喷射混凝土抗碳化性能试验研究

王家滨，牛荻涛，马 蕊，关 虓

（西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055）

喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气将混凝土或一定比例的水泥、砂、石拌合料，通过软管以高速喷射到受喷面上并快速凝结硬化的一种混凝土[1].与模筑混凝土相比，喷射混凝土因速凝剂的掺入而具有极短的终凝时间和高早龄期强度，故其广泛应用于隧道初期及永久支护、矿山巷道支护、道路边坡以及结构加固及维修等领域[2-3].在现代隧道衬砌结构设计过程中，以喷射混凝土为主体的单层衬砌成为未来发展趋势[4].而在隧道运营过程中，隧道尤其是海底隧道，因其内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，使衬砌结构抗碳化性能减弱，最终导致钢筋的锈蚀及结构承载力及可靠度下降，威胁隧道衬砌结构耐久性、使用寿命及安全运营[5].

近年来，国内外学者对喷射混凝土抗碳化性能进行了部分研究.SangPilLee[6]对无碱速凝剂喷射混凝土进行了快速碳化试验，56 d后碳化深度为7 mm；SangJoon Ma[7]采取室外暴露试验方法对喷射混凝土抗碳化性能进行了研究，认为硅灰的掺入对喷射混凝土长期抗碳化性能有利；JongPilWin[8]等对高性能喷射混凝土进行了研究，伴随着硅灰的加入，喷射混凝土抗碳化性能减弱.王志杰[9]等对纤维喷射混凝土耐久性进行了研究，认为钢纤维的加入可以改善喷射混凝土抗碳化性能，减小碳化速率；欧阳幼玲[10]等对钢纤维和仿钢纤维喷射混凝土抗碳化性能进行了研究，结果表明仿钢纤维喷射混凝土长期抗碳化性能好.以上文献虽对喷射混凝土抗碳化性能进行了研究，但未对碳化后喷射混凝土力学性能及微观结构进行分析.

本文通过快速碳化试验，对喷射混凝土抗碳化性能进行研究，并与同配合比模筑混凝土进行对比，并引入施工工艺影响系数及钢纤维影响系数，建立喷射混凝土碳化深度预测模型.同时，对碳化后喷射混凝土微观结构进行观察，分析微观结构变化对其力学性能的影响，为进一步研究喷射混凝土耐久性提供参考.

1 试验

1.1 试验材料及配合比

水泥为陕西宝鸡海螺牌P O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为陕西宝源集团II级粉煤灰，细集料为细度模数3.4的河砂，粗集料为连续级配瓜米石，最大粒径10mm.速凝剂为山西桑穆斯建材化工生产无碱速凝剂；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率为27%.试验原材料化学组成示于表1.试验喷射混凝土水胶比为0.43，砂率50%，减水剂掺量为1%，速凝剂掺量为4%，其配合比示于表2.

表1 试验材料化学组成 质量分数/%Tab.1 The chem istry composition of raw materials

表2 喷射混凝土配合比 kg/m3Tab.2 M ix proportion of sprayed concrete

1.2 试件制作

喷射混凝土试件取自宝鸡至兰州客运专线麦积山隧道施工现场，采用喷大板法进行制作，大板尺寸为1 000×500×120mm.大板成型3 h后拆模，放入隧道中自然养护7 d，而后使用岩石切割机将喷射混凝土大板切割成标准试件并将其置于标准养护室养护至28 d，最后将试件置于室外自然养护至试验龄期.

1.3 试验方法

喷射混凝土碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）中规定进行，首先将试件置于鼓风干燥箱中60℃烘干48h，然后采用环氧树脂将试件进行密封，只保留一组100mm×300mm对面作为碳化面，而后在碳化箱中进行快速碳化试验，试验环境为：CO2浓度为（20%±3%），湿度（70%±5%），温度（20%±2%）.快速碳化试验共进行5个龄期，分别为7 d、14 d、28 d、42 d和56 d.到达龄期后将试件置于压力机上劈开，将1%酒精酚酞溶液均匀喷在清扫干净的断面上，待酚酞显色后测量试件的碳化深度.同时，测量试件劈裂抗拉强度和立方体抗压强度.而后，从试件碳化区中随机取样并剔除骨料，采用扫描电镜对碳化后喷射混凝土微观结构进行分析.

1.4 试验设备

快速碳化试验采用北京数智意隆 CCB-70W 型混凝土碳化试验箱；试件抗压强度测定采用无锡建仪TYA-2000型电液式压力试验机，精度0.1 kN，量程2 000 kN；劈裂抗拉强度测定采用济南天辰YES-600型数显式液压压力试验机，精度0.01 kN，量程600 kN；碳化后试件微观结构采用日本日立产S4800型冷场发射扫描电镜进行观察.

