含侵蝕性CO2地下水環(huán)境對混凝土碳化的影響

李宏強,呂 琳,徐峰光,李晨雁

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050227)

隨著我國現(xiàn)代化城市的建設(shè),以及城鄉(xiāng)一體化進程的加快,各種混凝土建設(shè)項目數(shù)量激增。隨之而來的混凝土腐蝕問題也受到更多人的關(guān)注,這與人們的生命財產(chǎn)安全聯(lián)系密切。混凝土結(jié)構(gòu)碳化是混凝土腐蝕的主要原因之一,隨著溫室效應(yīng)的加劇,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化問題愈加嚴(yán)重。由于地下水中的CO2來源于空氣和土壤,因此,過量的CO2會導(dǎo)致侵蝕性CO2的產(chǎn)生,進而對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碳化影響。目前,我國針對含侵蝕性CO2地下水環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)碳化影響的研究相對較少,且更多集中在耐久性,鋼筋腐蝕及防腐措施,混凝土碳化機理研究上。缺少地下水碳化環(huán)境對混凝土碳化具體影響的研究。而通過模擬侵蝕性CO2地下水環(huán)境,對混凝土碳化的具體影響進行研究,將有助于指導(dǎo)高性能混凝土配制和施工,提高地下水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和服役壽命。還可以其他學(xué)者的相關(guān)研究提供理論和實踐參考。

1 混凝土碳化的機理和影響因素

1.1 混凝土碳化的機理

混凝土碳化是混凝土中的堿性物質(zhì)和孔隙溶液,與進入混凝土孔隙中的CO2進行反應(yīng),從而導(dǎo)致混凝土堿性下降,化學(xué)成分發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程。其具體碳化的機理示意圖如下圖1所示。由于混凝土中的水泥水化產(chǎn)物和未水化的水泥成分的存在,使其呈現(xiàn)出強堿性。一般來說,新鮮混凝土的pH值在12～13之間。而對于混凝土中的鋼筋而言,只有當(dāng)混凝土的pH>11.5時,才能夠在鋼筋的表面形成一層完整的鈍化膜,保護鋼筋不易被銹蝕。因此,從某一種意義上來說,要想保護混凝土中的鋼筋不被銹蝕,就是要保證鋼筋周圍混凝土不被碳化。

混凝土碳化的具體過程是,混凝土中的堿性物質(zhì)和進入混凝土內(nèi)部的CO2進行碳化反應(yīng)。堿性物質(zhì)包括:硅酸三鈣(C3S),硅酸二鈣(C2S),水化硅酸鈣(3CaO·2SiO·3H2O)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)。當(dāng)混凝土中的堿性物質(zhì)和CO2進行反應(yīng)時,會生成碳酸鈣,雖然會降低混凝土的堿性,但是對于混凝土的空隙就較好的填充作用,在一定程度上阻礙了CO2的進入,減慢了混凝土碳化的過程。但是當(dāng)混凝土處于高濕度和具有侵蝕性CO2的地下水環(huán)境時,侵蝕性的CO2產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和碳酸鈣進一步的反應(yīng),生成碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2),碳酸氫鈣溶于水后,又使混凝土的空隙變大,從而導(dǎo)致碳化過程持續(xù)進行。影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,以及混凝土鋼筋的硬度和粘結(jié)性。

1.2 混凝土碳化的影響因素

混凝土結(jié)構(gòu)碳化的影響因素可以包括內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括:水灰比,水泥用量,水泥品種和礦物外摻料等。外部因素包括:CO2濃度,環(huán)境濕度、溫度,應(yīng)力條件,施工質(zhì)量,養(yǎng)護條件等。首先,從內(nèi)部影響因素進行分析。水泥中水灰比的增大將會導(dǎo)致碳化速度加快。水泥標(biāo)號越高的品種,抗碳化性能越好,按照不同類型水泥的抗碳化能力排列,硅酸鹽水泥>普通硅酸鹽水泥>粉煤灰水泥>礦粉水泥。此外,相關(guān)研究表明,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度會隨著水泥用量的增加而減小。在礦物外摻料方面,粉煤灰或礦粉摻量越大,混凝土碳化的情況越差。其次,從外部環(huán)境分析,隨著CO2濃度和相對濕度的增加,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度相應(yīng)加快。外部應(yīng)力環(huán)境影響主要表現(xiàn)為,隨著壓應(yīng)力增加,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化速度減慢,隨著拉應(yīng)力增加,碳化速度加快。溫度、施工條件和養(yǎng)護條件的影響表現(xiàn)為,隨著溫度的增加,碳化速度加快;施工質(zhì)量越好,混凝土孔隙度越小,碳化程度越低;養(yǎng)護時間越長碳化速度越小。

