考慮碳化作用的水工混凝土耐久性研究

車 明 杰

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

混凝土碳化導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕是常見的混凝土破壞現(xiàn)象之一,水利工程的運(yùn)行環(huán)境大多比較嚴(yán)酷,因此水利工程中的混凝土結(jié)構(gòu)更容易因老化而造成破壞,水工混凝土出現(xiàn)開裂、鋼筋銹蝕、表面剝落的現(xiàn)象十分常見,有的甚至非常嚴(yán)重,直接影響結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,中國(guó)每年需投入大量資金對(duì)水利工程進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。根據(jù)對(duì)全國(guó)小型水工混凝土構(gòu)筑物進(jìn)行破壞調(diào)查發(fā)現(xiàn),鋼筋混凝土水閘的閘墩、胸墻、梁等重要結(jié)構(gòu)破壞的比例接近50%,鋼筋混凝土壩體出現(xiàn)破壞的比例也超過10%,因此水工混凝土的老化破壞必須給與高度重視。水工混凝土的耐久性及工作壽命直接影響著水利工程的安全運(yùn)行,筆者通過試驗(yàn)測(cè)試不同配合比水工混凝土的碳化深度,并分析碳化深度與混凝土配合比的關(guān)系,可為研究水工混凝土耐久性、預(yù)測(cè)水工混凝土壽命提供研究基礎(chǔ)。

1 水工混凝土的碳化機(jī)理

1.1 混凝土碳化的基本理論

混凝土碳化是指混凝土中的碳酸化反應(yīng)生成碳酸鹽,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的酸堿度發(fā)生變化。在大氣環(huán)境下,室外空氣中的二氧化碳濃度為380×10-6,室內(nèi)空氣中二氧化碳濃度為1 000×10-6,與空氣中的水共同發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致混凝土pH值降低,化學(xué)反應(yīng)方程式如下式:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

(3CaO·SiO2·3H2O)+3CO2→(3CaCO3·2SiO2·3H2O)

(2)

3CaO·SiO2+3CO2+γH2O→SiO2·γH2O+3CaCO3

(3)

2CaO·SiO2+2CO2+γH2O→SiO2·γH2O+2CaCO3

(4)

1.2 水工混凝土碳化的影響因素

水工混凝土碳化的影響因素主要包含:①水泥品種、水泥用量;②水灰比;③摻合料;④外加劑;⑤骨料品種;⑥養(yǎng)護(hù)方式;⑦溫度;⑧濕度;⑨有害氣體的成分、濃度;地下水環(huán)境;混凝土的應(yīng)力狀態(tài)[1]。

筆者主要探究水灰比及外加劑兩個(gè)影響因素與碳化深度之間的關(guān)系。

1.3 碳化區(qū)的劃分

水工混凝土發(fā)生碳化后,氫氧化鈣會(huì)因碳化反應(yīng)被消耗,因此混凝土碳化區(qū)域的pH值會(huì)降低,從混凝土表面到內(nèi)部區(qū)域pH值的分布逐漸增大。可將混凝土碳化區(qū)域分成兩大區(qū)域:完全碳化區(qū)和部分碳化區(qū),完全碳化區(qū)的pH值一般為7左右,部分碳化區(qū)pH值一般(7

1.4 碳化區(qū)域的物質(zhì)組成

(1)根據(jù)混凝土碳化化學(xué)反應(yīng)方程式可知,碳化反應(yīng)是pH值降低的過程,氫氧化鈣導(dǎo)致pH值變化的關(guān)系見下式[2]:

pH=14+lg(4.32×10-2/[Ca(OH)2)]/[Ca(OH)2]0)

(5)

式中 [Ca(OH)2]為碳化混凝土內(nèi)氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]0為未碳化混凝土內(nèi)氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3。

(2)國(guó)外研究學(xué)者建立的碳化模型,其中二氧化碳濃度、氫氧化鈣濃度及pH值的化學(xué)反應(yīng)方程見下式:

(6)

(7)

(8)

式中x為碳化區(qū)某點(diǎn)到混凝土表面的距離,m;t為碳化時(shí)間,s;[CO2]為混凝土中二氧化碳的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]為混凝土中氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3;[CSH]為混凝土中水化硅酸鈣的摩爾濃度,mol/m3;KCH、KCSH為氫氧化鈣與水化硅酸鈣的碳化反應(yīng)速率常數(shù),m3/(mol·s)。

上述三個(gè)偏微分方程的前提條件:

在x=0處,

[CO2]=[CO2]0

(9)

在混凝土構(gòu)件中軸線處,

(10)

初始條件為t=0時(shí):

[CO2]=0

(11)

[Ca(OH)2]=[Ca(OH)2]0

(12)

[CSH]=[CSH]0

(13)

式中 [CO2]0為二氧化碳的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]0、[CSH]0為未碳化混凝土中氫氧化鈣、水化硅酸鈣的摩爾濃度,mol/m3。

2 水工混凝土碳化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)水工混凝土設(shè)計(jì)、試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范開展此次試驗(yàn)研究工作。

