干燥環境下粉煤灰混凝土表面假性碳化研究

傅國鋒

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000）

混凝土作為一種工程中廣泛運用的材料，從19 世紀出現起，就成為了土木工程行業中最主要的材料之一。目前工程中使用回彈法進行混凝土強度的檢測最為普遍，由于混凝土表面的碳化，JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[1]規定要對混凝土碳化深度進行測量。JGJ/T 23—2011 中規定，碳化測量要測在已碳化與未碳化的清晰界面上。因此，準確測量碳化深度，對于使用回彈法準確推定混凝土強度具有重要意義。

在碳化深度的測量過程中，童壽興[2]發現用廢機油或酸性脫模劑成型的混凝土，其表層存在假性碳化現象，該現象是堿性混凝土受到酸性脫模劑所產生的中性化反應。其表層并未發生碳化現象，故規范在使用過程中存在檢測強度評判的誤區。常新偉等[3]認為準確測量回彈強度可能受到裝修層、環境溫度、濕度和CO2含量等多方面的影響。但其未對各種影響因素可能造成的影響進行具體研究。牛荻濤[4]對碳化試件由外向內鉆取粉樣，繪制CaCO3含量分布曲線，將碳化分為表層、完全碳化區、不完全碳化區、未碳化區。王青等[5]認為利用酚酞測試混凝土碳化深度值介于完全碳化和未完全碳化深度之間，其值約為完全碳化區長度的2 倍。

混凝土中摻合料的使用，將顯著降低混凝土的造價，帶來巨大的經濟效益。然而，摻入的摻合料對混凝土的碳化也有一定的影響。杜晉軍等[6]研究了低水膠比的混凝土，粉煤灰摻量在小于30%和大于30%時對混凝土碳化的影響。劉繼狀等[7]認為混凝土碳化深度值和碳化速率均隨粉煤灰摻量增加而增加，混凝土碳化深度值隨水膠比增加而增大。李斌等[8]認為隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土碳化的深度也越來越大，而且由于粉煤灰摻量增大，混凝土碳化的速度也變得越快，但增長趨勢隨著時間的增加變得越來越平緩。

綜上，假性碳化、不完全碳化以及摻合料都會對混凝土碳化產生影響。在中國西北等干燥地區，現場檢測粉煤灰混凝土碳化深度的測量上，出現了諸多假性碳化現象。為此，本文從宏觀上將假性碳化深度對強度的影響結合微觀上混凝土所產生的化學反應進行說明，為工程環境中的混凝土回彈法檢測提供一定的參考。

1 試驗方法

本文采用對干燥環境下不同齡期的粉煤灰混凝土的標準試塊以及現場實體墩柱進行檢測，同時設置標準養護下的試塊作為對照，以反映不同齡期的混凝土碳化深度及強度的變化。本文選取新疆某地公路工程項目某橋梁墩柱進行試驗，該墩柱使用粉煤灰混凝土。該地區環境濕度較低，屬于溫帶干旱氣候，夏季環境濕度處于8%～50%。

粉煤灰混凝土墩柱配合比見表1。其中，混凝土設計強度為C40，澆筑方式為非泵送，水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用F 類Ⅱ級粉煤灰，細集料選用Ⅱ類機制砂，粗集料選用5～31.5 mm 連續級配碎石，水為地下水，外加劑選用引氣型減水劑。

表1 粉煤灰混凝土墩柱配合比 kg·cm3

本次試驗共設置3 組混凝土試塊以及2 個現場實體墩柱。3 組混凝土試塊分別為標養組（共3 個試塊）、烘干組（共3 個試塊）、干燥組（共6 個試塊），現場墩柱（A、B）。墩柱A 和墩柱B 為橋梁同里程樁號2 根橋墩，橋墩直徑為160 cm，墩柱高度為700 cm。2 根墩柱同時澆筑。在墩柱澆筑時，預留好試驗所需試塊，共計12 個試塊，編號為標養BY1—BY3、烘干HG1—HG3、干燥GZ1—GZ6。試塊于24 h 后脫模，試塊圖片如圖1 所示。

