蔡杰龙,杨永民,2,张君禄(.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 50635；2.华南理工大学 材料科学与工程学院,广东 广州 50640)

某供水工程混凝土表面碳化状况调查分析

蔡杰龙1,杨永民1,2,张君禄1
(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 510635；
2.华南理工大学 材料科学与工程学院,广东 广州 510640)

以广东省内某大型供水工程为背景,通过碳化深度测试、回弹法检测混凝土性能,并结合各种微观组成与结构表征方法(TG/DSC、XRD、SEM和EDS)对现场钻芯所取样品进行分析,从而综合评价现场混凝土表面碳化现状,以准确把握现场建筑物混凝土表面碳化情况,同时为国内同类工程混凝土表面碳化调查提供科学的参考依据。

混凝土；表面质量；碳化；调查分析

1 概述

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一,广泛应用在工业和民用建筑、交通设施和水利水电工程等领域中,其在确保建筑物安全有效运行方面发挥极其关键的作用[1]。长期以来,混凝土材料以优异的使用性能和良好的寿命见长,但本质上是一种非均质脆性材料,在自然环境下不可避免会受到水、二氧化碳、氯离子、硫酸盐等介质的侵蚀而老化、腐蚀,引起混凝土结构劣化,使用寿命缩短[2-3]。

本供水工程输水建筑物为混凝土结构,其混凝土表面已出现不同程度碳化、粉化等现象,并呈现逐渐劣化的趋势。若任由碳化粉化和钢筋锈蚀等缺陷进一步发展,不仅工程整体外观形象会受到损害,长此以往也将成为影响工程结构安全和正常运行的潜在隐患。实际上,掌握混凝土结构表面碳化情况,是判断混凝土结构是否进一步劣化的关键。因此,鉴于本供水工程政治和经济方面的重要性,本文有必要对其混凝土结构表面碳化情况进行分析评价,为及时发现并消除工程隐患,确保工程安全有效运行提供重要的保障。

2 试验方法与内容

2.1混凝土碳化深度

对现场不同部位的混凝土进行凿孔(直径约为15 mm的孔洞,深度必须大于混凝土的碳化深度),除净孔洞中的粉末和碎屑,采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处,当已碳化与未碳化界限清楚时,用游标卡尺测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离,每个侧面测量不应少于3次,取其平均值。每次读数精确到0.1 mm。碳化深度测试具体方法参考行业标准《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)中相关规定进行。

2.2混凝土抗压强度

选取现场具有代表性的混凝土部位进行检测,每一个部位的测区(测区面积不宜大于0.04 m2)数不宜少于10个,相邻两个测区间距不应大于2 m,测区表面应为混凝土原浆面。测量回弹值时,回弹仪的轴线应始终垂直混凝土检测面,并应缓慢施压、准确读数、快速复位。每一个测区应读取16个回弹值,每一个测点回弹值读数应精确到1。回弹抗压强度具体方法参考标准JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中相关规定进行。

2.3混凝土面微观组成与结构分析

利用钻机对现场具有代表性的混凝土表面进行钻孔取样(钻孔深度50 mm,芯样直径70 mm),现场芯样标记后进行密封保存并送回室内制样,进行下列相关微观组成与结构的分析。

2.3.1综合热分析

定量分析混凝土中碳化区与未碳化区的CaCO3和Ca(OH)2含量,表征现场混凝土面微观组成成分变化情况。综合热分析包括差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)。

2.3.2X射线衍射分析

定量分析混凝土面碳化与未碳化层微观矿物组成,采用荷兰PANalytical公司X’Pert Pro型X-Ray衍射仪,Cu靶,石墨单色器,电压为35 kV,狭缝宽度为0.3 mm,扫描速度为10 min,扫描范围为5°～90°,波长为0.154 18 nm,电流为40 mA。

2.3.3扫描电镜和能谱分析

用于观察腐蚀后水化产物的形貌、结构以及化学组成变化,定性分析混凝土表面碳化与未碳化区微观结构,能谱分析主要配合扫描电镜分析结果进行微观结构中的元素定量分析。采用德国ZEISS EVO 1,Germany扫描电镜分析仪。

3 试验结果与分析

3.1混凝土碳化深度

分别选取本工程中3个具有代表性区域对应的不同工程部位上的混凝土进行碳化深度的检测,利用混凝土碳化深度来表征混凝土表面碳化程度,检测结果见表1所示。

表1 混凝土表面碳化深度测定记录

根据检测结果可知,3个代表性区域主体结构的混凝土碳化程度较轻,碳化深度均在3.0 mm以内,而墩柱混凝土碳化深度则分别为4.4 mm、6.8 mm和7.4 mm,过渡段混凝土碳化深度分别为12.6 mm、7.2 mm和12.5 mm。3个代表性区域中,混凝土碳化深度最大可达12.6 mm。检测结果表明,不同区域的混凝土碳化程度不同,且每个区域混凝土各部位的碳化粉化情况也并不一致。每一个区域中的混凝土碳化程度均是过渡段最为严重,墩柱次之,主体结构最低。各个区域的主体结构碳化基本一致,碳化程度较轻。墩柱混凝土碳化程度为区域③最为严重,区域②次之,区域①最低,而过渡段则区域①与③基本一致,区域②最低。