2 试验结果与讨论

2.1 碳化深度

试件碳化深度及相对增长率示于图1.从图1可以看出，试件碳化深度均随碳化龄期的增长而增大.碳化龄期56 d时试件碳化深度相对于7 d分别增大1.89倍、2.11倍与3.23倍.与同龄期模筑混凝土相比，喷射混凝土各龄期碳化深度均较小：碳化龄期7 d时普通喷射混凝土碳化深度仅为模筑混凝土的53.5%，且随着碳化龄期的增长，两者之间差值增大，当碳化至56 d时，普通喷射混凝土仅为模筑混凝土的57.4%.其原因为：模筑混凝土在成型过程中，试件表面因振捣而产生浮浆.在胶凝材料水化过程中，其内部产生大量干缩裂缝且密实度小，这为二氧化碳的入侵提供通道.而喷射混凝土在成型过程中，水泥浆体及骨料在空气压力作用下受到连续冲击得以压实，混凝土密实度显著提高，阻碍二氧化碳的进入，使得喷射混凝土具有较好的抗碳化性能.

此外，通过对比试件S及SFRS可以发现，钢纤维喷射混凝土各龄期碳化深度远小于普通喷射混凝土，碳化56 d时试件SFRS碳化深度为试件S的64.77%，为试件OC的37.2%.其原因为钢纤维的掺入可有效抑制喷射混凝土早期干缩裂缝的产生和发展，同时缓解因碳化造成的碳化收缩裂缝的产生，阻碍二氧化碳的侵入，从而提高试件的碳化性能.

2.2 碳化后力学性能

试件力学性能与碳化深度变化规律示于图2.从图2可看出，试件力学性能随着碳化深度的增加呈线性增大.与模筑混凝土相比，喷射混凝土抗压强度增长幅度较大.碳化56 d时，喷射混凝土抗压强度增长率为模筑混凝土的2.89倍，而劈裂抗拉强度仅为1.25倍.对于钢纤维喷射混凝土，劈裂抗拉强度增长规律较为明显.这是因为混凝土在碳化过程中，碳化产物填充于内部毛细连通孔及界面过渡区中，使混凝土密实度增大.与模筑混凝土相比，喷射混凝土本身密实度较高，少量碳化产物填充后就可获得较高的强度增长率.对于钢纤维喷射混凝土，劈裂抗拉强度主要取决于纤维-基体界面粘结应力，碳化后产物填充于界面中，使界面粘结应力增大，断裂能提高，劈裂抗拉强度相应增大.

2.3 碳化深度预测模型

近年来，国内外学者针对混凝土碳化深度提出多种预测模型[11]，虽然它们表达形式不一，但都可统一表达为

图1 试件碳化深度经时变化规律Fig.1 Theongoing changeof specimensunder carbonation

图2 试件力学性能与碳化深度变化规律Fig.2 The change law of specimensbetweenmechanicalproperties and carbonation depth

式中： 为碳化深度； 为碳化影响系数； 为碳化时间.

根据图1数据，得出喷射混凝土碳化深度经时变化规律.喷射混凝土碳化经时变化规律与模筑混凝土相似，及碳化初期增长速率较大、后期碳化速率较小.

对不同碳化龄期试件碳化深度进行拟合，得出

模筑混凝土：

喷射混凝土：

钢纤维喷射混凝土：

在模筑混凝土碳化模型基础上，考虑施工工艺影响系数和钢纤维影响系数，式 ( 2)可以改写为

式中： 为施工工艺影响系数； 为钢纤维影响系数.

将式 (5)与式 (3)和式 (4)进行对比，可以得出： =0.57， =0.67（钢纤维掺量按50 kg/m3加入）.从 及 可以看出，喷射施工工艺可提高混凝土抗碳化性能，而钢纤维的加入可显著提高喷射混凝土的抗碳化性能.

