黃河中下游水閘混凝土碳化深度研究

張曉英 宋力 何崗忠

摘要：為得到黃河中下游水閘混凝土碳化深度的變化規(guī)律，并揭示其對混凝土強(qiáng)度的影響，利用43座水閘現(xiàn)場安全檢測混凝土強(qiáng)度和相對應(yīng)碳化深度的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析方法研究了黃河中下游水閘不同構(gòu)件的混凝土碳化深度以及不同地區(qū)、不同設(shè)計強(qiáng)度混凝土碳化深度與強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：黃河中下游水閘碳化深度自閘底板起隨相對高程增加而變大；13～51a齡期內(nèi)，混凝土強(qiáng)度等級為C18的混凝土比C13混凝土抗碳化能力強(qiáng)；黃河中下游不同地區(qū)的水閘混凝土強(qiáng)度增加量均隨著碳化深度的增加先增大后減小。由此可見，混凝土強(qiáng)度等級越高，其抗碳化能力越強(qiáng)，且隨著混凝土碳化深度的增加，混凝土強(qiáng)度增加量先增加后減小。

關(guān)鍵詞：碳化深度；混凝土強(qiáng)度；齡期；水閘；黃河中下游

中圖分類號：TV66 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.025

混凝土碳化深度是水閘安全鑒定現(xiàn)場檢測中影響材料性能指標(biāo)的重要因素之一，黃河中下游水閘常處在有水狀態(tài)下，長期受到流水的沖刷，混凝土表面的沙子會被帶走，混凝土與外界空氣的接觸面變大，混凝土更容易被碳化，對混凝土強(qiáng)度會產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有研究成果表明，混凝土強(qiáng)度等級越高，抗碳化能力越強(qiáng)[1-4]，環(huán)境與混凝土本身品質(zhì)是混凝土碳化的主要因素；建立碳化深度與實際齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型比建立碳化深度與混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型更有意義[5]；顏承越[6]對混凝土碳化與強(qiáng)度的關(guān)系研究表明，混凝土碳化深度與抗壓強(qiáng)度之間存在良好的相關(guān)性；李夢冉等[7]對混凝土碳化深度與強(qiáng)度關(guān)系的研究表明，隨著碳化深度的增加，混凝土強(qiáng)度越來越低，這與本文對混凝土碳化深度與強(qiáng)度關(guān)系的研究結(jié)果不同。國內(nèi)外對混凝土碳化深度與強(qiáng)度關(guān)系的研究多停留在個別工程或者實驗室內(nèi)，得到混凝土碳化深度與強(qiáng)度的關(guān)系也只能代表個別工程的規(guī)律，不能應(yīng)用到其他工程上，缺乏對大量實際工程的相關(guān)研究。為研究混凝土碳化深度的變化規(guī)律以及混凝土碳化深度與強(qiáng)度的關(guān)系，本文以黃河中下游43座水閘現(xiàn)場安全檢測混凝土強(qiáng)度和相對應(yīng)碳化深度成果為依據(jù)，采用統(tǒng)計分析方法揭示黃河中下游水閘混凝土碳化深度的變化規(guī)律以及碳化深度與強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1 現(xiàn)場檢測采用方法

在黃河中下游水閘的安全鑒定中，混凝土強(qiáng)度的檢測和混凝土碳化深度的檢測同時進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度檢測采用回彈法、鉆芯法、鉆芯修正回彈法和超聲回彈綜合法，檢測的水閘主要構(gòu)件有閘墩、閘頂板、閘底板、胸墻和涵洞側(cè)墻、涵洞頂板、涵洞底板、閘門及機(jī)架橋梁、板、柱等?；炷撂蓟疃葯z測依據(jù)規(guī)范[8]要求，采用錘子和鋼釬在測區(qū)表面形成直徑約15mm的孔洞，其深度應(yīng)大于混凝土的碳化深度，孔洞中的粉末和碎屑應(yīng)除凈，并不得用水擦洗，同時采用濃度為1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞內(nèi)壁的邊緣處，當(dāng)已碳化與未碳化界線清楚時，再用深度測量工具測量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離，測量不應(yīng)少于3次，取其平均值。

