陜北地區低濕條件下混凝土碳化深度及影響因素研究

張立勃， 張孝珍， 張然然

(1. 中鐵隧道局集團有限公司工程試驗分公司， 河南 洛陽 471009； 2. 中鐵隧道局集團職工大學， 河南 洛陽 471009)

0 引言

混凝土的碳化對素混凝土并無不利影響，但對鋼筋混凝土的耐久性則有著巨大的破壞作用。碳化與環境溫度、環境相對濕度、材料強度、齡期等有著密切關系。對于混凝土的碳化深度及碳化的影響因素，已經有了比較多的試驗研究、理論研究和模型預測，牛荻濤等[1]通過鹽溶液浸泡與碳化交替方式,研究了碳化作用對混凝土中氯離子擴散的影響； 韓建德等[2]對已有的碳化模型進行分類,并對今后碳化反應模型的研究重點進行了展望； 周萬良等[3]通過調整混凝土中摻合料的種類及摻量，研究了粉煤灰、礦粉混凝土的抗碳化性能； 余波等[4]通過合理量化碳化環境作用并準確分析混凝土碳化深度,對混凝土結構的耐久性進行了定量分析； 黃秀亮等[5]研究了不同粉煤灰取代率、水膠比對再生混凝土抗碳化性能的影響；萬朝均等[6]利用自研裝置,分層測定了碳化粉煤灰水泥石中CaCO3的含量，定義了完全碳化區、部分碳化區、未碳化區等概念和碳化程度、 碳化速度等特征指標； 趙冰華等[7]通過加速碳化試驗方法研究了不同齡期的碳化作用對混凝土試件的強度、吸水率以及抗滲性的影響； 曹明莉等[8]通過對混凝土碳化系數的研究形成了不同的碳化模型，即基于氣體擴散理論的理論模型、基于試驗結果的經驗模型以及基于擴散理論和試驗結果的模型； 羅小勇等[9]研究發現應力對混凝土碳化耐久性的影響是顯著的； 盧超輝等[10]提出了混凝土和預應力混凝土結構碳化深度預測模型，為碳化環境下混凝土和預應力混凝土結構的碳化耐久性壽命預測提供了計算工具； 李蓓等[11]引入中心水泥顆粒的未水化層、水化產物層和空氣層的受干擾程度3個參數量化表征了水泥水化進程的影響因素，并提出了基于水泥水化的混凝土碳化深度預測方法。上述對于混凝土碳化的研究集中在碳化的發展機制和影響因素方面，多以理論研究為主，并未結合某一地域的氣候特點展開混凝土碳化深度研究。

陜北地區指的是陜西省北部的榆林市和延安市，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，年降雨量為300～600 mm，年蒸發量為1 556～1 896 mm，蒸發量遠大于降雨量，氣候較干燥，全年平均相對濕度為50%～60%。通過查閱大量的陜北地區歷史氣候資料，結合對工程實體的碳化情況實測，從碳化深度及影響因素2方面對低濕條件下混凝土的碳化情況進行分析研究，在此基礎上提出適合陜北地區氣候特點的混凝土碳化深度預測公式，并提出降低碳化影響的具體措施。

1 相對濕度和碳化深度的關系

喬永平等[12]的研究表明，相對濕度的大小決定著混凝土孔隙水飽和度的大小。相對濕度較大時，混凝土的含水率較高，CO2向混凝土內部擴散的速度將降低甚至停止，從而使混凝土的碳化速度大大降低；相對濕度較小時，混凝土處于較為干燥或是含水率較低的狀態，雖然CO2的擴散速度較快，但是由于碳化反應所需的水分不足，使得碳化速度較慢。碳化速度與相對濕度的關系呈拋物線狀，相對濕度在40%～60%時，碳化速度較快，并在50%時達到最大值。

環境相對濕度的大小決定了混凝土孔隙中能否形成液相環境，這是碳化反應能否進行的關鍵；適宜的環境相對濕度會使CO2的孔隙飽和度達到最大，這決定了碳化反應的速度；隨著碳化的進行，碳化反應本身生成的水會釋放到混凝土孔隙中，使CO2的體積分數降低，減緩了碳化反應的速度。

TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》[13]和TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》[14]提到，在碳化銹蝕為主的環境條件下，混凝土的碳化主要受制于CO2、H2O和O2的供給程度。當相對濕度較大時，特別是水位變動區和干濕交替部位，容易發生碳化銹蝕； 當相對濕度小于60%時，由于缺少水的參與，鋼筋的銹蝕較難發生；當結構處于水下或土中時，由于缺少CO2的有效補給，混凝土的碳化速度也會很緩慢。

