张立勃， 张孝珍， 张然然

(1. 中铁隧道局集团有限公司工程试验分公司， 河南 洛阳 471009； 2. 中铁隧道局集团职工大学， 河南 洛阳 471009)

0 引言

混凝土的碳化对素混凝土并无不利影响，但对钢筋混凝土的耐久性则有着巨大的破坏作用。碳化与环境温度、环境相对湿度、材料强度、龄期等有着密切关系。对于混凝土的碳化深度及碳化的影响因素，已经有了比较多的试验研究、理论研究和模型预测，牛荻涛等[1]通过盐溶液浸泡与碳化交替方式,研究了碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响； 韩建德等[2]对已有的碳化模型进行分类,并对今后碳化反应模型的研究重点进行了展望； 周万良等[3]通过调整混凝土中掺合料的种类及掺量，研究了粉煤灰、矿粉混凝土的抗碳化性能； 余波等[4]通过合理量化碳化环境作用并准确分析混凝土碳化深度,对混凝土结构的耐久性进行了定量分析； 黄秀亮等[5]研究了不同粉煤灰取代率、水胶比对再生混凝土抗碳化性能的影响；万朝均等[6]利用自研装置,分层测定了碳化粉煤灰水泥石中CaCO3的含量，定义了完全碳化区、部分碳化区、未碳化区等概念和碳化程度、 碳化速度等特征指标； 赵冰华等[7]通过加速碳化试验方法研究了不同龄期的碳化作用对混凝土试件的强度、吸水率以及抗渗性的影响； 曹明莉等[8]通过对混凝土碳化系数的研究形成了不同的碳化模型，即基于气体扩散理论的理论模型、基于试验结果的经验模型以及基于扩散理论和试验结果的模型； 罗小勇等[9]研究发现应力对混凝土碳化耐久性的影响是显著的； 卢超辉等[10]提出了混凝土和预应力混凝土结构碳化深度预测模型，为碳化环境下混凝土和预应力混凝土结构的碳化耐久性寿命预测提供了计算工具； 李蓓等[11]引入中心水泥颗粒的未水化层、水化产物层和空气层的受干扰程度3个参数量化表征了水泥水化进程的影响因素，并提出了基于水泥水化的混凝土碳化深度预测方法。上述对于混凝土碳化的研究集中在碳化的发展机制和影响因素方面，多以理论研究为主，并未结合某一地域的气候特点展开混凝土碳化深度研究。

陕北地区指的是陕西省北部的榆林市和延安市，属于温带大陆性半干旱气候，年降雨量为300～600 mm，年蒸发量为1 556～1 896 mm，蒸发量远大于降雨量，气候较干燥，全年平均相对湿度为50%～60%。通过查阅大量的陕北地区历史气候资料，结合对工程实体的碳化情况实测，从碳化深度及影响因素2方面对低湿条件下混凝土的碳化情况进行分析研究，在此基础上提出适合陕北地区气候特点的混凝土碳化深度预测公式，并提出降低碳化影响的具体措施。

1 相对湿度和碳化深度的关系

乔永平等[12]的研究表明，相对湿度的大小决定着混凝土孔隙水饱和度的大小。相对湿度较大时，混凝土的含水率较高，CO2向混凝土内部扩散的速度将降低甚至停止，从而使混凝土的碳化速度大大降低；相对湿度较小时，混凝土处于较为干燥或是含水率较低的状态，虽然CO2的扩散速度较快，但是由于碳化反应所需的水分不足，使得碳化速度较慢。碳化速度与相对湿度的关系呈抛物线状，相对湿度在40%～60%时，碳化速度较快，并在50%时达到最大值。

环境相对湿度的大小决定了混凝土孔隙中能否形成液相环境，这是碳化反应能否进行的关键；适宜的环境相对湿度会使CO2的孔隙饱和度达到最大，这决定了碳化反应的速度；随着碳化的进行，碳化反应本身生成的水会释放到混凝土孔隙中，使CO2的体积分数降低，减缓了碳化反应的速度。

TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[13]和TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》[14]提到，在碳化锈蚀为主的环境条件下，混凝土的碳化主要受制于CO2、H2O和O2的供给程度。当相对湿度较大时，特别是水位变动区和干湿交替部位，容易发生碳化锈蚀； 当相对湿度小于60%时，由于缺少水的参与，钢筋的锈蚀较难发生；当结构处于水下或土中时，由于缺少CO2的有效补给，混凝土的碳化速度也会很缓慢。

2 低湿条件下混凝土碳化情况

2.1 低湿条件下碳化情况实测

为了力求获得的碳化深度实测数据全面，选取了延安市宜川县境内的几个不同的工程结构物为测试对象，包括隧道的二次衬砌和桥梁的桥墩、承台、桥台。同时为了使测得的数据有可比性，测试面尽可能选择光滑密实的混凝土表面，以排除不密实的混凝土可能造成的影响。现场碳化测试过程如图1所示。

(a) (b)

(c) (d)图1 碳化测试过程照片Fig. 1 Photos of concrete carbonization test

2.1.1 段家坪隧道二次衬砌混凝土碳化情况实测

碳化深度测试段的混凝土强度等级为C40，混凝土养护龄期为29～330 d。隧道内环境较为干燥，且隧道并未贯通，因此几乎不受外界日相对湿度变化的影响，其相对湿度大约恒定在50%～60%。碳化深度详细测试数据见表1。

表1段家坪隧道二次衬砌混凝土碳化情况

Table 1 Concrete carbonization of secondary lining of Duanjiaping Tunnel

龄期/d碳化深度/mm测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8回弹强度/MPa3305．735．995．975．896．225．447．747．0749．33004．894．554．734．494．044．345．315．3645．22405．115．904．414．634．024．714．294．2747．81805．725．405．195．545．445．575．855．1942．11203．743．995．724．663．993．342．753．8244．5902．332．453．122．892．152．282．032．3743．9581．211．361．251．191．281．371．451．3341．9290．500．460．410．320．280．260．390．3440．6

2.1.2 仕望河特大桥桥墩混凝土碳化情况实测

碳化深度测试段的混凝土强度等级为C35，混凝土养护龄期为30～330 d，结构物所处位置露天无遮挡，其养护温度、相对湿度随环境温湿度变化而变化。碳化深度详细测试数据见表2。

表2仕望河特大桥桥墩混凝土碳化情况

Table 2 Concrete carbonization of piers of Shiwang River Grand Bridge

龄期/d碳化深度/mm测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8回弹强度/MPa3303．002．463．554．263．944．353．843．3544．33002．853．963．844．573．073．193．762．7743．12383．533．353．143．154．715．094．504．0541．61805．076．415．266．855．763．753．697．5538．21186．235．415．754．365．465．785．835．0743．5904．334．253．263．883．153．253．414．0940．2602．862．343．043．432．512．362．112．5336．5301．321．651．030．870．651．261．211．3837．9

2.1.3 西坪塬隧道二次衬砌混凝土碳化情况实测

碳化深度测试段的混凝土强度等级为C40，混凝土养护龄期为33～329 d，与段家坪隧道所处环境基本相同。碳化深度详细测试数据见表3。

表3西坪塬隧道二次衬砌混凝土碳化情况

Table 3 Concrete carbonization of secondary lining of Xipingyuan Tunnel

龄期/d碳化深度/mm测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8回弹强度/MPa3298．017．737．716．698．027．647．338．0245．23007．787．588．646．617．287．377．345．6046．32407．527．316．315．227．327．426．055．3643．51805．025．315．035．274．494．496．085．1244．11204．304．284．284．283．674．203．324．8541．2913．123．243．012．883．233．192．963．1340．7602．112．232．192．461．891．752．032．1443．3331．021．251．171．060．960．951．131．0640．2