2.2 材料選取

(1)水泥

P·O52.5硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰

選用的粉煤灰主要指標(biāo)為:水分含量3%;燒失量3.64%;需水量比94%;細(xì)度18;三氧化硫含量12%[3]。

(3)細(xì)骨料(砂)

選用細(xì)骨料為中砂,砂料為河砂。

(4)粗骨料

選用粗骨料粒徑5～35 mm,品種為卵石。

(5)外加劑

外加劑選用聚羧酸系高效減水劑、液體三萜皂甙引氣劑[4]。

(6)砂率

根據(jù)此次試驗(yàn)情況進(jìn)行混凝土試拌,水灰比為0.4,得出此次試驗(yàn)砂率為0.34,砂率測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 砂率測(cè)試結(jié)果

2.3 配合比設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)主要配置5組不同水灰比試件及5組不同減水劑摻量試件,水工混凝土配合比見表1。

表1 水工混凝土配合比

2.4 試驗(yàn)步驟

碳化試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行[5]:

(1)首先混凝土試件先經(jīng)過處理后放入碳化試驗(yàn)箱內(nèi),試件間距應(yīng)不小于5 cm。

(2)碳化試驗(yàn)箱應(yīng)進(jìn)行密封,打開二氧化碳充氣閥門,應(yīng)調(diào)節(jié)閥門開度控制流量,保證碳化試驗(yàn)箱內(nèi)二氧化碳濃度為(0%±3%)并在箱內(nèi)放入去濕硅膠。

(3)在試驗(yàn)的前48 h,應(yīng)每隔2 h測(cè)量二氧化碳濃度及溫濕度,超過48 h后每4 h測(cè)量一次,根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)二氧化碳濃度、溫度及濕度。

(4)測(cè)定碳化深度應(yīng)在混凝土齡期3 d、7 d、14 d及28 d進(jìn)行,此次試驗(yàn)采用棱柱體試件,按照每次切開棱柱體長(zhǎng)度的一半進(jìn)行破型,切開的斷面保留一半用石蠟進(jìn)行密封,再繼續(xù)進(jìn)行下一周期試驗(yàn)。

(5)取出的一半試件,首先進(jìn)行斷面清理,確保斷面無殘留的粉末,再斷面上噴灑酚酞酒精(濃度1%),放置30 s后,用直尺測(cè)量斷面碳化深度,遇到粗骨料影響測(cè)量時(shí),取粗骨料兩端碳化深度均值作為測(cè)量值,測(cè)量精度為1 mm。

(6)記錄每個(gè)測(cè)定齡期的碳化深度,將同配合比不同組試件(一般為3組)碳化深度測(cè)量值求平均值,計(jì)算精度為0.1 mm,以此值為混凝土的碳化深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案得出此次試驗(yàn)不同配合比碳化試驗(yàn)結(jié)果,混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果 /mm

3.1 不同水灰比與碳化深度的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,混凝土的碳化深度隨著水灰比的增大而增大,因?yàn)榛炷了冶鹊脑龃笾饕憩F(xiàn)為用水量的增大,在混凝土凝固過程中水分會(huì)大量蒸發(fā)從而在混凝土內(nèi)部形成細(xì)小孔洞或毛細(xì)管路,這些孔洞和管路會(huì)促進(jìn)二氧化碳在混凝土中擴(kuò)散,最終導(dǎo)致混凝土碳化的加速。碳化深度—水灰比關(guān)系曲線見圖2。

圖2 碳化深度—水灰比關(guān)系曲線(28 d)

3.2 不同減水劑摻量與碳化深度的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,隨著減水劑的摻量增大,混凝土的碳化深度也逐步增大,以減水劑摻量1%作為臨界點(diǎn),當(dāng)摻量低于1%時(shí),隨著減水劑摻量增大,碳化深度增大速度較快,當(dāng)摻量高于1%時(shí),隨著減水劑摻量增大,碳化深度增大速度較為緩慢甚至出現(xiàn)不增大的情況。因?yàn)榫埕人釡p水劑同時(shí)具有引氣功能,減水劑摻量增大,混凝土內(nèi)部的也會(huì)形成更多的孔隙,孔隙之間連通后會(huì)促進(jìn)二氧化碳在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散進(jìn)而加速碳化,但減水劑摻量超過最佳摻量后,引氣效果不會(huì)再持續(xù)增加,則減水劑的摻量增大對(duì)碳化作用影響趨于平穩(wěn)。碳化深度—減水劑摻量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 碳化深度—減水劑摻量關(guān)系曲線(28 d)

4 結(jié) 語

根據(jù)此次試驗(yàn)及分析結(jié)論可以得出,在實(shí)際水利工程應(yīng)用過程中應(yīng)盡量避免使用大水灰比的水工混凝土,以減少混凝土碳化破壞的風(fēng)險(xiǎn),混凝土減水劑最佳摻量應(yīng)以實(shí)際混凝土試驗(yàn)結(jié)果確定,當(dāng)減水劑摻量超過一定比例后對(duì)混凝土的碳化耐久性無顯著的積極影響。