保護(hù)劑對(duì)清水混凝土抗碳化性能的影響

魏 宇，陳 龐，張桂林，戎 賢，趙文忠

(1.河北工業(yè)大學(xué)，土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司,石家莊 050000)

0 引 言

清水混凝土是一次澆筑成型,不做任何外裝飾,直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然表面效果作為飾面的混凝土[1]。清水混凝土直接暴露于外部環(huán)境中，空氣中CO2容易滲透到混凝土內(nèi)部與堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)生成碳酸鹽和水，從而降低混凝土堿性，破壞混凝土中鋼筋表面的鈍化膜，引發(fā)鋼筋銹蝕膨脹，降低鋼筋與混凝土界面的黏結(jié)性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化，甚至引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞[2-4]。碳化對(duì)混凝土耐久性能的影響至關(guān)重要，為此諸多學(xué)者對(duì)混凝土的抗碳化性能做出了研究。Shah等[5]利用混凝土的彎曲度和水泥含量推導(dǎo)出抗碳化系數(shù)來測量混凝土抗碳化性能，為繁瑣和耗時(shí)的碳化試驗(yàn)提供了一種替代方法。Cai等[6]通過對(duì)比試驗(yàn)，找出了清水混凝土在不同配合比下抗碳化性能的差異。Lollini等[7]研究了超過12年養(yǎng)護(hù)齡期的不同黏結(jié)劑、水膠比和養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土碳化情況，研究表明黏合劑類型和水膠比對(duì)碳化深度的影響有著關(guān)鍵的作用。Huy等[8]研究了不同氣候?qū)炷量固蓟阅艿挠绊?，結(jié)果表明降雨天數(shù)相較于氣候?qū)μ蓟疃鹊挠绊懜鼮轱@著。此外，碳化會(huì)影響清水混凝土表面色差，從而影響清水混凝土的美觀。李剛等[9]采用圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差來描述碳化前后的清水混凝土表面色差情況，探究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和碳化時(shí)間對(duì)清水混凝土表面色差的影響。

提高清水混凝土的抗碳化性能并保持美觀的主要手段就是對(duì)清水混凝土表面涂刷清水混凝土保護(hù)劑[10]，因此開展清水混凝土保護(hù)劑對(duì)清水混凝土抗碳化性能影響的研究至關(guān)重要。目前市場上廣泛使用的保護(hù)劑種類有丙烯酸類和有機(jī)硅類[11]，他們?cè)谠黾忧逅炷量固蓟阅芊矫婢行Ч?，但缺乏?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化分析。

為精確確定清水混凝土保護(hù)劑對(duì)清水混凝土抗碳化性能的影響，首先，以C40混凝土作為基準(zhǔn)試件，研究了市場上兩種常見的清水混凝土保護(hù)劑的類型、保護(hù)劑厚度、碳化時(shí)間、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)清水混凝土抗碳化性能的影響。其次，提出了修正的清水混凝土碳化深度計(jì)算模型，該模型考慮了清水混凝土保護(hù)劑類型和厚度的影響，進(jìn)而能為涂抹保護(hù)劑的清水混凝土碳化深度預(yù)測提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用冀東牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用河砂，細(xì)度模量為2.6，容重為2 480 kg/m3；粗骨料選用5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；試驗(yàn)用水為天津市自來水；外加劑為聚羧酸高效減水劑。混凝土強(qiáng)度按C40配制，水灰比為0.5，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)考慮了養(yǎng)護(hù)齡期、碳化時(shí)間、保護(hù)劑類型、保護(hù)劑厚度對(duì)清水混凝土碳化深度的影響。養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)定為7 d、14 d和28 d三檔，碳化時(shí)間設(shè)定為7 d、14 d、21 d和28 d四檔，保護(hù)劑類型為成膜型保護(hù)劑、滲透型保護(hù)劑和兩種保護(hù)劑復(fù)合使用三檔，保護(hù)劑厚度為0層、1層和2層。具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示。表中編號(hào)由3部分組成：養(yǎng)護(hù)齡期-碳化時(shí)間-保護(hù)劑類型和厚度，以Ct7-Et28-Fi1為例，其含義為清水混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，碳化時(shí)間為28 d，采用成膜型保護(hù)劑，保護(hù)劑涂抹厚度為1層。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test project