2.1.4 袁家河大桥桥墩混凝土碳化情况实测

碳化深度测试段的混凝土强度等级为C35，混凝土养护龄期为32～330 d，与仕望河特大桥所处环境类似。碳化深度详细测试数据见表4。

表4 袁家河大桥桥墩混凝土碳化情况Table 4 Concrete carbonization of piers of Yuanjia River Bridge

2.2 低湿条件下影响碳化深度发展的可能因素

2.2.1 混凝土强度和碳化深度的关系

本次碳化深度测试只针对了C40和C35等级的混凝土(理论配合比见表5)，将表1—4中的数据进行计算，得出某个龄期的平均碳化深度后，重新整理(见表6)，发现在第1—6个月时，C35混凝土的平均碳化深度略高于C40，在第8—12个月时， C35混凝土的平均碳化深度接近第3—6个月时的数据，而C40混凝土碳化深度随着龄期变长呈继续增长趋势。

将表1—4及表6的数据汇总，制成混凝土碳化深度-回弹强度关系图，如图2所示。由图2可知： 如果忽略混凝土强度等级和龄期的不同，回弹强度越大，碳化深度越大，这是由于随着龄期增长混凝土回弹强度和碳化深度同趋势增长的结果； 同龄期、同强度等级的混凝土，实测回弹强度和碳化深度的发展趋势并没有呈现相同或相反的规律。

2.2.2 龄期和碳化深度的关系

通过对混凝土龄期和碳化深度关系的研究，国内外学者提出了多种碳化深度预测模型，目前一致认可的模型是混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比：

(1)

式中：xc为混凝土碳化深度，mm；k为碳化系数，是反映混凝土碳化速度快慢的综合参数；t为碳化时间，d。

本试验基于在不同工程结构物上测得的碳化深度数据，结合式(1)进行统计计算，测得k≈0.312 51，那么陕北地区低湿条件下碳化深度预测公式为：

(2)

将表5中的数据进行回归分析，当按幂函数进行趋势预测时(见图3)，得到的相关系数(R2≈0.727)最接近1，因此碳化深度预测回归公式为：

y=0.103t0.713。

(3)

式中y为混凝土碳化深度，mm。

表5 C40混凝土二次衬砌及C35混凝土桥墩配合比Table 5 Mixing proportions of concrete C40 secondary lining and concrete C35 pier

表6 C40和C35混凝土碳化情况Table 6 Carbonization of concretes C40 and C35

图2 混凝土碳化深度-回弹强度关系

Fig. 2 Relationship between carbonization depth and rebound strength of concrete

图3 混凝土碳化深度与龄期的关系

Fig. 3 Relationship between carbonization depth and age of concrete

式(2)和式(3)为在一定数量的实测碳化深度数据基础上建立的预测公式，由图3可知，式(3)的相关系数R2=0.727，为中度相关。通过式(2)和式(3)进行碳化深度计算，将得到的计算值进行对比(见表7)，由表7可知： 当龄期≤330 d时，式(2)和式(3)得到的混凝土碳化深度基本一致，但当龄期>330 d后，式(3)计算出的碳化深度值比式(2)明显变大，不符合混凝土碳化速度逐渐变慢的规律，因此建议式(3)仅用于计算龄期≤330 d的混凝土碳化深度。在运用式(2)计算龄期>330 d的混凝土碳化深度时，应进行实体检测以验证结果，当发现有偏差时应进行适当修正。式(2)和式(3)对于陕北地区低湿条件下混凝土结构物的碳化深度预测有一定借鉴意义。

表7碳化深度公式计算值对比

Table 7 Comparison of calculation values of carbonization depth between different formulas

龄期/d碳化深度/mm式(2)计算值式(3)计算值301．711．16602．421．91902．962．551203．423．131503．833．671804．194．182104．534．662404．845．132705．145．583005．416．013305．686．433906．177．254506．638．035107．068．785707．469．506607．8410．208409．0612．53120010．8316．15

