裂縫寬度對混凝土碳化的影響

雷 濤

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

混凝土結構在建設和服役期間會不可避免地出現裂縫，成為有害介質(和水)侵入混凝土內部的通道，加速保護層混凝土的失效進程，進而降低混凝土耐久性。為了保證混凝土結構使用壽命達到設計要求，各國都對混凝土裂縫寬度進行了限制[1]。

碳化是影響混凝土耐久性的重要因素。研究表明，環境濕度對混凝土碳化速率的影響系數呈“鐘形”分布[2]，因此，對于環境濕度低(20%左右)的干旱環境，混凝土碳化進程放緩，在該類地區開展鐵路混凝土工程建設，如果仍按標準規定的裂縫寬度0.2 mm限值進行驗收，可能會對工程建設造成不必要的資源浪費。雖然對于完好混凝土碳化的研究已經較為成熟[3]，開裂混凝土碳化方面也有少量研究[4-7]，但對于干燥環境下開裂混凝土碳化規律的研究較少。本文通過三點加荷誘導混凝土開裂，研究不同寬度裂縫混凝土試件在模擬環境下的碳化進程，為干燥碳化環境下混凝土結構裂縫控制提供依據。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為金隅P.O42.5，比表面積342 m2/kg，化學成分見表1。細骨料為河北遵化河砂，細度模數2.8，含泥量1.9%，表觀密度2 610 kg/m3;粗骨料為天津薊縣5～10 mm，10～20 mm兩級配碎石，壓碎值5.4%，含泥量0.3%，表觀密度2 780 kg/m3，緊密空隙率40%;減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑。

表1 水泥的化學成分%

1.2 配合比

為了加速試驗進程，采用高水灰比混凝土，其配合比見表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1)裂縫的模擬

成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，在需預制裂縫試件內放置2根φ8鋼筋，標養28 d后，采用三點彎曲的方法在預制裂縫試件內預埋鋼筋側制造裂縫，利用加力架裝置控制裂縫寬度為0.1～0.2 mm，0.2～0.3 mm，＞0.3 mm 和 ＜0.1 mm 4種，并保持裂縫的穩定性。利用電子設備對預制裂縫試件的裂縫進行掃描拓片，精確計算各試件裂縫的平均寬度，并對裂縫深度進行測量。

2)碳化試驗

將裂縫試件放入濕度為(20±3)%、二氧化碳濃度為(20±3)%、溫度為(20±2)℃的碳化箱內，試驗至規定齡期時取出，將試件兩端各切除100 mm，將剩下部分垂直裂縫方向劈開，使用酚酞溶液對預制裂縫試件及未損傷基準試件破型斷面的碳化區域進行顯色。

3)pH值測試

采用6 mm沖擊鉆沿裂縫深度方向每隔10 mm鉆取約2 g粉體(見圖1)，采用化學滴定法測定pH值，通過裂縫試件及未損傷基準試件破型斷面不同區域pH值的變化，對混凝土裂縫區域中性化程度進行判斷和分析。

圖1 pH滴定試驗取樣方法

2 結果與討論

2.1 酚酞顯色和碳化深度

將28 d碳化齡期的預制裂縫試件沿垂直裂縫方向破型。利用酚酞溶液對預制裂縫試件破型斷面的碳化區域進行顯色，對破型斷面裂縫區域的碳化情況進行觀測。為便于直觀表達碳化區域范圍，利用Photoshop軟件對破型斷面碳化區域進行拓片，通過計算單位長度碳化區域面積，比較分析了預制裂縫試件開裂側裂縫區域距表層不同深度及開裂對側區域距表層不同深度混凝土的碳化情況。典型斷面碳化區域拓片見圖2，開裂側裂縫區域與開裂對側相應區域平均碳化深度測量結果見表3。

圖2 不同寬度裂縫混凝土試件碳化拓片

表3 平均碳化深度測量結果 mm

從圖2可以看出，在試驗控制裂縫寬度內，混凝土一旦開裂就會沿著裂縫界面產生碳化，且碳化深度會直達裂縫前端。從表3可以看出，試驗控制裂縫寬度范圍內的混凝土裂縫區域、開裂面對側相應區域以及裂縫處的平均碳化深度無明顯差異。可見，采用顯色及碳化深度雖直觀，但不能精確反映不同寬度裂縫混凝土的碳化規律。

2.2 pH值

對不同寬度裂縫混凝土不同深度處的pH值作圖分析，見圖3。從圖3可以看出，未開裂混凝土pH值的演變存在3個區域，即完全碳化區(深度為0～2.0 cm，pH值較低)、半碳化區(pH值線性增加段)和未碳化區(pH值高且穩定段)，pH曲線呈近似對稱形態(以距離開裂面5 cm等位線為中軸)。當裂縫寬度＜0.21 mm時，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處相同深度混凝土pH值呈下降趨勢，但與未開裂混凝土相同位置pH值相比下降不明顯，且整個pH值曲線仍呈對稱形態。說明在本試驗測試條件下，當裂縫寬度＜0.21 mm時，相同深度混凝土碳化程度隨裂縫寬度增加有變大趨勢，但變化不明顯，裂縫寬度對混凝土的碳化影響較小。當裂縫寬度＞0.32 mm時，與未開裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值下降較明顯，尤其是當裂縫寬度為0.45 mm時，與未開裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值急劇下降，且整個pH值曲線呈不對稱狀態，開裂側混凝土pH值明顯低于開裂對側。

圖3 不同寬度裂縫混凝土pH值隨深度的變化

現場結構混凝土保護層厚度一般為35 mm。根據圖3中不同寬度裂縫混凝土裂縫深度35 mm處pH值繪制pH值與裂縫寬度的關系曲線，見圖4。從圖4可見，隨著裂縫寬度的增加，該深度處混凝土pH值呈下降趨勢。當開裂混凝土的裂縫寬度＜0.25 mm時，pH值均＞12.0，說明裂縫對混凝土碳化影響較小;而當裂縫寬度＞0.25 mm時，裂縫對混凝土碳化影響程度急劇增加，具有明顯的碳化趨勢。

圖4 混凝土裂縫深度35 mm處pH值隨裂縫寬度變化曲線

3 結論

1)開裂混凝土沿著裂縫界面產生碳化，碳化深度會直達裂縫前端，碳化深度與裂縫寬度關系不大。

2)干燥碳化環境下裂縫寬度＞0.25 mm時，保護層位置處混凝土pH值才會顯著降低，建議干燥碳化環境下混凝土裂縫寬度限值放寬至0.25 mm。

[1]屈文俊，車惠民.裂縫對混凝土橋梁耐久性影響的評估[J].鐵道學報，1997，19(4):90-97.

[2]劉志勇，孫偉.多因素作用下混凝土碳化模型及壽命預測[J].混凝土，2003(12):3-7.

[3]牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京:科學出版社，2003.

[4]金祖權，侯寶榮，趙鐵軍.收縮裂縫對混凝土氯離子滲透及碳化的影響[J].土木建筑與環境工程，2011，33(1):7-11.

[5]成立，余其俊，殷素紅，等.混凝土碳化及氯離子滲透試驗[J].鐵道建筑，2007(6):104-106.

[6]朱元祥，候應武，屈文俊.混凝土結構裂縫處的碳化分析[J].西北建筑工程學院學報，1998，12(4):34-38.

[7]秦明強，劉松，占文，等.基于碳化環境下地鐵車站混凝土性能評估與壽命預測[J].鐵道建筑，2013(2):106-108.