2 低濕條件下混凝土碳化情況

2.1 低濕條件下碳化情況實測

為了力求獲得的碳化深度實測數據全面，選取了延安市宜川縣境內的幾個不同的工程結構物為測試對象，包括隧道的二次襯砌和橋梁的橋墩、承臺、橋臺。同時為了使測得的數據有可比性，測試面盡可能選擇光滑密實的混凝土表面，以排除不密實的混凝土可能造成的影響?，F場碳化測試過程如圖1所示。

(a) (b)

(c) (d)圖1 碳化測試過程照片Fig. 1 Photos of concrete carbonization test

2.1.1 段家坪隧道二次襯砌混凝土碳化情況實測

碳化深度測試段的混凝土強度等級為C40，混凝土養護齡期為29～330 d。隧道內環境較為干燥，且隧道并未貫通，因此幾乎不受外界日相對濕度變化的影響，其相對濕度大約恒定在50%～60%。碳化深度詳細測試數據見表1。

表1段家坪隧道二次襯砌混凝土碳化情況

Table 1 Concrete carbonization of secondary lining of Duanjiaping Tunnel

齡期/d碳化深度/mm測點1測點2測點3測點4測點5測點6測點7測點8回彈強度/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 仕望河特大橋橋墩混凝土碳化情況實測

碳化深度測試段的混凝土強度等級為C35，混凝土養護齡期為30～330 d，結構物所處位置露天無遮擋，其養護溫度、相對濕度隨環境溫濕度變化而變化。碳化深度詳細測試數據見表2。

表2仕望河特大橋橋墩混凝土碳化情況

Table 2 Concrete carbonization of piers of Shiwang River Grand Bridge

齡期/d碳化深度/mm測點1測點2測點3測點4測點5測點6測點7測點8回彈強度/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 西坪塬隧道二次襯砌混凝土碳化情況實測

碳化深度測試段的混凝土強度等級為C40，混凝土養護齡期為33～329 d，與段家坪隧道所處環境基本相同。碳化深度詳細測試數據見表3。

表3西坪塬隧道二次襯砌混凝土碳化情況

Table 3 Concrete carbonization of secondary lining of Xipingyuan Tunnel

齡期/d碳化深度/mm測點1測點2測點3測點4測點5測點6測點7測點8回彈強度/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 袁家河大橋橋墩混凝土碳化情況實測

碳化深度測試段的混凝土強度等級為C35，混凝土養護齡期為32～330 d，與仕望河特大橋所處環境類似。碳化深度詳細測試數據見表4。

表4 袁家河大橋橋墩混凝土碳化情況Table 4 Concrete carbonization of piers of Yuanjia River Bridge

2.2 低濕條件下影響碳化深度發展的可能因素

2.2.1 混凝土強度和碳化深度的關系

本次碳化深度測試只針對了C40和C35等級的混凝土(理論配合比見表5)，將表1—4中的數據進行計算，得出某個齡期的平均碳化深度后，重新整理(見表6)，發現在第1—6個月時，C35混凝土的平均碳化深度略高于C40，在第8—12個月時， C35混凝土的平均碳化深度接近第3—6個月時的數據，而C40混凝土碳化深度隨著齡期變長呈繼續增長趨勢。

將表1—4及表6的數據匯總，制成混凝土碳化深度-回彈強度關系圖，如圖2所示。由圖2可知： 如果忽略混凝土強度等級和齡期的不同，回彈強度越大，碳化深度越大，這是由于隨著齡期增長混凝土回彈強度和碳化深度同趨勢增長的結果； 同齡期、同強度等級的混凝土，實測回彈強度和碳化深度的發展趨勢并沒有呈現相同或相反的規律。

2.2.2 齡期和碳化深度的關系

通過對混凝土齡期和碳化深度關系的研究，國內外學者提出了多種碳化深度預測模型，目前一致認可的模型是混凝土碳化深度與碳化時間的平方根成正比：

(1)

式中：xc為混凝土碳化深度，mm；k為碳化系數，是反映混凝土碳化速度快慢的綜合參數；t為碳化時間，d。

本試驗基于在不同工程結構物上測得的碳化深度數據，結合式(1)進行統計計算，測得k≈0.312 51，那么陜北地區低濕條件下碳化深度預測公式為：

(2)

將表5中的數據進行回歸分析，當按冪函數進行趨勢預測時(見圖3)，得到的相關系數(R2≈0.727)最接近1，因此碳化深度預測回歸公式為：

y=0.103t0.713。

(3)