不同工程部位混凝土碳化程度不同,究其原因,除了与混凝土自身质量有关(已建建筑物混凝土自身质量已定,本文不再讨论),主要取决于混凝土的使用环境。槽身虽同样曝露大气环境中,但受雨水淋洒洗刷较少,而且整体阳光辐射量相较其它部位要少,因此在混凝土碳化过程中,氢氧化钙与二氧化碳反应生成的覆盖于混凝土表面的碳酸钙溶蚀流失较慢,即碳化速率相对较慢,碳化深度较小；而墩柱虽同样受到雨水淋洗及阳光辐射,而墩柱和过渡段不仅面临较多的雨水和阳光,而且其上方积累的大量雨水对其进行的冲刷,加速了整个碳化过程。

3.2混凝土抗压强度

利用回弹法对代表性区域进行混凝土抗压强度检测,检测结果如表2所示。其中,测区混凝土强度根据3.1节所测混凝土碳化深度值进行换算。

表2 回弹法测得混凝土抗压强度推定值

根据检测结果可以看出,3个代表性区域混凝土强度均保持良好,仍能满足设计要求。其中强度推定值以区域①最高,区域②次之,区域①最低,但相差甚微。

3.3混凝土表面组成及微观结构分析

3.3.1混凝土物相组成分析

分别取3个代表性区域芯样各1组,根据现场测得的碳化深度,按照碳化区和非碳化区分别磨粉取样,对样品进行测试,得到的XRD图谱如图1所示。

图1 现场混凝土X射线衍射图分析

通过对图1进行分析,可以得到3个代表性区域混凝土的碳化区和未碳化区的水泥水化产物如表3所示。

表3 混凝土表面水泥水化产物

根据检测结果可知,3个代表性区域碳化区都能观察到明显的方解石峰(CaCO3),说明混凝土表面经过10多年的运行时间,表面至里一定深度范围内的水泥水化产物与CO2发生反应,碳化生成方解石。而未碳化区中能看到常规的水泥水化产物Ca(OH)2、水化硅酸钙(C-S-H)和少量二水石膏,说明此区域未出现碳化,与现场所测得的碳化深度结果较为吻合。

3.3.2混凝土组成成分分析

利用TG-DSC综合热分析法可以定性、定量分析不同深度处的CaCO3和Ca(OH)2含量,以表征混凝土未碳化区和已碳化区组成成分的变化情况,所得到结果如图2所示。

(a)碳化区 (b)非碳化区

(1)代表性区域①

(a)碳化区 (b)非碳化区

(2)代表性区域②

(a)碳化区 (b)非碳化区

(3)代表性区域③

图2 混凝土表面碳化区与未碳化区综合热分析对比

通过对图2进行分析,可以得到3个代表性区域混凝土的碳化区和未碳化区的水泥水化产物如表4所示。

表4 混凝土的CaCO3与Ca(OH)2含量对比分析

根据3个代表性区域混凝土综合热分析结果可知,在200 ℃以下有一个DSC吸热峰和TG质量失重区域,这个区域主要是水分的蒸发；在400 ℃～500 ℃之间有一个DSC吸热峰和TG质量失重区域,这个区域主要为Ca(OH)2晶体受热分解,释放水蒸气；在 400 ℃～500 ℃之间有一个DSC吸热峰,这个区域主要为石英晶体受热发生晶型转变,具体为β-SiO2向α-SiO2转变；在600 ℃～800 ℃之间有一个DSC吸热峰和TG质量减小区域,这个区域主要为CaCO3晶体受热分解,释放CO2气体。

综合热分析定量分析结果表明,未碳化区内CaCO3的含量很少,表明未碳化区域内并未发生碳化反应,或碳化反应较微弱；完全碳化区内CaCO3含量较高,表明碳化程度较大,生成大量的CaCO3。同时,对比同一区域中混凝土碳化区与未碳化区,未碳化区在400 ℃～500 ℃之间的吸热峰都比碳化区的要大,这是Ca(OH)2晶体分解结构水的吸热峰,表明未碳化区的Ca(OH)2含量明显多于碳化区的,Ca(OH)2未与CO2发生反应。

3.3.3混凝土微观结构分析

根据不同区域混凝土碳化深度测试结果,对混凝土现场取回芯样表面碳化区和内部新鲜断层进行取样后进行扫描电镜分析,观察碳化区与未碳化区的结构和微观形貌的变化。

图3、5和7分别为代表性区域①、②和③混凝土未碳化区域的微观结构和形貌；图4、6和8分别表示代表性区域①、②和③混凝土已碳化区域的微观结构和形貌。

图3 区域①未碳化区(1 000 x)

图4 区域①已碳化区(1 000 x)

图5 区域②未碳化区(1 000 x)

