保護劑對清水混凝土抗碳化性能的影響

魏 宇，陳 龐，張桂林，戎 賢，趙文忠

(1.河北工業大學，土木與交通學院，天津 300401；2.國網河北省電力有限公司,石家莊 050000)

0 引 言

清水混凝土是一次澆筑成型,不做任何外裝飾,直接采用現澆混凝土的自然表面效果作為飾面的混凝土[1]。清水混凝土直接暴露于外部環境中，空氣中CO2容易滲透到混凝土內部與堿性物質發生碳化反應生成碳酸鹽和水，從而降低混凝土堿性，破壞混凝土中鋼筋表面的鈍化膜，引發鋼筋銹蝕膨脹，降低鋼筋與混凝土界面的黏結性能，導致結構力學性能退化，甚至引發建筑結構災難性破壞[2-4]。碳化對混凝土耐久性能的影響至關重要，為此諸多學者對混凝土的抗碳化性能做出了研究。Shah等[5]利用混凝土的彎曲度和水泥含量推導出抗碳化系數來測量混凝土抗碳化性能，為繁瑣和耗時的碳化試驗提供了一種替代方法。Cai等[6]通過對比試驗，找出了清水混凝土在不同配合比下抗碳化性能的差異。Lollini等[7]研究了超過12年養護齡期的不同黏結劑、水膠比和養護條件下的混凝土碳化情況，研究表明黏合劑類型和水膠比對碳化深度的影響有著關鍵的作用。Huy等[8]研究了不同氣候對混凝土抗碳化性能的影響，結果表明降雨天數相較于氣候對碳化深度的影響更為顯著。此外，碳化會影響清水混凝土表面色差，從而影響清水混凝土的美觀。李剛等[9]采用圖像灰度標準差來描述碳化前后的清水混凝土表面色差情況，探究了混凝土強度等級和碳化時間對清水混凝土表面色差的影響。

提高清水混凝土的抗碳化性能并保持美觀的主要手段就是對清水混凝土表面涂刷清水混凝土保護劑[10]，因此開展清水混凝土保護劑對清水混凝土抗碳化性能影響的研究至關重要。目前市場上廣泛使用的保護劑種類有丙烯酸類和有機硅類[11]，他們在增加清水混凝土抗碳化性能方面均有效果，但缺乏實驗數據的量化分析。

為精確確定清水混凝土保護劑對清水混凝土抗碳化性能的影響，首先，以C40混凝土作為基準試件，研究了市場上兩種常見的清水混凝土保護劑的類型、保護劑厚度、碳化時間、養護齡期對清水混凝土抗碳化性能的影響。其次，提出了修正的清水混凝土碳化深度計算模型，該模型考慮了清水混凝土保護劑類型和厚度的影響，進而能為涂抹保護劑的清水混凝土碳化深度預測提供依據。

1 實 驗

1.1 試驗材料

水泥選用冀東牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料選用河砂，細度模量為2.6，容重為2 480 kg/m3；粗骨料選用5～20 mm連續級配碎石；試驗用水為天津市自來水；外加劑為聚羧酸高效減水劑?；炷翉姸劝碈40配制，水灰比為0.5，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗設計

試驗考慮了養護齡期、碳化時間、保護劑類型、保護劑厚度對清水混凝土碳化深度的影響。養護齡期設定為7 d、14 d和28 d三檔，碳化時間設定為7 d、14 d、21 d和28 d四檔，保護劑類型為成膜型保護劑、滲透型保護劑和兩種保護劑復合使用三檔，保護劑厚度為0層、1層和2層。具體試驗方案設計如表2所示。表中編號由3部分組成：養護齡期-碳化時間-保護劑類型和厚度，以Ct7-Et28-Fi1為例，其含義為清水混凝土養護齡期為7 d，碳化時間為28 d，采用成膜型保護劑，保護劑涂抹厚度為1層。

表2 試驗方案Table 2 Test project

續表

1.3 試驗準備

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm立方體，為了不影響清水混凝土表面保護劑的涂抹以及對試件抗碳化性能的影響，在澆筑時模具中不涂刷脫模劑[12]。試驗用清水混凝土保護劑為丙烯酸類成膜型保護劑和水溶性有機硅類滲透型保護劑。

試塊拆模后放入標準養護室養護(溫度20 ℃、相對濕度95%)，到達相應養護齡期時將試件從標準養護室中取出，然后在60 ℃溫度下烘干48 h[13]，取出試件準備涂刷清水混凝土保護劑，步驟如下：