2 地下水環(huán)境對混凝土碳化的影響研究

由于地下水中CO2的來自空氣和土壤,因此,在相同的氣壓和溫度條件下,地下水中的CO2含量更高。而當(dāng)CO2含量超過一定限度時,就可以使地下水具有較強的侵蝕性,從而對地下水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕,使其發(fā)生碳化。超出地下水平衡狀態(tài)的CO2,稱為侵蝕性CO2。

2.1 試驗裝置的研發(fā)

2.1.1 侵蝕性CO2溶液的配制

1)配制原理

侵蝕性CO2溶液的配制,需要依據(jù)一定的配制原理。首先需要在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和溫度條件下融入足夠的CO2,而達到飽和狀態(tài)的CO2溶解度1.449 g/L。此外,依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》可知,當(dāng)CO2濃度處于30～60 mg/L時,可以對混凝土產(chǎn)生中度腐蝕,超過60 mg/L時,產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,為確?；炷撂蓟俾?需要配制濃度超過60 mg/L的CO2溶液。本實驗利用碳酸氫鈉(NaHCO3)和醋酸(CH3COOH)制備CO2,根據(jù)反應(yīng)式計算,得到碳酸氫鈉和醋酸的用量。在制取過程中,可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物用量,獲取不同濃度的侵蝕性CO2溶液。但是在配制侵蝕性CO2溶液時,要放入足夠的碳酸氫鈉,保證醋酸充分反應(yīng),避免醋酸和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),同時注意監(jiān)測溶液中CO2的濃度。

2)配制過程和CO2濃度測定

依據(jù)侵蝕性CO2溶液的配制原理,本實驗共需要配制三種濃度的侵蝕性CO2溶液。具體步驟如下:(1)準(zhǔn)備不同濃度侵蝕性CO2溶液的配料,冰醋酸和碳酸氫鈉的用量分別為:0.5 ml+2 g,1 ml+3 g,2 ml+4 g,每一種濃度下的冰醋酸和碳酸氫鈉各三份。(2)配制基礎(chǔ)反應(yīng)溶液,將上述9份冰醋酸和9份碳酸氫鈉,共18份試劑溶于500 ml蒸餾水。(3)將基礎(chǔ)反應(yīng)溶液至于冰箱,降溫到0℃～3℃。(4)取出基礎(chǔ)反應(yīng)溶液,使不同濃度下的碳酸氫鈉和醋酸進行反應(yīng),并靜置室內(nèi)。(5)分別測定第3、5、10天,不同反應(yīng)物濃度下的CO2濃度。通過實驗測定得到以下的CO2濃度測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同反應(yīng)物量產(chǎn)生CO2濃度變化情況

2.1.2 地下水環(huán)境下混凝土碳化裝置的研發(fā)

在現(xiàn)實環(huán)境中,地下水中混凝土碳化需要滿足兩個基本條件。首先需要使水中含有足夠的侵蝕性CO2,其次,需要使水體具有流動性。通過,不同濃度侵蝕性CO2溶液的配制可以滿足第一個條件,而如何使水體具有流動性,成為模擬地下水環(huán)境條件最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為了解決水體流動性的問題,設(shè)計了如下的地下水混凝土碳化裝置,如圖3所示。