2 黃河中下游水閘混凝土碳化深度的變化規(guī)律

2.1 水閘不同構(gòu)件混凝土碳化深度的變化規(guī)律

對黃河中下游43座水閘的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，水閘個別構(gòu)件的混凝土碳化深度數(shù)據(jù)較少，這里只對水閘的涵洞底板、閘底板、閘墩、涵洞側(cè)墻、閘頂板、涵洞頂板、胸墻以及機(jī)架橋混凝土碳化深度進(jìn)行了統(tǒng)計，見圖1。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，黃河中下游穿堤建筑物水閘混凝土有長期水下、水下和水上交替變化及完全水上三種使用環(huán)境，可以把水閘分成三類構(gòu)件：第一類構(gòu)件為閘底板和涵洞底板；第二類構(gòu)件為閘墩、閘頂板、涵洞側(cè)墻、胸墻和涵洞頂板；第三類構(gòu)件為機(jī)架橋。閘底板和涵洞底板處在淤泥之下，混凝土與空氣中的CO2隔離，不能發(fā)生碳化反應(yīng)，所以閘底板和涵洞底板混凝土碳化深度比較小。水閘內(nèi)的水長期處在流動狀態(tài)，水閘的閘墩、涵洞側(cè)墻和頂板混凝土長期受到流水的沖刷，構(gòu)件混凝土表面的沙子被帶走，另外季節(jié)交替變化，使混凝土表面受到凍融循環(huán)的影響變得疏松，加大空氣中的CO2進(jìn)入混凝土中尚未完全充水的毛細(xì)孔，在潮濕的環(huán)境下，有利于與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生碳化反應(yīng)，因此其混凝土碳化深度相對比較大。但不同的第二類構(gòu)件碳化深度也不同，可根據(jù)水位變化區(qū)來劃分混凝土碳化深度的變化，水位變化區(qū)以下、水位變化區(qū)、水位變化區(qū)以上的碳化深度逐漸變大。黃河中下游水閘所處的位置一般在野外，受風(fēng)吹、日曬等惡劣環(huán)境的影響，水閘的機(jī)架橋和胸墻混凝土腐蝕很快，混凝土表面的孔洞比較多，加大了與空氣中CO2的接觸面積，另外水分的蒸發(fā)使得水閘周圍空氣中的水分含量比較大，在此環(huán)境下混凝土中的Ca（OH）2將發(fā)生快速的碳化反應(yīng)，因此水閘的機(jī)架橋和胸墻混凝土碳化深度往往非常大。分析可知，黃河中下游水閘的碳化深度自閘底板起隨相對高程增加而變大。

2.2 不同強(qiáng)度等級的水閘混凝土碳化深度與齡期的關(guān)系

黃河中下游水閘混凝土強(qiáng)度等級一般為C13和C18，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，13～51a齡期內(nèi)，C13水閘混凝土碳化深度比C18水閘混凝土碳化深度大，表明C18水閘混凝土比C13混凝土抗碳化能力強(qiáng)?；炷恋目箟簭?qiáng)度是混凝土最基本的性能指標(biāo)，它與混凝土的水灰比、水泥用量等有關(guān)。水灰比基本上決定了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，水灰比越大，混凝土在硬化中失去的水分就越多，產(chǎn)生的毛細(xì)孔就越多，加大了CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度，因此水灰比越大混凝土碳化就越快。水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量，因此對混凝土碳化速度有一定影響，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積，水泥用量越大，混凝土強(qiáng)度越高，其碳化越慢，從而說明混凝土強(qiáng)度等級越高，其抗碳化能力越強(qiáng)。

3 水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度變化的關(guān)系

3.1 黃河中下游不同地區(qū)的水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度的關(guān)系

對黃河中下游河南段和山東段的水閘檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到不同地區(qū)水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度增加量關(guān)系曲線，見圖2。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，黃河中下游河南段和山東段水閘的混凝土強(qiáng)度增加量隨著碳化深度的增加先增大后減小?；炷涟l(fā)生水化反應(yīng)，內(nèi)部水分蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生毛細(xì)孔，混凝土在碳化作用下生成了碳酸物質(zhì)，填補(bǔ)了混凝土的毛細(xì)孔，當(dāng)混凝土的碳化深度比較小時（一般為1～2mm），在一定程度上增加了混凝土的強(qiáng)度，所以隨著混凝土碳化深度的增加，混凝土強(qiáng)度增加量會先增大后減小。

3.2 不同強(qiáng)度等級的水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度增加量的關(guān)系

不同強(qiáng)度等級的水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度增加量的關(guān)系見圖3?？梢?，隨著碳化深度的增加，混凝土強(qiáng)度增加量先增大后減小，C13混凝土強(qiáng)度增加量比C18混凝土強(qiáng)度增加量大。

4 結(jié)論

通過對黃河中下游水閘強(qiáng)度以及相應(yīng)碳化深度的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

（1）黃河中下游水閘混凝土碳化深度隨相對高程的增加而逐漸變大。

（2）13～51a齡期內(nèi)，C18混凝土比C13混凝土的抗碳化能力強(qiáng)，表明混凝土強(qiáng)度等級越高，其抗碳化能力越強(qiáng)。

（3）通過對不同地區(qū)、不同強(qiáng)度等級的黃河中下游水閘混凝土碳化深度與強(qiáng)度關(guān)系的分析可知，隨著碳化深度的增加，混凝土強(qiáng)度增加量先增大后減小。

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