對普通混凝土碳化的初步研究

王洪玲，李 坤

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 前 言

眾所周知，交通運(yùn)輸對一個(gè)國家的政治、文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步有極其重要的作用。在近幾年我國交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與飛速發(fā)展下，交通運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)建設(shè)也得到了越來越多的完善，高速公路、公路橋梁、公路隧道等數(shù)量在不斷增長[1]。伴隨著政府針對鄉(xiāng)村橋梁安全隱患情況的排查，橋梁自身的各類病害逐漸暴露于人們的視野之中。1984年世界各地大氣中的CO2的平均濃度是343 ppm， 2008年CO2的濃度上升到394 ppm，隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)2090年全球CO2的平均濃度將會(huì)迅速提高到1 000 ppm，空氣中的CO2濃度正呈現(xiàn)一種逐年上升的趨勢[2-4]。

混凝土碳化分為兩個(gè)過程，第一部分是指大氣中CO2滲透到混凝土內(nèi)與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土堿性下降，該部分又稱為混凝土的中性化；第二部分是指當(dāng)碳化深度超過混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜被破壞，在水和空氣存在的條件下鋼筋表面開始生銹。

鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的主要原因，主要表現(xiàn)為鋼筋銹蝕表面膨脹，從而與保護(hù)層脫落。然后隨著鐵銹的繼續(xù)膨脹，混凝土被破壞出現(xiàn)裂縫，鋼筋不斷銹蝕，橋梁有效截面減小，承載能力不斷降低，直至橋梁喪失基本承載能力。因此，混凝土碳化問題必須引起人們的足夠重視[3]。

1 混凝土碳化機(jī)理

混凝土碳化是混凝土作為強(qiáng)堿性材料發(fā)生的一種化學(xué)腐蝕反應(yīng)，同時(shí)混凝土包裹在鋼筋外可以提高結(jié)構(gòu)耐久性，防止鋼筋被高溫破壞。混凝土是一種多孔體材料，表面和內(nèi)部布滿孔隙，具有很強(qiáng)的吸濕性和滲透性，大氣中的CO2滲透到混凝土內(nèi)與氫氧化鈣、水化硅酸鈣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，降低混凝土堿性，當(dāng)碳化深度大于混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，在潮濕條件下就會(huì)對鋼筋失去保護(hù)作用，鋼筋表面開始生銹[3]。反應(yīng)過程如下：

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

3CaO·2siO2·3H2O+3CO2→3CaCO3.2siO2·3H2O

(2)

C3S+3CO2+γH2O→SiO2·γH2O+3CaCO3

(3)

C2S+2CO2+γH2O→SiO2·γH2O+2CaCO3

(4)

2 混凝土碳化的影響因素

混凝土碳化是指CO2進(jìn)入混凝土，與pH值為12～13的Ca( OH)2反應(yīng)生成鹽類導(dǎo)致pH下降為8.5左右。因此，混凝土的碳化主要取決于CO2的傳播速度以及CO2與混凝土內(nèi)部成分的反應(yīng)，而CO2的傳播速度又與混凝土的本身的特點(diǎn)相互影響。所以混凝土的碳化的影響因素主要是大氣環(huán)境因素，混凝土材料因素以及施工因素等[4-5]。

2.1 大氣環(huán)境因素

1)相對濕度。混凝土的碳化反應(yīng)本質(zhì)上是一種釋放水的過程，并且相對濕度的大小決定著混凝土孔隙水的飽和度大小。相對濕度較小時(shí)，混凝土較為干燥，混凝土進(jìn)行碳化反應(yīng)所需要的水分不足，因此，碳化程度和碳化速度都較小。相對濕度較高時(shí)，碳化反應(yīng)生成的水會(huì)抑制碳化反應(yīng)，混凝土內(nèi)部水分會(huì)阻礙CO2的擴(kuò)散，抑制CO2與混凝土的中性化反應(yīng)，從而降低碳化速度。在相對濕度為40%～60%時(shí)，混凝土的碳化速度較快，其中環(huán)境相對濕度為50%左右時(shí)混凝土的碳化速度最快[6]。并且，清華大學(xué)提到環(huán)境相對濕度對碳化的影響表達(dá)式可認(rèn)為：

(5)