2.2.3 光照和碳化深度的关系

在整理表2和表4的数据时，发现桥墩的向阳面和背阴面的碳化深度似乎存在某种规律，于是重新选取袁家河大桥、店子河特大桥和仕望河特大桥的几个结构物的向阳面和背阴面进行碳化深度测定，具体数据见表8。

表8 向阳面和背阴面混凝土碳化情况Table 8 Concrete carbonization at sunny slope and shady slope

由表8可知： 同一结构物的向阳面平均碳化深度值均大于背阴面，平均差值约为1.32 mm，因此推测光照会加速碳化的进程，并且有着较大的影响。这是因为当其他条件相同时，向阳面的温度高于背阴面，加快了气体扩散速度，进而导致混凝土的碳化速度加快[15]； 同时，由于碳化过程是化学反应，较高的温度也加快了碳化反应速度，使得在经过一定时间后，混凝土向阳面和背阴面碳化深度出现了较大差异。

2.2.4 结构物位置和碳化深度的关系

比较表6中隧道和桥墩的碳化深度值可知，随着时间的增加，隧道内混凝土的碳化深度逐渐高于桥墩。这是因为在隧道施工期间，大型机械设备及钻爆法施工带来了大量的热量，并且由于洞内是一个相对封闭的环境，洞内的年平均温度要高于洞外，故隧道内混凝土碳化反应时间更长，碳化深度更大。

2.3 低湿条件下减少或避免碳化发生的方法

关于降低碳化发生的危害方面，一般采取2种方法： 增强密实度法和高碱性环境法。

在增强密实度法应用方面，可以通过隔绝空气来实现。实际工程中经常应用环氧厚浆涂料、硅粉砂浆和混凝土封面处理等几种方法来减慢和阻止CO2的进入； 也可以采用SR嵌缝膏和SBS改性沥青灌注、涂抹、封闭混凝土的表面以隔绝空气； 也可以通过掺入活性矿物粉末，如粉煤灰、磨细矿渣粉等来改善混凝土的微结构，增加其密实度。

在高碱性环境法应用方面，可以通过调整混凝土配合比来保证一个适度的高碱性环境。现行TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》[14]中提到，混凝土最大碱含量要满足不同设计使用年限和环境条件对应碱含量的限值要求。但从降低碳化危害的角度出发，应适当增大混凝土的碱含量，即尽量选用碱含量为0.60%～0.80%的中碱水泥，在不超过规范要求的前提下，要尽可能地提高混凝土总碱含量； 同时，应掺入适量粉煤灰，使其能起到微集料填充密实作用的同时，避免掺入太多而对Ca(OH)2等碱性物质造成过度消耗。

3 结论与讨论

1)混凝土碳化速率受相对湿度的影响很大。

3)降低碳化发生的危害可采用增强密实度法和高碱性环境法。增强密实度法实为隔绝空气； 高碱性环境法着手于混凝土配合比的调整，在密实度得到改善的混凝土中建立一个适度的高碱环境，以减少或避免混凝土碳化对耐久性的不利影响。

4)目前在混凝土碳化受光照和结构物位置的影响方面，可以进行定性的比较和分析，这对于了解混凝土的碳化规律可起到一定的借鉴作用，但还缺乏定量方面的研究及分析和计算方法，后续的研究可以围绕着这些方面来开展。

参考文献(References)：

[1] 牛荻涛, 孙丛涛. 混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究[J]. 硅酸盐学报, 2013, 41(8): 1094.

NIU Ditao, SUN Congtao. Study of interaction of concrete carbonation and chloride corrosion[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2013, 41(8): 1094.

[2] 韩建德, 孙伟, 潘钢华. 混凝土碳化反应理论模型的研究现状及展望[J]. 硅酸盐学报, 2012, 40(8): 1143.

HAN Jiande, SUN Wei, PAN Ganghua. Recent development on theoretical model of carbonation reaction of concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2012, 40(8): 1143.