續(xù)表

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm立方體，為了不影響清水混凝土表面保護(hù)劑的涂抹以及對(duì)試件抗碳化性能的影響，在澆筑時(shí)模具中不涂刷脫模劑[12]。試驗(yàn)用清水混凝土保護(hù)劑為丙烯酸類成膜型保護(hù)劑和水溶性有機(jī)硅類滲透型保護(hù)劑。

試塊拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)(溫度20 ℃、相對(duì)濕度95%)，到達(dá)相應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)將試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出，然后在60 ℃溫度下烘干48 h[13]，取出試件準(zhǔn)備涂刷清水混凝土保護(hù)劑，步驟如下：

(1)選取養(yǎng)護(hù)烘干完成的混凝土試件中相對(duì)較好的兩個(gè)對(duì)面作為碳化面，對(duì)其表面進(jìn)行打磨，避免出現(xiàn)蜂窩、孔洞和棱角等缺陷，清理干凈準(zhǔn)備下一步試驗(yàn)。

(2)留下打磨好的兩個(gè)對(duì)面，對(duì)其余4個(gè)面采用加熱石蠟密封處理，待石蠟干燥之后開始進(jìn)行清水混凝土保護(hù)劑涂刷，石蠟密封處理后的試件如圖1所示。

圖1 石蠟密封處理后的試件Fig.1 Specimens sealed with paraffin

(3)對(duì)未封蠟面涂刷清水混凝土保護(hù)劑，試驗(yàn)中保護(hù)劑的厚度不宜控制，所以用保護(hù)劑涂抹層數(shù)替代保護(hù)劑厚度以定性分析保護(hù)劑對(duì)清水混凝土碳化深度的影響，依據(jù)產(chǎn)品使用說明，單層清水混凝土保護(hù)劑涂刷300 g/m2，保證涂刷均勻且不遺漏。第二層清水混凝土保護(hù)劑涂刷時(shí)，確保第一層保護(hù)劑已經(jīng)干燥，不影響后續(xù)涂刷。復(fù)合涂刷為先涂刷滲透型保護(hù)劑，再涂刷成膜型保護(hù)劑，第二層保護(hù)劑同樣涂刷300 g/m2。涂刷保護(hù)劑之后的試件如圖2所示，左側(cè)為涂刷滲透型保護(hù)劑的試件，右側(cè)為涂刷成膜型保護(hù)劑的試件，可見滲透型保護(hù)劑可以快速滲入到試件內(nèi)部，而成膜型保護(hù)劑干燥緩慢。

圖2 涂刷保護(hù)劑的試件Fig.2 Specimens coated with protective agent

(4)清水混凝土試件表面的石蠟和清水混凝土保護(hù)劑全部涂刷完畢后，放置干燥環(huán)境中待清水混凝土保護(hù)劑和石蠟完全干燥后備用。

1.4 混凝土碳化試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[14]進(jìn)行碳化試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)每種編號(hào)準(zhǔn)備3塊混凝土試件設(shè)置為一組，在未封蠟處理的對(duì)面上用筆以10 mm為間距畫出平行線，作為預(yù)定碳化深度的測量點(diǎn)[15]。

(2)把試件放入混凝土碳化試驗(yàn)箱中，各試塊間距大于50 mm，控制混凝土碳化試驗(yàn)箱參數(shù)，CO2濃度為(20±3)%，相對(duì)濕度為(70±5)%，溫度為(20±5) ℃。

(3)到達(dá)預(yù)定碳化時(shí)間取出相應(yīng)的混凝土試塊，垂直提前畫好的平行線并在試塊中部劈開，測定其碳化深度，一個(gè)試塊只做一次檢驗(yàn)，在切開的混凝土裸露部分噴灑1%濃度的酚酞乙醇溶液，30 s后用鋼尺測量出各測量點(diǎn)的碳化深度，精確至0.5 mm，噴灑酚酞之后的試件如圖3所示。

圖3 噴灑酚酞之后的試件Fig.3 Specimens sprayed with phenolphthalein

(4)平均碳化深度按式(1)計(jì)算。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層類型對(duì)清水混凝土碳化深度的影響