(1)選取養護烘干完成的混凝土試件中相對較好的兩個對面作為碳化面，對其表面進行打磨，避免出現蜂窩、孔洞和棱角等缺陷，清理干凈準備下一步試驗。

(2)留下打磨好的兩個對面，對其余4個面采用加熱石蠟密封處理，待石蠟干燥之后開始進行清水混凝土保護劑涂刷，石蠟密封處理后的試件如圖1所示。

圖1 石蠟密封處理后的試件Fig.1 Specimens sealed with paraffin

(3)對未封蠟面涂刷清水混凝土保護劑，試驗中保護劑的厚度不宜控制，所以用保護劑涂抹層數替代保護劑厚度以定性分析保護劑對清水混凝土碳化深度的影響，依據產品使用說明，單層清水混凝土保護劑涂刷300 g/m2，保證涂刷均勻且不遺漏。第二層清水混凝土保護劑涂刷時，確保第一層保護劑已經干燥，不影響后續涂刷。復合涂刷為先涂刷滲透型保護劑，再涂刷成膜型保護劑，第二層保護劑同樣涂刷300 g/m2。涂刷保護劑之后的試件如圖2所示，左側為涂刷滲透型保護劑的試件，右側為涂刷成膜型保護劑的試件，可見滲透型保護劑可以快速滲入到試件內部，而成膜型保護劑干燥緩慢。

圖2 涂刷保護劑的試件Fig.2 Specimens coated with protective agent

(4)清水混凝土試件表面的石蠟和清水混凝土保護劑全部涂刷完畢后，放置干燥環境中待清水混凝土保護劑和石蠟完全干燥后備用。

1.4 混凝土碳化試驗

根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[14]進行碳化試驗，具體試驗步驟如下：

(1)每種編號準備3塊混凝土試件設置為一組，在未封蠟處理的對面上用筆以10 mm為間距畫出平行線，作為預定碳化深度的測量點[15]。

(2)把試件放入混凝土碳化試驗箱中，各試塊間距大于50 mm，控制混凝土碳化試驗箱參數，CO2濃度為(20±3)%，相對濕度為(70±5)%，溫度為(20±5) ℃。

(3)到達預定碳化時間取出相應的混凝土試塊，垂直提前畫好的平行線并在試塊中部劈開，測定其碳化深度，一個試塊只做一次檢驗，在切開的混凝土裸露部分噴灑1%濃度的酚酞乙醇溶液，30 s后用鋼尺測量出各測量點的碳化深度，精確至0.5 mm，噴灑酚酞之后的試件如圖3所示。

圖3 噴灑酚酞之后的試件Fig.3 Specimens sprayed with phenolphthalein

(4)平均碳化深度按式(1)計算。

(1)

2 結果與討論

2.1 涂層類型對清水混凝土碳化深度的影響

清水混凝土涂層類型對清水混凝土碳化深度的影響如圖4所示，圖中試件的涂層厚度均為1層，養護時間均為28 d?？梢钥闯銮逅炷帘Ｗo劑可有效降低清水混凝土碳化深度，成膜型保護劑比滲透型保護劑降低碳化深度更為有效，基準件與涂抹保護劑試件的碳化深度均隨著碳化時間的延長而增加。碳化時間為7 d時，涂滲透型保護劑的試件和涂成膜型保護劑的試件碳化深度分別為基準件的81%和28%。碳化時間為28 d時，涂滲透型保護劑試件和涂成膜型保護劑試件碳化深度分別為基準件的85%和41%。其原因是成膜型清水混凝土保護劑主要成分為丙烯酸，當涂到試塊表面時會形成一層致密的保護膜，屬于物理防護，而滲透型清水混凝土保護劑本質上為硅烷，滲透到混凝土內部時與混凝土內的水反應從而水解為以Si—O—Si為主鏈的憎水層，屬于化學防護[16]。相較于憎水層，致密的保護膜可以更加有效地阻止空氣中CO2以及水分的進入，從而降低CO2的碳化作用，故成膜型保護劑的抗碳化效果優于滲透型保護劑的抗碳化效果。

圖4 涂層類型對清水混凝土碳化深度的影響Fig.4 Effect of coating type on carbonation depth of fair-faced concrete

2.2 涂層厚度對清水混凝土碳化深度的影響

圖5為清水混凝土涂層厚度對清水混凝土碳化深度的影響，圖中所有試件養護齡期均為28 d，碳化時間均為28 d，復合涂抹試件為先涂抹滲透型保護劑1層，再涂抹成膜型保護劑1層。如圖所示，涂抹2層清水混凝土保護劑試件碳化深度均小于1層涂抹的試件，多層涂抹滲透型保護劑對降低清水混凝土碳化深度效果更為顯著。清水混凝土復合涂抹滲透型保護劑和成膜型保護劑效果介于單獨涂抹2層滲透型保護劑和單獨涂抹2層成膜型保護劑之間，其原因為涂抹成膜型保護劑抗碳化效果優于滲透型保護劑，因此復合涂抹2層保護劑抗碳化效果優于2層單刷滲透型保護劑，同理復合涂抹2層保護劑效果低于2層單刷成膜型保護劑，即復合涂抹2層保護劑的效果介于兩者中間。涂抹2層成膜型保護劑碳化深度為1層涂抹試件的85%，抹2層滲透型保護劑碳化深度為1層涂抹試件的65%。

圖5 涂層厚度對清水混凝土碳化深度的影響Fig.5 Effect of coating thickness on carbonation depth of fair-faced concrete