圖3 模擬地下水環(huán)境的混凝土碳化反應(yīng)裝置

如圖3所示,反應(yīng)裝置主要由三個箱體和分層架組成。分別為放置在最上層的鮮液箱,放置在中間層的浸泡箱,放置在底端的廢液箱。其中,鮮液箱中加入新鮮的侵蝕性CO2溶液,并用一根帶有流量控制器的導(dǎo)水管與浸泡箱上端連接,浸泡箱中放入混凝土試塊,并使浸泡液充滿浸泡箱。在浸泡箱底端兩側(cè)分別設(shè)置兩個帶有流量控制器的導(dǎo)管,將廢水排入廢液箱。為確保浸泡箱中的混凝土不同部位均發(fā)生碳化反應(yīng),需要控制好鮮液箱進入浸泡箱和浸泡箱流入廢液箱的流速,保持浸泡箱中的流入、流出量一致,從而模擬含有侵蝕性CO2的流動性地下水環(huán)境。

2.2 含CO2地下水環(huán)境下的混凝土碳化試驗

2.2.1 混凝土試件的準(zhǔn)備

本試驗制備混凝土試件的配合比尺寸為:100×100×300 mm,每組配制三個試塊。每組配合比所需要的混凝土體積為0.009 m3。在進行混凝土試件制備時,每一組的配合比按照15 L的體積下料,提前將所需的沙曬干,確保含水量為0%。九組混凝土試件的材料用量如表1所示,混凝土的塌落度如圖4所示。

表1 九組混凝土試件的材料用量表

圖4 九組混凝土試件的塌落度

2.2.2 含CO2地下水環(huán)境下的混凝土碳化試驗

1)試驗準(zhǔn)備

依據(jù)不同反應(yīng)物量產(chǎn)生CO2濃度的變化情況,隨著反應(yīng)物量的增加,CO2濃度相應(yīng)增加,隨著溶液靜置時間延長,CO2濃度逐漸減小。在浸泡箱中的侵蝕性CO2溶液會與混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碳化反應(yīng)中降低CO2濃度,因此,在模擬含侵蝕性CO2地下水對混凝土碳化影響的試驗中,需要控制好鮮液箱侵蝕性CO2溶液流入、流出的流速,將CO2濃度維持在一個穩(wěn)定的水平。

為了加快鮮液箱碳化反應(yīng)的速率,參考先前配制侵蝕性CO2溶液的反應(yīng)物用量,將最低、中間、最高的反應(yīng)物水平設(shè)置為:2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g醋酸和碳酸氫鈉。將上述不同反應(yīng)物水平的反應(yīng)物進行充分反應(yīng),靜置一天后移入鮮液箱。根據(jù)浸泡箱中放入混凝土試件的數(shù)量和大小,選擇600×460×380 mm體積的容器。每天將50 L的侵蝕性CO2溶液放入鮮液箱,保證鮮液箱CO2溶液濃度的穩(wěn)定。將鮮液箱和浸泡箱之間導(dǎo)管的平均流速設(shè)置為34.7 ml/min,將浸泡箱底端兩側(cè)導(dǎo)管的平均流速設(shè)置為17.35 ml/min。

2)試驗步驟

模擬含侵蝕性CO2地下水環(huán)境對混凝土碳化影響的試驗,具體步驟如下。(1)對進行碳化反應(yīng)的混凝土試塊進行養(yǎng)護、烘干和密封處理,并將處理完的混凝土試塊豎立放置在三個不同侵蝕性CO2濃度水平的浸泡箱中。(2)在每一個侵蝕性CO2濃度水平的浸泡箱中共放置9個混凝土試塊,每個混凝土試塊對應(yīng)不同的配合比。(3)依據(jù)確定好的生成不同侵蝕性CO2濃度溶液的反應(yīng)物用量,配制侵蝕性CO2溶液,每天配制三種濃度水平的侵蝕性CO2溶液各50L,在室內(nèi)靜置一天后,放入對應(yīng)鮮液箱中。(4)將鮮葉香和浸泡香之間的流量控制在34.7 ml/min,將浸泡箱底端兩側(cè)流入廢液箱的導(dǎo)管流速控制在17.35 ml/min。(5)每天測定浸泡箱中侵蝕性CO2溶液的濃度,確保侵蝕性CO2濃度維持在一個穩(wěn)定水平。(6)待浸泡箱中的混凝土試塊碳化反應(yīng)達到28天后,依據(jù)混凝土碳化深度測定標(biāo)準(zhǔn),對混凝土結(jié)構(gòu)碳化的深度進行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