清水混凝土涂層類型對(duì)清水混凝土碳化深度的影響如圖4所示，圖中試件的涂層厚度均為1層，養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d?？梢钥闯銮逅炷帘Ｗo(hù)劑可有效降低清水混凝土碳化深度，成膜型保護(hù)劑比滲透型保護(hù)劑降低碳化深度更為有效，基準(zhǔn)件與涂抹保護(hù)劑試件的碳化深度均隨著碳化時(shí)間的延長而增加。碳化時(shí)間為7 d時(shí)，涂滲透型保護(hù)劑的試件和涂成膜型保護(hù)劑的試件碳化深度分別為基準(zhǔn)件的81%和28%。碳化時(shí)間為28 d時(shí)，涂滲透型保護(hù)劑試件和涂成膜型保護(hù)劑試件碳化深度分別為基準(zhǔn)件的85%和41%。其原因是成膜型清水混凝土保護(hù)劑主要成分為丙烯酸，當(dāng)涂到試塊表面時(shí)會(huì)形成一層致密的保護(hù)膜，屬于物理防護(hù)，而滲透型清水混凝土保護(hù)劑本質(zhì)上為硅烷，滲透到混凝土內(nèi)部時(shí)與混凝土內(nèi)的水反應(yīng)從而水解為以Si—O—Si為主鏈的憎水層，屬于化學(xué)防護(hù)[16]。相較于憎水層，致密的保護(hù)膜可以更加有效地阻止空氣中CO2以及水分的進(jìn)入，從而降低CO2的碳化作用，故成膜型保護(hù)劑的抗碳化效果優(yōu)于滲透型保護(hù)劑的抗碳化效果。

圖4 涂層類型對(duì)清水混凝土碳化深度的影響Fig.4 Effect of coating type on carbonation depth of fair-faced concrete

2.2 涂層厚度對(duì)清水混凝土碳化深度的影響

圖5為清水混凝土涂層厚度對(duì)清水混凝土碳化深度的影響，圖中所有試件養(yǎng)護(hù)齡期均為28 d，碳化時(shí)間均為28 d，復(fù)合涂抹試件為先涂抹滲透型保護(hù)劑1層，再涂抹成膜型保護(hù)劑1層。如圖所示，涂抹2層清水混凝土保護(hù)劑試件碳化深度均小于1層涂抹的試件，多層涂抹滲透型保護(hù)劑對(duì)降低清水混凝土碳化深度效果更為顯著。清水混凝土復(fù)合涂抹滲透型保護(hù)劑和成膜型保護(hù)劑效果介于單獨(dú)涂抹2層滲透型保護(hù)劑和單獨(dú)涂抹2層成膜型保護(hù)劑之間，其原因?yàn)橥磕ǔ赡ば捅Ｗo(hù)劑抗碳化效果優(yōu)于滲透型保護(hù)劑，因此復(fù)合涂抹2層保護(hù)劑抗碳化效果優(yōu)于2層單刷滲透型保護(hù)劑，同理復(fù)合涂抹2層保護(hù)劑效果低于2層單刷成膜型保護(hù)劑，即復(fù)合涂抹2層保護(hù)劑的效果介于兩者中間。涂抹2層成膜型保護(hù)劑碳化深度為1層涂抹試件的85%，抹2層滲透型保護(hù)劑碳化深度為1層涂抹試件的65%。

圖5 涂層厚度對(duì)清水混凝土碳化深度的影響Fig.5 Effect of coating thickness on carbonation depth of fair-faced concrete

2.3 碳化時(shí)間對(duì)清水混凝土碳化深度的影響

碳化時(shí)間對(duì)清水混凝土碳化深度的影響如圖6所示，圖中所有試件養(yǎng)護(hù)齡期均為28 d，涂抹清水混凝土保護(hù)層厚度均為1層?？梢钥闯?，混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的增加而增加，碳化時(shí)間為28 d時(shí)，基準(zhǔn)件、涂成膜型保護(hù)劑的試件、涂滲透型保護(hù)劑的試件碳化深度分別為碳化時(shí)間為7 d時(shí)的2.38倍、3.57倍和2.52倍。隨著碳化時(shí)間的延長，更多的CO2侵入到清水混凝土材料中，進(jìn)而增加了清水混凝土碳化深度[17]。同時(shí)可以看出，隨著碳化時(shí)間的延長，滲透型清水混凝土保護(hù)劑有略微失效的趨勢，其原因?yàn)闈B透型保護(hù)劑主要成分為水溶性有機(jī)硅，其作用機(jī)理為滲透型保護(hù)劑與混凝土內(nèi)部自由水結(jié)合，生成以Si—O—Si為主鏈的憎水層，屬于化學(xué)防護(hù)，隨著時(shí)間延長，以Si—O—Si為主鏈的憎水層會(huì)少量發(fā)生分解反應(yīng)，進(jìn)而降低了滲透型保護(hù)劑的保護(hù)效果，使得涂抹滲透型保護(hù)劑28 d碳化深度與7 d碳化深度的比值較基準(zhǔn)件略大，因此清水混凝土保護(hù)劑的有效期值得進(jìn)一步研究。