式中y為混凝土碳化深度，mm。

表5 C40混凝土二次襯砌及C35混凝土橋墩配合比Table 5 Mixing proportions of concrete C40 secondary lining and concrete C35 pier

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

圖2 混凝土碳化深度-回彈強度關系

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

圖3 混凝土碳化深度與齡期的關系

Fig. 3 Relationship between carbonization depth and age of concrete

式(2)和式(3)為在一定數量的實測碳化深度數據基礎上建立的預測公式，由圖3可知，式(3)的相關系數R2=0.727，為中度相關。通過式(2)和式(3)進行碳化深度計算，將得到的計算值進行對比(見表7)，由表7可知： 當齡期≤330 d時，式(2)和式(3)得到的混凝土碳化深度基本一致，但當齡期>330 d后，式(3)計算出的碳化深度值比式(2)明顯變大，不符合混凝土碳化速度逐漸變慢的規律，因此建議式(3)僅用于計算齡期≤330 d的混凝土碳化深度。在運用式(2)計算齡期>330 d的混凝土碳化深度時，應進行實體檢測以驗證結果，當發現有偏差時應進行適當修正。式(2)和式(3)對于陜北地區低濕條件下混凝土結構物的碳化深度預測有一定借鑒意義。

表7碳化深度公式計算值對比

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

齡期/d碳化深度/mm式(2)計算值式(3)計算值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 光照和碳化深度的關系

在整理表2和表4的數據時，發現橋墩的向陽面和背陰面的碳化深度似乎存在某種規律，于是重新選取袁家河大橋、店子河特大橋和仕望河特大橋的幾個結構物的向陽面和背陰面進行碳化深度測定，具體數據見表8。

表8 向陽面和背陰面混凝土碳化情況Table 8 Concrete carbonization at sunny slope and shady slope

由表8可知： 同一結構物的向陽面平均碳化深度值均大于背陰面，平均差值約為1.32 mm，因此推測光照會加速碳化的進程，并且有著較大的影響。這是因為當其他條件相同時，向陽面的溫度高于背陰面，加快了氣體擴散速度，進而導致混凝土的碳化速度加快[15]； 同時，由于碳化過程是化學反應，較高的溫度也加快了碳化反應速度，使得在經過一定時間后，混凝土向陽面和背陰面碳化深度出現了較大差異。

2.2.4 結構物位置和碳化深度的關系

比較表6中隧道和橋墩的碳化深度值可知，隨著時間的增加，隧道內混凝土的碳化深度逐漸高于橋墩。這是因為在隧道施工期間，大型機械設備及鉆爆法施工帶來了大量的熱量，并且由于洞內是一個相對封閉的環境，洞內的年平均溫度要高于洞外，故隧道內混凝土碳化反應時間更長，碳化深度更大。

2.3 低濕條件下減少或避免碳化發生的方法

關于降低碳化發生的危害方面，一般采取2種方法： 增強密實度法和高堿性環境法。

在增強密實度法應用方面，可以通過隔絕空氣來實現。實際工程中經常應用環氧厚漿涂料、硅粉砂漿和混凝土封面處理等幾種方法來減慢和阻止CO2的進入； 也可以采用SR嵌縫膏和SBS改性瀝青灌注、涂抹、封閉混凝土的表面以隔絕空氣； 也可以通過摻入活性礦物粉末，如粉煤灰、磨細礦渣粉等來改善混凝土的微結構，增加其密實度。

在高堿性環境法應用方面，可以通過調整混凝土配合比來保證一個適度的高堿性環境。現行TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》[14]中提到，混凝土最大堿含量要滿足不同設計使用年限和環境條件對應堿含量的限值要求。但從降低碳化危害的角度出發，應適當增大混凝土的堿含量，即盡量選用堿含量為0.60%～0.80%的中堿水泥，在不超過規范要求的前提下，要盡可能地提高混凝土總堿含量； 同時，應摻入適量粉煤灰，使其能起到微集料填充密實作用的同時，避免摻入太多而對Ca(OH)2等堿性物質造成過度消耗。

3 結論與討論

1)混凝土碳化速率受相對濕度的影響很大。

3)降低碳化發生的危害可采用增強密實度法和高堿性環境法。增強密實度法實為隔絕空氣； 高堿性環境法著手于混凝土配合比的調整，在密實度得到改善的混凝土中建立一個適度的高堿環境，以減少或避免混凝土碳化對耐久性的不利影響。

4)目前在混凝土碳化受光照和結構物位置的影響方面，可以進行定性的比較和分析，這對于了解混凝土的碳化規律可起到一定的借鑒作用，但還缺乏定量方面的研究及分析和計算方法，后續的研究可以圍繞著這些方面來開展。

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