混凝土碳化试验研究与控制

2013-09-26闫宏生

粉煤灰综合利用 2013年6期

闫宏生

(包头铁道职业技术学院，内蒙古包头 014040)

混凝土以其性能优越、施工方便和耐久性能好等显著特点，在民用建筑、水利、交通、桥梁隧道、军事等建设工程中得到广泛应用。然而在周围环境中CO2的作用下，钢筋混凝土结构会逐步被碳化，导致出现结构物内部钢筋锈蚀、保护层开裂与脱落现象，使构筑物的可靠性与安全性逐渐衰减，因此，混凝土结构碳化现象的试验研究以及对其进行有效控制，已成为备受国内外学者及广大工程技术人员十分关注的热点问题。本文通过快速碳化试验，并结合其他学者的研究成果，分析了混凝土的碳化作用机理与影响因素，并提出相应控制措施，以期为其在工程中的推广应用提供依据。

1 混凝土碳化

混凝土的碳化现象是指大气中的CO2气体与混凝土化学成分中Ca(OH)2发生作用，生成碳酸钙与水的化学反应过程。混凝土自身内部存在较多微小孔隙，呈多孔性组织构造，具有一定的透气性。空气中的CO2气体能够通过混凝土表面渗透到内部，与水化产物Ca(OH)2和C－S－H等物质发生复杂的化学反应，生成碳酸盐以及其他物质。

混凝土结构被碳化的化学反应方程主要有:

由此可见，混凝土结构被碳化的过程，其实质是周围环境中的CO2气体由表及里向混凝土内部逐步扩散、渗透，并伴随发生复杂的化学反应过程。混凝土发生碳化现象后，改变了混凝土化学组成成分和微观组织结构，降低混凝土结构内部碱性物质Ca(OH)2含量，引起混凝土内部孔隙溶液中pH值减小，钝化膜出现破坏，导致混凝土对钢筋的防护作用丧失，钢筋表面发生锈蚀现象，降低钢筋与混凝土两者之间的黏结力以及结构的安全性、耐久性[1]。

2 试验

2.1 原材料

水泥:蒙西牌P.Ⅰ42.5硅酸盐水泥，各项技术指标详见表1。细骨料:普通河砂，表观密度为2.61g/cm3，细度模数为2.7。粗骨料:卵石，粒径为5mm～20mm，表观密度为2.59g/cm3。矿物掺合料:包头水泥厂用粉煤灰，各项技术指标详见表2。

表1 水泥各项性能指标

表2 粉煤灰各项性能指标

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 试验方法

本试验研究采用《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB50082－2009)中快速碳化试验方法进行，试块尺寸为100mm×100mm×300mm，在标准条件下养护26d，然后在温度为60℃的烘箱内烘干48h，放入CO2浓度为(20±3)%、相对湿度为(70±5)%、温度为(20±5)℃的碳化箱内进行碳化试验，当达到预定碳化龄期后将试块取出并破型，随之将酚酞酒精溶液喷洒在试块断面上，试块断面呈现红紫色时，测定出试块断面边部到呈现红紫色位置之间的距离，即混凝土碳化深度，精确至 0.5mm[2]。

3 试验结果分析

3.1 水胶比(W/B)大小的影响

水胶比(W/B)大小对混凝土碳化深度的影响如表4和图1。通过表4和图1中的试验数据可以显示出，随着水胶比(W/B)的增大，试块的碳化深度也在不断加大。这是因为水胶比(W/B)的大小是影响混凝土结构自身密实性大小的主要因素，进而影响周围环境中CO2气体向混凝土内部的扩散、渗透速度。在水胶比(W/B)较小时能够提高混凝土结构物自身的密实性，阻碍了CO2气体向混凝土内部的扩散，减少了碳化反应频率，碳化深度随之减小，混凝土的抗碳化能力得到增强。

表4 混凝土试块各龄期碳化深度

图1 水胶比(W/B)大小与混凝土碳化深度之间的关系

3.2 粉煤灰掺量的影响

粉煤灰掺量大小对混凝土碳化深度的影响如表4和图2。试验数据显示，试块的碳化深度随着粉煤灰掺量的提高、碳化时间的延长而不断增加，当粉煤灰掺量达到30%以上时，试块的碳化深度会急剧增加。