圖6 碳化時(shí)間對(duì)清水混凝土碳化深度的影響Fig.6 Effect of exposure time on carbonation depth of fair-faced concrete

2.4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)清水混凝土碳化深度的影響

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)清水混凝土碳化深度的影響如圖7所示，圖中所有試件碳化時(shí)間均為28 d，涂抹清水混凝土保護(hù)層厚度均為1層?？梢钥闯?，對(duì)比基準(zhǔn)試件和涂抹清水混凝土保護(hù)劑試件，清水混凝土碳化深度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低，其原因是隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增長，混凝土中水分降低，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，導(dǎo)致空氣中CO2難以滲透到混凝土內(nèi)部與其內(nèi)部堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，進(jìn)而提高了混凝土的抗碳化性能[18]。可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，基準(zhǔn)件、涂成膜型保護(hù)劑試件、涂滲透型保護(hù)劑試件的碳化深度分別為養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)試件的87%、59%和88%，說明涂抹滲透型清水混凝土保護(hù)劑與混凝土養(yǎng)護(hù)齡期無明顯相互影響，而涂抹成膜型清水混凝土保護(hù)劑和養(yǎng)護(hù)齡期存在耦合影響，因此提高養(yǎng)護(hù)齡期并涂抹成膜型清水混凝土保護(hù)劑可進(jìn)一步降低清水混凝土碳化深度。

圖7 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)清水混凝土碳化深度的影響Fig.7 Effect of curing age on carbonation depth of fair-faced concrete

3 考慮涂層影響的清水混凝土碳化深度模型

CECS 220—2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[19]給出了普通混凝土的碳化深度隨著混凝土碳化時(shí)間發(fā)展的計(jì)算公式，見式(2)。利用式(2)得到的涂抹1層與2層清水混凝土保護(hù)劑試件碳化深度對(duì)比如圖8所示，可以看出式(2)未能準(zhǔn)確預(yù)測涂抹保護(hù)劑的清水混凝土碳化深度。以式(2)為基礎(chǔ)，引入清水混凝土保護(hù)劑影響系數(shù)，該系數(shù)考慮了保護(hù)劑的種類和層數(shù)，回歸分析得考慮涂層影響的清水混凝土碳化深度預(yù)測模型，如式(3)～(5)所示。修正的清水混凝土碳化深度計(jì)算模型與試驗(yàn)值對(duì)比如圖8所示，修正前R2分別為0.95和0.70，修正后R2均大于0.97，可以看出修正模型可準(zhǔn)確預(yù)測涂抹保護(hù)劑的清水混凝土碳化深度，可為涂抹保護(hù)劑的清水混凝土碳化深度預(yù)測提供依據(jù)。

圖8 修正公式與已有公式對(duì)比Fig.8 Comparison of modified formula with existing formula

(2)

(3)

成膜型保護(hù)劑：KM(t)=a0.21t0.39

(4)

滲透型保護(hù)劑：KM(t)=b(0.002 2t2-0.06t+1.67)

(5)

4 結(jié) 論

(1)丙烯酸類成膜型保護(hù)劑抗碳化效果優(yōu)于水溶性有機(jī)硅類滲透型保護(hù)劑。涂抹2層滲透型保護(hù)劑試件較涂1層仍可大幅度降低清水混凝土碳化深度，而涂抹2層成膜型保護(hù)劑試件較涂1層僅略微降低清水混凝土碳化深度，復(fù)合涂抹保護(hù)劑效果介于兩種保護(hù)劑單獨(dú)涂抹之間。

(2)基準(zhǔn)件和涂抹保護(hù)劑試件的碳化深度均隨碳化時(shí)間的延長而增加，滲透型保護(hù)劑隨碳化時(shí)間延長有略微失效的趨勢?；鶞?zhǔn)件和涂抹保護(hù)劑試件碳化深度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低，養(yǎng)護(hù)齡期和滲透型保護(hù)劑獨(dú)立發(fā)揮作用，而養(yǎng)護(hù)齡期和成膜型保護(hù)劑相互影響，兩者作用可進(jìn)一步降低清水混凝土碳化深度。

(3)提出了考慮清水混凝土保護(hù)劑類型和厚度影響的修正清水混凝土碳化深度計(jì)算模型，為涂抹保護(hù)劑的清水混凝土碳化深度預(yù)測提供依據(jù)。