[3] 周万良, 方坤河, 詹炳根. 掺粉煤灰、矿粉混凝土抗碳化性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2012(12): 14.

ZHOU Wanliang，FANG Kunhe，ZHAN Binggen. Study of carbonization resistance of concrete mixed with fly ash and slag[J]. China Concrete and Cement Products, 2012(12): 14.

[4] 余波, 成荻, 杨绿峰. 混凝土结构的碳化环境作用量化与耐久性分析[J]. 土木工程学报, 2015, 48(9): 51.

YU Bo, CHENG Di, YANG Lüfeng. Quantification of environmental effect for carbonation and durability analysis of concrete structures[J]. China Civil Engineering Journal， 2015, 48(9): 51.

[5] 黄秀亮, 王成刚, 柳炳康. 再生混凝土抗碳化性能研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2013(11): 1343.

HUANG Xiuliang, WANG Chenggang, LIU Bingkang. Research on carbonation resistance of recycled aggregate concrete[J]. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science), 2013(11): 1343.

[6] 万朝均, 张廷雷, 陈璐圆, 等. 粉煤灰水泥石碳化性能的化学分析[J]. 硅酸盐学报, 2012, 40(8): 1102.

WAN Chaojun, ZHANG Tinglei, CHEN Luyuan，et al. Chemical analysis of carbonation of fly ash blended cement pastes[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2012, 40(8): 1102.

[7] 赵冰华, 费正岳, 赵宇, 等. 碳化对混凝土性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2012, 31(6): 1641.

ZHAO Binghua, FEI Zhengyue, ZHAO Yu, et al. Effect of carbonation on the performance of concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2012, 31(6): 1641.

[8] 曹明莉, 丁言兵, 郑进炫, 等. 混凝土碳化机理及预测模型研究进展[J]. 混凝土, 2012(9): 35.

CAO Mingli, DING Yanbing, ZHENG Jinxuan, et al. Overview the mechanism and forecast model of concrete carbonization[J]. Concrete, 2012(9): 35.

[9] 罗小勇, 邹洪波, 施清亮. 不同应力状态下混凝土碳化耐久性试验研究[J].自然灾害学报， 2012(2): 196.

LUO Xiaoyong, ZOU Hongbo, SHI Qingliang. Experimental study of durability of concrete carbonation at different stress states[J]. Journal of Natural Disasters, 2012(2): 196.

[10] 卢朝辉, 吴蔚琳, 赵衍刚. 混凝土及预应力混凝土结构碳化深度预测模型研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(2): 368.

LU Chaohui, WU Weilin, ZHAO Yangang. Prediction models for carbonation depth of reinforced and prestressed concrete structures[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(2): 368.

[11] 李蓓, 田野, 金南国, 等. 基于水泥水化的混凝土碳化深度预测模型[J]. 水利学报, 2015, 46(1): 109.

LI Bei, TIAN Ye, JIN Nanguo, et al. The prediction model of concrete carbonation depth based on cement hydration[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2015, 46(1): 109.

[12] 乔永平, 陈正, 莫林. 环境相对湿度对混凝土碳化的影响[J]. 商品混凝土, 2015(6): 30.

QIAO Yongping, CHEN Zheng, MO Lin. Effect of environmental relative humidity on concrete carbonation[J]. Ready-mixed Concrete, 2015(6): 30.

[13] 铁路混凝土结构耐久性设计规范: TB 10005—2010[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2011.

Code for durability design on concrete structure of railway: TB 10005-2010[S]. Beijing： China Railway Publishing House, 2011.

[14] 铁路混凝土工程施工质量验收标准: TB 10424—2010[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2011.

Standard for constructional quality acceptance of railway concrete engineering: TB 10424-2010[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2011.

[15] 钟小平. 光照对混凝土碳化的影响[J]. 交通科技与经济, 2007, 9(1): 5.

ZHONG Xiaoping. Influence of light on carbonation of concrete[J]. Technology & Economy in Areas of Communications, 2007, 9(1): 5.