2.4 碳化后喷射混凝土微观结构

2.4.1 微观结构变化

喷射混凝土碳化后扫描电镜照片示于图3.从图3中可以看出，未腐蚀的喷射混凝土内部存在长度50 m左右微裂缝，而大量钙矾石晶体均匀穿插分布在裂缝的水化程度较差的层状CSH凝胶体中，而这些晶体存在即为CaCO3的成核提供有利场所，且此处碳化反应速率相对较快；碳化7 d时，试件内部气孔孔壁明显光滑，且从孔壁边缘出现呈丝状的碳化产物；碳化龄期14 d时，试件内部钙矾石晶体逐渐消失，碳化产物CaCO3以钙矾石晶体为晶核并开始生长为 CaCO3晶须（示于图4）；随着碳化继续进行，CaCO3晶须不断长大并相互交叉、聚合成为聚合体，并填充于试件内部孔洞及微裂缝中；同时，CSH凝胶与二氧化碳气体反应生成碳酸钙并沉积于气孔表面，使试件中微气孔孔壁光滑，但气孔形貌发生变化，由未碳化时近乎圆形截面变为近似椭圆形截面；碳化56 d时，喷射混凝土内部大孔径孔不复存在，小孔径孔数量上升，试件气孔率减小，密实度增加，故碳化后试件力学性能增大.

图3 喷射混凝土碳化后扫描电镜照片Fig.3 The SEMsof shotcreteunder carbonation

2.4.2 孔结构变化

不同碳化龄期下喷射混凝土孔结构照片示于图5.从图5中可看出，未碳化之前，试件凝胶体中存在大量微小且形状均匀的微气孔，随着碳化的进行，试件孔中出现团状、层状堆积的碳化产物，且试件微孔孔壁由粗糙变为光滑；随着碳化进一步发展，试件中微孔被堆积的腐蚀产物阻塞，试件孔隙率减小，密实度增加.

喷射混凝土碳化时，外界CO2扩散至混凝土内部，并溶解于孔隙液中，与液相中Ca2+发生反应，使得孔隙液中Ca2+浓度不断减小，而固相Ca OH2不断溶解并补充Ca2+的不足；碳化7 d时，喷射混凝土内原本形貌规则的Ca OH2已不复存在；另一方面，碳化生成的溶解度极低的CaCO3，这些CaCO3微晶有选择的在试件毛细孔壁粗糙的部位选择成核、结晶并不断长大；碳化28 d大量不规则球形CaCO3聚合体沉积于混凝土孔隙中且出现节理较为明显的碳化产物CaCO3；碳化龄期大于42 d时，毛细孔隙内CaCO3相互连接并形成密实度较高的团状填充物，直径达10 m以上，此时喷射混凝土中部分大孔已被填实；同时由于Ca OH2、钙矾石及CSH等碳化物质不断消耗，使得喷射混凝土内部孔径1 m孔径微孔的数量有所增加.

图5 喷射混凝土碳化后孔结构照片Fig.5 The poresstructure SEMsof specimen under carbonation

综上所述，由于喷射混凝土中孔洞、裂缝等内部缺陷的存在，使得喷射混凝土的局部碳化速率较快，其宏观表现为混凝土局部的碳化深度较大，碳化深度的离散性较大.此外，随着碳化不断进行，CaCO3填充于混凝土孔洞及裂缝中，有效改善了喷射混凝土的内部缺陷，其密实度有所提高，宏观表现为随着碳化龄期的增加，喷射混凝土的力学性能显著提高.

3 结论

试验采用快速碳化法，对同配合比模筑混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土碳化深度及碳化后力学性能进行研究，同时对碳化后喷射混凝土微观结构变化进行分析，得出结论.

1）施工方式对混凝土的密实度影响很大，是影响混凝土碳化深度的重要影响因素之一.随着碳化龄期增加，试件碳化深度逐渐增大且喷射混凝土各龄期碳化深度显著低于模筑混凝土；同时，喷射混凝土力学性能随碳化深度的增加呈线性增长.

2）钢纤维的掺入能有效提高喷射混凝土的抗碳化性能，与未掺钢纤维混凝土相比，其碳化速率明显减小，且力学性能随着碳化龄期增长而增大，劈拉强度增长率更大.

3）喷射混凝土碳化深度随时间单调增长，其增长速率早期快、后期较慢.同时，为了建立喷射混凝土碳化深度模型，引入施工工艺影响系数及钢纤维影响系数，其与试验实测值吻合较好.

4）通过对碳化后喷射混凝土微观结构进行分析后表明：喷射混凝土中原始微气孔及裂缝等缺陷的存在，为CO2的进入提供通道；同时，缺陷内部的钙矾石晶体为CaCO3晶体的成核及生长提供有利的场所，使其局部区域的碳化反应速度加快.在碳化过程中，随着Ca OH2等可碳化物质的消耗，碳化产物CaCO3的不断积累，将毛细孔堵塞，喷射混凝土的孔结构及微观形貌发生变化；碳化后期，喷射混凝土中小孔径孔数量增加，大孔径孔消失，密实度提高.

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