碳化深度对混凝土强度影响的研究

李梦冉， 杨 超， 余晓彦， 宋广锋

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



碳化深度对混凝土强度影响的研究

李梦冉， 杨 超， 余晓彦， 宋广锋

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

影响混凝土强度的因素有很多，混凝土的碳化就是其中的一个。介绍混凝土碳化过程的基础上，通过实际工程和实验分析混凝土碳化对强度的影响，最终论证混凝土强度随碳化深度的加深逐渐降低。在实际工程和实验中分别采取回弹法来测定混凝土强度，用酒精酚酞指示剂的方法检测混凝土的碳化深度。然后整理、分析混凝土强度和碳化深度数据，实验室理论数据和实测数据结合分析验证结论。

混凝土碳化； 混凝土强度； 回弹法； 碳化深度

混凝土碳化的本质是一种反应过程，简单来说就是混凝土结构中的碱性物质和外界环境中的酸性物质发生反应，特别是空气中的CO2。随着酸碱物质的反应扩散，混凝土的碳化深度会慢慢增加，当碳化深度增加到一定的程度以后，引起内部钢筋的锈蚀破坏。钢筋锈蚀体积膨胀，混凝土保护层剥落，进而混凝土构件强度降低，混凝土构件截面的减小最终将导致结构构件破损或者失效。

2008年的研究结果显示: 截止2008年，全球大气中CO2的平均浓度达到0.394‰[1]，2005年到2006年一年的时间就上升了0.53个百分点，而且预计到2090年大气中CO2的平均浓度将达到不可思议的1‰[2]。显而易见，我们所生活的环境中CO2浓度正在逐年上升。因此，对混凝土碳化的研究就势在必行，而且有着极其重要的实际意义。减小碳化对混凝土强度的影响可以增强建筑的耐久性，延长使用年限，更好地体现建筑的价值。

此次混凝土强度与碳化检测的实例，选取我国东部某省境内高速路段上57座桥梁，此路段通车年限20 a。在同一混凝土强度等级的条件下对桥梁构件碳化深度和强度做了数据采集，在实测数据的基础上分析不同碳化深度对混凝土强度的影响。通过室内试验与室外检测进行比对，更进一步验证结论。

1 混凝土的碳化机理

在正常环境下，混凝土中的碱性物质与外界环境中的酸性物质发生反应是一个极其复杂的过程。水泥中的物质遇水发生反应以后会生成很多的碱性物质，例如：水化硫铝酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硅酸钙等，这些强碱性的物质分别会在12.23、10.4、11.43、10.17的pH值下稳定存在[3]。混凝土慢慢硬化的过程中其内部必定会留下一部分孔隙水，这些孔隙水都是pH值为12-13饱和氢氧化钙溶液，呈强碱性。这些强碱性的物质与大气中的CO2接触发生反应,碱性就会渐渐失去,这种现象就是碳化。混凝土碳化过程中其内部会留下很多的孔隙,这种情况下外界环境中的酸性物质和水汽会随着这些孔隙进入到混凝土的内部，氢氧化钙遇水溶解后沿着混凝土内部的孔隙流出。这种情况下，随着时间增加，碳化程度也会越来越严重。混凝土碳化中，碱性会逐渐消失，对钢筋的保护作用也越来越小，使钢筋更容易锈蚀[4],最终降低混凝土构件的强度，使其失去应该有的作用。

2 碳化深度与强度检测

在这次的实际工程检测过程中，同时进行混凝土碳化深度的测试与混凝土强度的测试。其中混凝土强度的检测使用ZBL—S201回弹仪(图1)，在检测过程中每个构件选取10个相对比较干燥、光滑的测区，每个测区选取16个回弹点呈4×4状分列。数据测量过程中，让回弹仪始终与构件的测区保持垂直。混凝土回弹强度测试完成后，在同一测区钻孔，并在钻孔中滴入1%酒精酚酞试剂，用碳化深度仪(图2)测量混凝土表面到钻孔中红色边缘的距离。