2)溫度。由物理學(xué)知識(shí)可知，溫度會(huì)影響離子運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，CO2在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散速度上升，混凝土抗碳化能力下降[7]。若混凝土表面溫度驟降，混凝土表面將會(huì)產(chǎn)生拉力，當(dāng)拉力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面開裂，形成裂縫或?qū)е禄炷帘砻婷撀洹４藭r(shí)，外界CO2和水分的進(jìn)入將會(huì)更加容易，混凝土碳化速度加快。此外，蔣清野[6]提到溫度對混凝土碳化的影響表達(dá)式可以為：

(6)

3)二氧化碳濃度。空氣中的CO2濃度可以分為室內(nèi)CO2濃度與室外CO2濃度，基于Fick第一擴(kuò)散定律可知[8-9]：

(7)

式中，DC為CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；C0為混凝土表面 CO2濃度；X為時(shí)間 t 時(shí)的碳化深度；M0為混凝土結(jié)合 CO2能力；T為碳化時(shí)間；K為碳化速度系數(shù)。

因此，可認(rèn)為CO2濃度越高，混凝土碳化速度越快。

綜合環(huán)境溫度和相對濕度對混凝土碳化的影響，可用Ke定義為環(huán)境因子，且[10]：

(8)

2.2 混凝土材料性能因素

1)水灰比大小。采用同等質(zhì)量的混凝土，混凝土的水灰比越大，則內(nèi)部的孔隙率越大，透氣性較好，混凝土密實(shí)度降低，有利于CO2的滲入。水灰比越大，單位水泥的用量就越少，那么混凝土單位體積內(nèi)的Ca( OH)2的含量就越少，混凝土的孔隙率就越大。因此，CO2的擴(kuò)散阻力就越小，從而加快混凝土碳化速度[4]。

2)水泥品種。不同品種的水泥的混合材摻量和品種有所不同，后續(xù)混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)的量也有所不同，因此為碳化反應(yīng)提供的可碳化的堿性物質(zhì)的量也不同，從而導(dǎo)致混凝土碳化的速度也有多差別。在同一條件下，混凝土的碳化速度可用其摻合料表示為，高爐礦渣水泥>普通硅酸鹽水泥>早強(qiáng)水泥，其中，鋼筋在爐渣水泥混凝土的銹蝕速度比在同一試驗(yàn)條件下的普通硅酸鹽混凝土高90%左右[4，11]。

3)水泥用量。水泥用量與混凝土中堿性物質(zhì)的含量以及孔溶液中PH值有關(guān)，水泥用量越多，混凝土中堿含量越高，孔溶液的PH值也越高，同時(shí)混凝土的密實(shí)度不斷增大，CO2向混凝土內(nèi)部滲透速度降低，因而混凝土的碳化速度降低[3，12]。

4)摻合料。混凝土中的摻合料一般是用來等量地替代水泥，從而降低水泥的用量，進(jìn)一步增大水灰比，提高混凝土碳化速度[12]。一方面，粉煤灰等摻合料與水泥共同作用，優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度，從而降低碳化速度；另一方面，隨著摻合料的逐漸增多，水灰比逐漸增大，混凝土抗碳化能力降低。

5)外加劑。常見的混凝土外加劑一般為引氣劑、減水劑和膨脹劑，引氣劑會(huì)在混凝土內(nèi)部引入大量的孔，從而加速CO2氣體的滲入，加快了混凝土碳化的速度。減水劑會(huì)增加混凝土的和易性，使混凝土密實(shí)度增加，從而阻礙CO2的滲入，進(jìn)而降低了混凝土的碳化速度[13]。而加入膨脹劑，會(huì)使混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)膨脹進(jìn)而填充和堵塞混凝土內(nèi)部的孔隙，增加混凝土的密實(shí)度，降低混凝土碳化速度。

6)骨料性質(zhì)。輕質(zhì)骨料氣泡多，透氣性大；天然砂、碎石透氣性小于水泥漿體，故輕骨料混凝土的碳化速度快。粗骨料的粒徑較大，提高了混凝土的孔隙率和滲透性，而輕骨料的孔隙較多，增加了CO2的擴(kuò)散路徑，加快了混凝土碳化速度，因此，材質(zhì)堅(jiān)硬、級(jí)配較好的骨料生產(chǎn)的混凝土滲透性較低，從而降低了碳化速度[3]。