2.3 碳化時間對清水混凝土碳化深度的影響

碳化時間對清水混凝土碳化深度的影響如圖6所示，圖中所有試件養護齡期均為28 d，涂抹清水混凝土保護層厚度均為1層?？梢钥闯?，混凝土碳化深度隨碳化時間的增加而增加，碳化時間為28 d時，基準件、涂成膜型保護劑的試件、涂滲透型保護劑的試件碳化深度分別為碳化時間為7 d時的2.38倍、3.57倍和2.52倍。隨著碳化時間的延長，更多的CO2侵入到清水混凝土材料中，進而增加了清水混凝土碳化深度[17]。同時可以看出，隨著碳化時間的延長，滲透型清水混凝土保護劑有略微失效的趨勢，其原因為滲透型保護劑主要成分為水溶性有機硅，其作用機理為滲透型保護劑與混凝土內部自由水結合，生成以Si—O—Si為主鏈的憎水層，屬于化學防護，隨著時間延長，以Si—O—Si為主鏈的憎水層會少量發生分解反應，進而降低了滲透型保護劑的保護效果，使得涂抹滲透型保護劑28 d碳化深度與7 d碳化深度的比值較基準件略大，因此清水混凝土保護劑的有效期值得進一步研究。

圖6 碳化時間對清水混凝土碳化深度的影響Fig.6 Effect of exposure time on carbonation depth of fair-faced concrete

2.4 養護齡期對清水混凝土碳化深度的影響

養護齡期對清水混凝土碳化深度的影響如圖7所示，圖中所有試件碳化時間均為28 d，涂抹清水混凝土保護層厚度均為1層?？梢钥闯?，對比基準試件和涂抹清水混凝土保護劑試件，清水混凝土碳化深度均隨養護齡期的增加而降低，其原因是隨著混凝土養護齡期的增長，混凝土中水分降低，混凝土強度逐漸增加，導致空氣中CO2難以滲透到混凝土內部與其內部堿性物質發生碳化反應，進而提高了混凝土的抗碳化性能[18]?？梢钥闯觯B護齡期為28 d時，基準件、涂成膜型保護劑試件、涂滲透型保護劑試件的碳化深度分別為養護齡期為7 d時試件的87%、59%和88%，說明涂抹滲透型清水混凝土保護劑與混凝土養護齡期無明顯相互影響，而涂抹成膜型清水混凝土保護劑和養護齡期存在耦合影響，因此提高養護齡期并涂抹成膜型清水混凝土保護劑可進一步降低清水混凝土碳化深度。

圖7 養護齡期對清水混凝土碳化深度的影響Fig.7 Effect of curing age on carbonation depth of fair-faced concrete

3 考慮涂層影響的清水混凝土碳化深度模型

CECS 220—2007《混凝土結構耐久性評定標準》[19]給出了普通混凝土的碳化深度隨著混凝土碳化時間發展的計算公式，見式(2)。利用式(2)得到的涂抹1層與2層清水混凝土保護劑試件碳化深度對比如圖8所示，可以看出式(2)未能準確預測涂抹保護劑的清水混凝土碳化深度。以式(2)為基礎，引入清水混凝土保護劑影響系數，該系數考慮了保護劑的種類和層數，回歸分析得考慮涂層影響的清水混凝土碳化深度預測模型，如式(3)～(5)所示。修正的清水混凝土碳化深度計算模型與試驗值對比如圖8所示，修正前R2分別為0.95和0.70，修正后R2均大于0.97，可以看出修正模型可準確預測涂抹保護劑的清水混凝土碳化深度，可為涂抹保護劑的清水混凝土碳化深度預測提供依據。

圖8 修正公式與已有公式對比Fig.8 Comparison of modified formula with existing formula

(2)

(3)

成膜型保護劑：KM(t)=a0.21t0.39

(4)

滲透型保護劑：KM(t)=b(0.002 2t2-0.06t+1.67)

(5)

4 結 論

(1)丙烯酸類成膜型保護劑抗碳化效果優于水溶性有機硅類滲透型保護劑。涂抹2層滲透型保護劑試件較涂1層仍可大幅度降低清水混凝土碳化深度，而涂抹2層成膜型保護劑試件較涂1層僅略微降低清水混凝土碳化深度，復合涂抹保護劑效果介于兩種保護劑單獨涂抹之間。

(2)基準件和涂抹保護劑試件的碳化深度均隨碳化時間的延長而增加，滲透型保護劑隨碳化時間延長有略微失效的趨勢?；鶞始屯磕ūＷo劑試件碳化深度均隨養護齡期的增加而降低，養護齡期和滲透型保護劑獨立發揮作用，而養護齡期和成膜型保護劑相互影響，兩者作用可進一步降低清水混凝土碳化深度。

(3)提出了考慮清水混凝土保護劑類型和厚度影響的修正清水混凝土碳化深度計算模型，為涂抹保護劑的清水混凝土碳化深度預測提供依據。