基于碳化模型的混凝土残余寿命影响因素研究

黄 丽，沈东美

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

目前，国内外的专家、学者都一致认同混凝土的碳化深度x与碳化时间t的平方根成正比关系，即其中碳化系数反映碳化速度的综合参数[1]。国内外的广大学者围绕着影响碳化系数的因素，展开了大量的室内快速碳化试验、室外暴露碳化试验和大量的针对实际工程的碳化调查[2-4]。研究者根据所考虑的主要因素的不同，归纳出碳化系数k的不同表达形式，从而提出了很多碳化深度计算模型[5-10]，一般分为3类：（1）基于碳化试验的经验模型；（2）以扩散理论为基础的理论推导模型；（3）基于扩散理论和试验结果的模型。本研究基于碳化试验的经验模型，通过室内快速碳化试验研究水泥用量、水胶比、环境的温度、湿度、CO2浓度与混凝土碳化深度的关系。

1 试验设计

1.1 原材料

华润水泥厂42.5普通硅酸盐水泥、二级低钙粉煤灰、细度模数为 2.5～2.8，洞庭湖中砂、5～20 mm连续级配碎石、国内某公司提供的高效减水剂、自来水。

1.2 试验方法

混凝土力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081—2002）进行，混凝土碳化试验按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》（GBJ82—85）进行。

2 混凝土碳化影响因素研究

2.1 水泥用量的影响

图1为不同水泥用量下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图1可以看出：随着水泥用量的增加，混凝土各龄期的碳化深度逐渐降低，且随着龄期的增加，因混凝土越来越致密，使其碳化速率逐渐变慢。随着水泥用量的增加，混凝土28 d抗压强度呈先增后减的趋势，这是因为在混凝土抗压强度达到最大值之前，混凝土中胶凝材料不足以将骨料充分胶结，随着水泥用量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增加，当其抗压强度达到最大值后，水胶比不变，水泥用量的增加必然导致单方用水量增加，而水泥用量增加对混凝土强度的贡献低于用水量增加对强度的降低作用，从而使得混凝土抗压强度呈下降趋势。

图1 不同水泥用量下混凝土碳化深度和抗压强度

2.2 水胶比的影响

图2为不同水胶比下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图2可以看出：随着水胶比的提高，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加，而28 d抗压强度则逐渐降低。这是因为降低水胶比，可以有效减少混凝土中的毛细孔，增加混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗压强度和抗碳化性能。且当水胶比小于0.4时，混凝土碳化过程较为缓慢，其碳化深度增长不很显著。

图2 不同水胶比下混凝土碳化深度和抗压强度

2.3 粉煤灰掺量的影响

图3为不同粉煤灰掺量下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图3可以看出：随着粉煤灰掺量的提高，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加，而28 d抗压强度则逐渐降低。粉煤灰取代水泥，使得单位体积中水泥用量减少，水泥水化反应生成的Ca（OH）2物质减少，碱储备降低，粉煤灰与水泥水化产物Ca（OH）2发生二次反应，进一步降低了混凝土的碱度，使混凝土抗碳化能力减弱。

图3 不同粉煤灰掺量下混凝土碳化深度和抗压强度

2.4 CO2浓度的影响

图4为不同CO2浓度下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图4可以看出：随着CO2浓度的增加，其向混凝土的扩散速率也将逐渐增大，进而导致混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加，其28d抗压强度逐渐降低。

图4 不同CO2浓度下混凝土碳化深度和抗压强度

2.5 环境温度的影响

图5为不同环境温度下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图5可以看出：随着环境温度的升高，CO2的扩散速度提高，混凝土碳化的化学反应速度提高，可碳化物质的迁移速度也在提高，这些均有助于混凝土碳化速度的提高，从而使得混凝土的碳化深度显著增大，而随着温度的升高，混凝土中水泥水化程度增大，从而有利于混凝土28d抗压强度的提高。

图5 不同环境温度下混凝土碳化深度和抗压强度

2.6 环境湿度的影响

图6为不同环境相对湿度下混凝土28 d抗压强度和3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度。由图6可以看出：随着环境相对湿度的增加，混凝土碳化深度先增后减，在70%湿度下最大。这是因为随着环境相对湿度的提高，CO2在混凝土内的扩散速度也将逐渐增大，但当其达到一定值后，继续提高环境相对湿度，混凝土内部的孔隙水饱和度将增大，这将阻碍 CO2在混凝土内的扩散速度，同时由混凝土碳化的化学反应方程可知，混凝土的碳化反应是一个释放水的反应，故随着混凝土内部水分的增多，也将阻碍混凝土碳化反应的进行，进而导致混凝土各龄期碳化深度随环境相对湿度的增加而显著降低。同时，随着环境相对湿度的增加，混凝土表面水分蒸发减慢，促使混凝土中水泥水化有充足的水分参与反应，进而有利于提高混凝土的抗压强度。

图6 不同环境相对湿度下混凝土碳化深度和抗压强度

3 结论

随着水泥用量的增加，混凝土各龄期的碳化深度逐渐降低；随着水胶比的提高，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加；随着粉煤灰掺量的提高，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加；随着CO2浓度的增加，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加；随着环境温度的升高，混凝土各龄期的碳化深度逐渐增加；随着环境相对湿度的增加，混凝土碳化深度先增后减，在70%湿度下最大。

参考文献

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