混凝土抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)混凝土的綜合性能，混凝土的抗壓強(qiáng)度越高則碳化速度越慢。牛荻濤[14]利用了64組國內(nèi)外實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，通過回歸分析，得出了混凝土抗壓強(qiáng)度與混凝土碳化速度系數(shù)的關(guān)系滿足以下表達(dá)式：

(9)

式中，Kf為混凝土抗壓強(qiáng)度控制的碳化速度系數(shù)；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 施工因素

施工因素主要是指混凝土的養(yǎng)護(hù)條件、攪拌和振搗情況，一般通過影響混凝土的密實(shí)性來影響混凝土的碳化速度。一般來說，施工質(zhì)量越好，混凝土強(qiáng)度越高，整體密實(shí)性越好，抗碳化能力越高；而施工質(zhì)量差，混凝土內(nèi)部裂縫、孔洞會(huì)增加CO2在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散途徑，從而加快擴(kuò)散速度。

3 混凝土碳化深度預(yù)測模型

根據(jù)影響混凝土碳化的主要因素分析，牛荻濤[14]建立了碳化深度預(yù)測的多系數(shù)隨機(jī)過程模式,即：

(10)

綜合上述分析，混凝土碳化系數(shù)的隨機(jī)模型可以表示為：

(11)

式中，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是隨機(jī)變量；mc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之比。

混凝土保護(hù)層厚度c是一個(gè)隨機(jī)變量，服從正態(tài)分布，概率密度函數(shù)為[16]：

(12)

式中，μc為混凝土保護(hù)層厚度的平均值，σc為混凝土保護(hù)層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差。

在大氣環(huán)境因素和混凝土自身因素等隨機(jī)因素作用下，混凝土的實(shí)際碳化深度體現(xiàn)了隨機(jī)性，并且混凝土的碳化過程也會(huì)呈現(xiàn)隨機(jī)性，碳化深度的一維概率密度可以表示為[16-17]：

(13)

式中，μt函數(shù)為混凝土碳化深度的平均值；而σt函數(shù)為混凝土碳化深度的標(biāo)準(zhǔn)差，并且滿足下列關(guān)系：

(14)

(15)

式中，μk為碳化系數(shù)均值；σk為碳化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；t為公路橋梁服役時(shí)間。

令混凝土保護(hù)層被完全破壞的時(shí)間為t1，混凝土開始碳化到混凝土保護(hù)層被完全破壞的過程為ε(t1)：

ε(t)=c-X(t)

(16)

當(dāng)t=t1時(shí)，混凝土保護(hù)層被完全破壞，混凝土碳化進(jìn)入第二部分，鋼筋表面鈍化膜被破壞，在水和空氣存在的條件下，鋼筋表面開始生銹，混凝土保護(hù)層達(dá)到其壽命。

式中，c為混凝土保護(hù)層厚度；X(t)為混凝土碳化深度，隨機(jī)過程；ε(t)為混凝土碳化壽命準(zhǔn)則，隨機(jī)過程。

4 工程實(shí)例計(jì)算

西北地區(qū)某跨度60 m的鋼筋混凝土拱橋主拱拱肋混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為300號(hào), 檢測時(shí)已使用45年。CO2濃度為0.04%,年均溫度9.6℃,年均相對濕度61%。對拱肋腹板進(jìn)行的現(xiàn)場測試結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度服從正態(tài)分布N(31.278、2.312 MPa),推定強(qiáng)度28 MPa拱肋腹板箍筋保護(hù)層厚度和碳化深度均服從正態(tài)分布,其中,保護(hù)層厚度服從 N (17.788、3.987 mm)碳化深度服從N(12.53、4.08 mm)[10,17]。

由上述可知：

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用多方面實(shí)際調(diào)查結(jié)果，綜合分析混凝土碳化的影響因素，在牛荻濤碳化模型的基礎(chǔ)之上，與混凝土碳化深度隨機(jī)過程和混凝土保護(hù)層厚度相結(jié)合，建立混凝土保護(hù)層壽命預(yù)測模型，共同分析預(yù)測出混凝土保護(hù)層被完全破壞的時(shí)間，即混凝土保護(hù)層壽命。

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