裂混凝土沿著裂縫界面產(chǎn)生碳化，碳化深度會(huì)直達(dá)裂縫前端，碳化深度與裂縫寬度關(guān)系不大。

2)干燥碳化環(huán)境下裂縫寬度＞0.25 mm時(shí)，保護(hù)層位置處混凝土pH值才會(huì)顯著降低，建議干燥碳化環(huán)境下混凝土裂縫寬度限值放寬至0.25 mm。

[1]屈文俊，車惠民.裂縫對(duì)混凝土橋梁耐久性影響的評(píng)估[J].鐵道學(xué)報(bào)，1997，19(4):90-97.

[2]劉志勇，孫偉.多因素作用下混凝土碳化模型及壽命預(yù)測(cè)[J].混凝土，2003(12):3-7.

[3]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[4]金祖權(quán)，侯寶榮，趙鐵軍.收縮裂縫對(duì)混凝土氯離子滲透及碳化的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(1):7-11.

[5]成立，余其俊，殷素紅，等.混凝土碳化及氯離子滲透試驗(yàn)[J].鐵道建筑，2007(6):104-106.

[6]朱元祥，候應(yīng)武，屈文俊.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫處的碳化分析[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，12(4):34-38.

[7]秦明強(qiáng)，劉松，占文，等.基于碳化環(huán)境下地鐵車站混凝土性能評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)[J].鐵道建筑，2013(2):106-108.