图1 混凝土强度回弹仪

图2 碳化深度测量仪

数据收集完成以后，将数据导入到回弹仪自带软件中进行处理，按照实际情况设定混凝土强度等级为C60;回弹环境温度为250℃;空气相对湿度RH=80;测面状况为干燥、光洁。设定好之后，输入测区对应的碳化深度,运算得出结果以后将报告导出。 所导出的混凝土强度及碳化深度测试结果形式见表1。

表1 混凝土强度及碳化深度测试结果

如表1所示，不同测区回弹值对应测区碳化深度计算出每个构件的强度推定值，此处选用构件不再一一表明。最终选定不同碳化深度下的6组构件的对应强度推定值来验证本文最初的结论，具体数值及关系见表2及图3、图4。由表2和图3、图4中所表现出来的不同碳化深度与强度的关系，可以发现：在相同条件下，随着碳化深度的增加，初始强度相同的混凝土构件强度逐渐地降低，很好的验证了本文的观点。

表2 不同碳化深度以及强度数据

图3 各组强度与碳化深度关系图

图4 平均强度与碳化深度关系图

3 实验

在实验室进行了A、B两组带有加速碳化的混凝土碳化实验。首先将浇筑好的标准试块在标准条件下养护28 d， A、 B两组分别在加速碳化条件下每隔7 d收集一次混凝土试块的碳化深度值和回弹强度值。28 d试验完成后整理分析混凝土碳化深度、回弹强度值，最后得出试块碳化深度和强度之间的关系(表3)。

表3 实验室混凝土试块碳化深度及强度数据

图5 A组碳化深度与强度关系图

图6 B组碳化深度与强度关系图

图5、图6可以看出,加速碳化之后，随着时间的增长,混凝土碳化深度的增加,回弹法强度推定值呈现下降的趋势。这就进一步的验证了，不考虑其他因素的影响，随着混凝土碳化程度的加重,混凝土强度会有一定的降低。

4 结论

由上述实验及实例检测知，在同等外部环境条件下，随着混凝土碳化深度的增加，其强度越来越低。混凝土强度的降低必将引起后续一系列的变化，最终影响结构的耐久性，从而使建筑破坏，最终影响或不能正常使用。

可以采取一定的措施来降低碳化对强度的影响：适当降低水灰比，减少混凝土空隙率延缓碳化速度[5]；可以在混凝土表面刷涂或粘贴材料，将混凝土与空气隔开，这些都会在一定程度上降低混凝土的碳化速度，也就是说相同时间内，降低了混凝土碳化深度，提高了混凝土的强度，从而使混凝土结构耐久性得以提升。

[1] 肖 佳，勾成福.混凝土碳化研究综述[J].混凝土，2010(01):40-45.

[2] 杨 静.混凝土碳化机理及影响因素[J].混凝土，1995(06)：23-28.

[3] VI Babushkin,GM Matveev,OP Mchedlov-Petrosiá.Thermodynamics of silicates[M].Germany:springer-verlag，1985.

[4] 朱安民.混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性[J].混凝土,1992(06):18-22.

[5] 曾家民.混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响及防护措施探讨[J].华侨大学学报(自然科学版).1994,15(01):58-62.

[责任编校： 张岩芳]

The Impact of Carbonation Depth on the Concrete Strength

LI Mengran, YANG Chao, YU Xiaoyan, SONG Guangfeng

((SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Concrete carbonation is one of the factors affecting the strength of concrete. This paper first briefly described the concrete carbonation process, and then analysed the impact of carbonation on the concrete strength through practical projects and experiments, and finally proved that the strength of concrete carbonation gradually decreases with depth deepened. In practical projects and experiments, the rebound method was taken to measure the concrete strength, with alcohol phenolphthalein indicator to detect the concrete carbonation depth. The concrete strength and carbonation depth data, together with laboratory data and field data, were then organized and analyzed to verify the conclusions.

concrete carbonation; concrete strength; Rebound Method; Carbonation depth

2014-07-29

李梦冉(1990-)， 男， 河南安阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为建筑与土木工程

1003-4684(2015)01-0103-03

TU317

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