在侵蝕性CO2溶液和混凝土結(jié)構(gòu)進行碳化反應(yīng)28 d中,監(jiān)測不同侵蝕性CO2濃度水平下每天的CO2濃度,并計算平均值。經(jīng)過計算得到以下結(jié)果:醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)量為2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g的侵蝕性CO2溶液,28 d平均濃度分別為:C=113.66 mg/L,C=89.54 mg/L和C=85.65 mg/L。依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度的標(biāo)準(zhǔn)測定方法,對不同侵蝕性CO2濃度水平下,9塊混凝土試塊的碳化深度進行了測定,結(jié)果如表2所示。

表2 不同侵蝕性CO2濃度下混凝土碳化深度

3.2 結(jié)果分析

通過以上實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在侵蝕性CO2溶液配制的過程中,隨著醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)物用量的增加,生成的侵蝕性CO2溶液,平均濃度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。其中,當(dāng)醋酸和碳酸氫鈉的反應(yīng)物量為2 ml+4 g時,侵蝕性CO2溶液在28天的平均濃度最高,為113.66 mg/L。這說明超過一定限度后,醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)物用量的增加,會導(dǎo)致侵蝕性CO2溶液平均濃度的降低。

通過對不同侵蝕性CO2濃度下混凝土碳化深度結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)。當(dāng)混凝土的水膠比低于0.5時,在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,隨著粉煤灰摻量和礦粉摻量會的增加,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度相應(yīng)增加。當(dāng)混凝土水膠比為0.6時,在不同侵蝕性CO2濃度水平下,隨著粉煤灰和礦粉摻量的增加,混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在同一種侵蝕性CO2濃度水平下,混凝土結(jié)構(gòu)的水膠比增加,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度增加。侵蝕性CO2溶液的平均濃度越高,混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度越深。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

通過含侵蝕性CO2地下水環(huán)境對混凝土碳化的影響研究得到以下主要結(jié)論。(1)利用醋酸和碳酸氫鈉配制侵蝕性CO2溶液,醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)物用量為2 ml+4 g時,侵蝕性CO2的平均濃度最高,對混凝土結(jié)構(gòu)的碳化作用最明顯。生成的侵蝕性CO2溶液在室內(nèi)靜置,其CO2濃度會呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,其中,醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)物量為2 ml+4 g的侵蝕性CO2溶液,CO2濃度下降速率最快。(2)通過利用分層架,鮮液箱,浸泡箱,廢液箱,以及連接上述三個箱體的帶有流量控制器的導(dǎo)管,可以有效地模擬含侵蝕性CO2的連續(xù)地下水環(huán)境,環(huán)境的設(shè)置更加貼切實際。(3)在侵蝕性CO2溶液配制的過程中,當(dāng)醋酸和碳酸氫鈉反應(yīng)物用量超過2 ml+4 g時,生成的侵蝕性CO2溶液濃度會有所下降。(4)當(dāng)混凝土的水膠比為0.4和0.5時,在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,粉煤灰和礦粉摻量的增加會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度的加深。當(dāng)混凝土的水膠比為0.6時,粉煤灰和礦粉摻量的增加會使混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。(5)在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,隨著水膠比的增加,混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度增加,并且侵蝕性CO2溶液的濃度越高,碳化的深度越深。

4.2 建議

由于研究內(nèi)容有限,只研究了連續(xù)地下水碳化環(huán)境對混凝土碳化的影響,缺少針對連續(xù)高濕度地下水環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)碳化的影響研究。缺少基于以上兩個研究內(nèi)容,建立相應(yīng)的多因素模型,對不同配合比條件下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命,進行預(yù)測分析。此外由于研究時間有限,本文在探究含侵蝕性CO2地下水環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)碳化影響的過程中,為加快碳化速率,選擇了高侵蝕性的CO2溶液進行碳化反應(yīng),反應(yīng)的時間為28 d。因此,獲得的結(jié)果精度并不是很高,為獲得更加準(zhǔn)確的碳化結(jié)果,需要設(shè)置與真實地下水碳化環(huán)境相近的侵蝕性CO2溶液,并展開更長時間的碳化實驗。