圖1 現場預留試塊

將脫模后的標養組試塊BY1—BY3 及烘干組試塊HG1—HG3，放入標準養護室中進行標準養護。養護室溫度（20±2）℃，濕度大于95%。在第4 天將烘干組試塊放入101-3A 電熱鼓風干燥箱中進行干燥，干燥溫度設置為105 ℃。將脫模后的干燥組試塊放入擁有CS-06B 恒溫恒濕機的室內進行養護，溫度控制在20℃，濕度控制在30%。養護時，將試塊澆筑頂面翻轉180°朝下進行養護。

將烘干組3 個試塊分別在24、48 和72 h 之后取出，待冷卻后進行碳化深度測量。本次試驗用的酚酞酒精溶液濃度為1%。標養組試塊、干燥組試塊分別在14、28、42 和56 d 時對除頂面及底面外的其余任一試塊面進行碳化深度測量，現場墩柱在同一時刻選取同一高度6 個測區進行試驗。

2 試驗結果

2.1 烘干狀態下混凝土的碳化深度

不同烘干時間作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度試驗結果見表2。

表2 烘干組假性碳化深度試驗結果

表2 給出了不同烘干時間作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度值。在鑿開的碳化測試坑中，在噴上酚酞酒精溶液后，混凝土產生了明顯的分界線，表2 為產生明顯分界線時測量產生的碳化深度值。經過7 min 左右的時間，分界線已無法找尋，在“碳化區”顯現了淺粉色，且淺粉色區域的顏色還在逐步加深。

不同烘干時間下重復上述試驗步驟，“碳化區”均逐步變成未碳化區，正是因為假性碳化帶來的試驗現象。若此時不開鑿測試坑，僅在試塊表面噴灑酚酞酒精溶液，在多次噴灑后，也會使得試塊表面逐步變為紅色。此時，將噴灑溶液換成純凈水且保證測試面在噴灑過程中保持濕潤但不流淌，在噴灑后等待測試面干燥，重復數次，待時間過去10 min 后，噴酚酞酒精溶液，試塊表面馬上變為紅色。由表2 的試驗結果以及產生的試驗現象可知，假設烘干組試塊為現場實體構件，檢測人員在分界線清晰顯現時，進行碳化深度值的測量，就會誤將假性碳化深度當成碳化深度記錄。表2 的結果與王海潮等[9]的結果相互印證。

2.2 干燥環境下混凝土碳化深度

圖2 為使用酚酞酒精法測量56 d 干燥組及現場墩柱碳化深度的典型照片。由圖2 可知，混凝土表層碳化深度在剛開始時顯示較深，可看出明顯的分界線。在7 min 時，原先“碳化區”顯示出淺粉色，隨著時間的增長，“碳化區”顏色逐步和“未碳化區”顏色一致，顯示出明顯的假性碳化特征。在經歷30 min 過后，測量此時碳化深度分界線，得出真實的碳化深度值。

圖2 干燥環境下混凝土碳化深度的典型照片

圖3 為不同試驗條件下碳化深度值隨齡期的變化曲線。由圖3 可知，隨著齡期的增長，混凝土的真實碳化深度都有不同程度的增加。其中，干燥組試塊的碳化深度值在同齡期中最低，混凝土過早地減緩了水化反應，且將混凝土中的Ca（OH）2結晶析出。干燥組的真實碳化深度值最低，這是因為試驗室干燥情況更為恒定，混凝土的水化反應速率被限制。現場墩柱的真實碳化深度值最高，是因為受現場濕度隨時間波動變化以及現場施工過程中空氣中CO2濃度較高的影響。