图6 区域②已碳化区(1 000 x)

图7 区域③未碳化区(1 000 x)

图8 区域③已碳化区(1 000 x)

根据表征结果可知,区域①混凝土未碳化区域较碳化区域结构致密,碳化区域已出现疏松多孔结构,如图3和图4所示。究其原因,这与现场混凝土运行年限有关。现场混凝土运行至今10多年,混凝土已进行充分的水化反应,内部结构中的水泥石的孔洞较少且细小,C-S-H凝胶基本将六方片状Ca(OH)2晶体包裹,凝胶与晶体间构成的微界面及内部大量微空隙均被填实,形成较为密实的连续体。而混凝土表面的碳化区总体比较疏松多孔,主要源于混凝土中水化产物Ca(OH)2与大气环境中过量的CO2反应,首先生成不溶于水的碳酸钙使结构致密,由于表面碳化区域长期受外界环境的侵蚀,包括酸雨、酸性气体和温湿交替循环等,CaCO3在有水的情况下继续与CO2进行进一步的反应生成可溶性的Ca(HCO3)2,其在雨水冲刷下逐渐发生钙质流失,导致混凝土表面逐渐变得疏松多孔并逐渐粉化。同样,区域②和③的混凝土也呈现相同的规律,其中,区域②的混凝土表面碳化区域溶蚀孔洞直径可达5 μm。其检测对比结果如图5和图6、图7和图8所示。

为进一步分析3个代表性区域的混凝土表面碳化区域形貌特征,又在放大5 000倍的电镜下对表面微观形貌进行观察。

图9 区域①碳化区(5 000 x)

图10 区域②碳化区(5 000 x)

图11 区域③碳化区(5 000 x)

图9～图11是通过扫描电子显微成像分析得到的碳化区的显微形貌。由检测结果可知,3个代表性区域的混凝土表面均能明显观察到呈棱柱状或柱状型的方解石晶体,而且其大量积聚在一起,覆盖在整个结构的表面。这是因为碳化常发生在混凝土的空隙区,CO2通过混凝土的孔隙由表及里扩散,并在扩散的过程中与混凝土中的水化产物(主要是Ca(OH)2)发生反应生成CaCO3。随着龄期的不断延长,CaCO3不断积聚并最终大量覆盖在结构表面,这表明混凝土已出现明显碳化。

为证明渡槽混凝土碳化区域化学组成成分为CaCO3,本试验选取图10中某一代表性特征点进行能谱分析,得到该点的元素组成,结果如图12及表5所示。由表征结果可知,Ca、C、O的原子百分比组成接近1∶1∶3,与CaCO3原子比例一致,说明所观察到的微观形貌为方解石(CaCO3)。

图12 能谱分析(EDS)结果

元素COMgAlSiKCaFe总量质量百分比/%13.2550.040.412.715.410.4526.621.12100原子百分比/%21.0659.730.321.923.680.2212.680.38/

4 结语

1) 本供水工程3个代表性区域的混凝土表面均存在不同程度的碳化,其中过渡段最严重,墩柱次之,主体结构(槽身)最轻,过渡段碳化深度最大达到了12.6 mm。

2) 本工程混凝土运行已超过10 a,但是主体结构(槽身)的混凝土抗压强度保持较好,满足设计要求。

3) 混凝土表层结构能观察到明显的方解石峰(CaCO3),说明现场混凝土经过10多年的运行,表面至里一定深度范围内的水泥水化产物与CO2发生反应,碳化生成方解石。

4) 混凝土未碳化区较碳化区结构致密,其中碳化区结构已出现疏松多孔的现象。

[1] 蔡杰龙,杨永民,陈泽鹏，等.混凝土表面防护材料应用分析[J].广东水利水电,2014(11)：67-71．

[2] 柳俊哲.混凝土碳化研究与进展(1)——碳化机理及碳化程度评价[J].混凝土,2005(10)：10-13．

[3] 谢东升.高性能混凝土碳化特性及相关性能的研究[D].南京：河海大学,2005．

(本文责任编辑 马克俊)

Investigation Analysis on the Concrete Surface Carbonation of A Water-providing Engineering

CAI Jielong1,2, YANG Yongmin1,2,3, ZHANG Junlu1,2

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower;2.Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangzhou 510635, China;3.South China University of Technology, School of Materials Science and Engineering, Guangzhou 510640, China)

On the background of the large hydraulic project in Guangdong Province, carbonation degree test and kick-back compressive strength test are carried out to check the performance of concrete in the paper. Besides, all kinds of microanalysis methods(TG/DSC, XRD, SEM and EDS) are taken for the coresample to comprehensively analyze and evaluate the condition of concrete surface carbonation in the engineering. All the tests above not only exactly evaluate the condition of concrete surface Carbonation but also provide scientific lesson and reference for the similar project.

concrete; surface quality; carbonation; investigation analysis

2016-08-03;

2016-09-07

蔡杰龙(1987)，男，硕士，工程师，主要从事水泥混凝土及外加剂等建筑材料研究。

TU528