图2 粉煤灰掺量大小与混凝土碳化深度之间的关系

粉煤灰中含有高活性的SiO2，具有良好的微骨料效应和火山灰效应。加入混凝土中后，一方面可与Ca(OH)2发生二次水化反应，增加了混凝土中C－SH含量，改善了混凝土微观组织结构，CO2气体在混凝土内的渗透能力降低;另一方面，二次水化反应的进行，也使得混凝土内部碱性物质含量降低，碳化过程缩短，吸收CO2能力减弱，混凝土碳化性能下降。由试验数据可以看出，当粉煤灰掺量小于20%时，28d的碳化深度从8.1mm增加至10.7mm，这是因为此时混凝土密实度提高速度高于混凝土内部碱性物质含量减少速度，碳化深度增加18.5%，混凝土抗碳化性能下降不明显;当粉煤灰掺量超过30%时，试块碳化深度从8.1mm提高至18.2mm，这是因为此时后者作用占主导地位，混凝土密实度提高速度远远小于混凝土内部碱性物质含量减少速度，混凝土的抗碳化能力明显降低，致使碳化深度增大1.25倍。

3.3 周围环境中CO2浓度的影响

众多学者的研究结果已表明，混凝土的碳化深度与周围环境中CO2气体浓度的平方根成正比。通过对混凝土碳化作用机理分析可知，周围环境中CO2气体浓度越高，CO2气体向混凝土内部的渗透速度越快，碳化反应进行的越彻底，混凝土试块碳化深度也越大。可用下式反映混凝土试块碳化深度与CO2气体浓度之间的关系[3]见式(5)。

式中 D——混凝土碳化深度;K——CO2扩散系数;C——混凝土表面CO2的浓度;t——混凝土碳化持续时间;m——单位体积混凝土所吸收CO2的体积。

3.4 周围环境中相对湿度及温度的影响

周围环境中相对湿度及温度对混凝土试块的碳化深度也有一定程度的影响，分别如图 3[4]和图 4[5]。

图3 周围环境中相对湿度与混凝土碳化深度之间的关系

图4 周围环境中相对温度与混凝土碳化深度之间的关系

已有的研究结果显示混凝土碳化进程只有在相对潮湿为50%～70%的环境中速度最快，并且伴随着周围温度的升高，混凝土的碳化反应速度呈现加速之势。这是因为当周围环境相对湿度超过85%时，混凝土内部的微小孔隙被冷凝水充满，使CO2气体在混凝土中的侵入受到阻碍，扩散速度急剧降低，导致碳化反应停止;当周围环境相对湿度小于20%时，虽然空气中CO2气体在混凝土中的扩散与渗透速度很快，但会因混凝土孔隙中没有充足的水分，降低了 CO2与 Ca(OH)2发生化学反应的速度，影响了碳化反应的正常进行。张海燕，李光宇等人[5]的研究结果表明在其他条件相同情况下，周围环境的相对湿度从40%增大到80%时，混凝土的碳化深度由13.9mm减小至10.4mm，降低幅度为25.18%。

随着周围环境温度的升高，可以加快CO2气体在混凝土中的扩散速度，增加了CO2与Ca(OH)2发生化学反应的机率，混凝土碳化深度提高。刘小芳[6]的研究结果显示在其他条件相同情况下，周围环境温度为30℃时的碳化深度是周围环境温度为10℃时碳化深度的1.7倍。

3.5 水泥品种的影响

不同品种水泥水化后，其水化产物Ca(OH)2含量以及混凝土的渗透性也有所不同，在一定程度上影响了混凝土抗碳化能力大小。研究资料显示对于矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥，因水泥熟料中CaO含量较低而 SiO2的含量较高，水泥水化时所生成的Ca(OH)2含量较少，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 降低水胶比(W/B)

降低水胶比可以改善混凝土内部的微观组织结构，提高混凝土结构自身的密实度，增加CO2气体向混凝土内部渗透的阻力，降低了碳化反应速度，提高混凝土结构物的抗碳化能力。

4.2 掺加矿物掺合料

粉煤灰、高炉矿渣和硅灰等矿物掺合料具有良好的微骨料效应和火山灰效应，将这些矿物掺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内部微小孔隙中，细化混凝土微观组织结构，增大混凝土结构密实性，提高混凝土的抗碳化能力。但当粉煤灰、高炉矿渣和硅灰等矿物掺合料的掺量高于30%时，因矿物掺合料的掺入而使混凝土中碱性物质Ca(OH)2含量减少的负面作用超过其对混凝土内部密实性的改善作用，导致混凝土的抗碳化性能反而会明显下降。