圖3 不同試驗條件下碳化深度值隨齡期的變化曲線

圖4 為不同試驗條件下假性碳化深度值隨齡期的變化曲線。由圖4 可知，隨著齡期的增長，混凝土的假性碳化深度值逐漸增大。這是因為混凝土表層在碳化后會產生細小孔洞，進一步加劇內部混凝土水分的流失，約束水化反應和談碳化反應，導致假性碳化值逐漸增大。

圖4 不同試驗條件下假性碳化深度值隨齡期的變化曲線

3 粉煤灰混凝土的碳化機理

粉煤灰混凝土中的水泥成分，主要為4 種熟料礦物，分別是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、鐵相固溶體4CaO·Al2O3·Fe2O3。水化反應公式分別如式（1）—式（4）所示

由式（1）—式（4）可知，水泥水化需要消耗大量的水分，所以，在干燥環境中，水泥的水化反應被限制。

粉煤灰的主要成分也是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，但是粉煤灰本身并無膠凝性能，粉煤灰在混凝土中的作用最重要的是火山灰反應效應，火山灰反應效應是粉煤灰中的Al2O3、Fe2O3等材料和Ca（OH）2發生反應，生成C-S-H 凝膠。由于大量摻入粉煤灰，導致水泥熟料成分大量減少，水化生成物Ca（OH）2的含量減少，粉煤灰的活性未完全激發出來，28 d 的水化還不完全，粉煤灰混凝土的二次水化會消耗大量的Ca（OH）2，使粉煤灰混凝土的堿儲備降低。另外，粉煤灰混凝土的孔隙率明顯大于普通硅酸鹽混凝土，導致碳化有更多的氣孔通道，使CO2能夠通過氣孔進入，水分能夠通過氣孔流失，加劇了碳化深度的發展。

由于Ca（OH）2所攜帶的OH-是酚酞酒精溶液變色的關鍵，而Ca（OH）2是微溶于水的，在特別干燥的時候，Ca（OH）2將結晶析出。這一反應是假性碳化現象的根本原因。在CO2的作用下，混凝土碳化的化學反應式如式（5）—式（8）所示

由式（5）—式（8）可知，Ca（OH）2變成CaCO3會產生水，而水同時也會和CaO·2SiO2·3H2O、3CaO·SiO2、2CaO·SiO2發生反應，若水分缺失，會在一定程度上限制著Ca（OH）2的碳化。

4 討論與分析

混凝土的碳化本質上是指混凝土中Ca（OH）2反應生成CaCO3的現象。利用回彈法檢測混凝土強度時，碳化深度的準確測量影響著混凝土強度的推定。隨著經濟社會的發展，除了脫模劑種類對混凝土表面碳化測量會產生影響，環境干濕度也會對正確測量混凝土的碳化深度產生一定的挑戰。同時，混凝土的摻合料組成影響著混凝土內部微觀化學反應，反應產生的產物也變得更加復雜，僅用Ca（OH）2反應生成CaCO3來反應表面剛度的變化不夠全面客觀。而目前回彈法在工程中運用依然最為廣泛，所以，為更準確測定混凝土的強度值，規范中對于混凝土碳化深度的測量有待于進一步的精確化規定。

5 結論

通過對干燥環境下粉煤灰混凝土表面出現的假性碳化的研究，得出以下幾條結論。

1）混凝土在烘干狀態下，混凝土表面將嚴重失水，出現假性碳化現象。在混凝土表面重新噴水潤濕后，碳化現象消失。

2）干燥環境下的混凝土在碳化測試過程中，剛開始會出明顯的分界線，隨著時間的推移，碳化深度值逐漸降低，出現假性碳化現象，假性碳化深度值隨著齡期的增大而增大。

3）干燥環境下粉煤灰混凝土中碳化受三方面的影響，一是由于水泥熟料占比減少，產生的Ca（OH）2減少，二是由于粉煤灰的二次水化消耗了Ca（OH）2，三是干燥環境會進一步的影響水泥的水化反應及碳化，導致Ca（OH）2的結晶析出。