車 明 杰

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(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,中國每年需投入大量資金對水利工程進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。根據(jù)對全國小型水工混凝土構(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,砂率測試結(jié)果見圖1。

圖1 砂率測試結(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測量二氧化碳濃度及溫濕度,超過48 h后每4 h測量一次,根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)二氧化碳濃度、溫度及濕度。

(4)測定碳化深度應(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,用直尺測量斷面碳化深度,遇到粗骨料影響測量時(shí),取粗骨料兩端碳化深度均值作為測量值,測量精度為1 mm。

(6)記錄每個(gè)測定齡期的碳化深度,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混凝土的碳化耐久性無顯著的積極影響。