在含有侵蚀性CO2地下水环境下的混凝土碳化问题研究

邱国兴 莫 林

广西建工集团第一建筑工程有限责任公司 广西 南宁 530001

在我国部分含侵蚀性CO2地下水地区，混凝土基础受到侵蚀性CO2腐蚀，造成该环境条件下混凝土基础的破坏，影响混凝土基础的耐久性。目前，国内外对含侵蚀性CO2地下水环境条件下混凝土碳化的研究并不多。Gerven[1]、郭高峰[2]通过在溶液中充入纯CO2气体模拟侵蚀性CO2地下水环境进行试验，试验结果表明，侵蚀性CO2地下水导致混凝土中Ca2＋的加速溶出，降低了混凝土抗碳化性能。赵卓等[3]、王健[4]采用原位浸泡方法开展碳化试验，研究结果表明，混凝土在侵蚀性CO2地下水环境下发生明显碳化，混凝土水胶比越大，碳化深度越大。

混凝土碳化深度预测模型可根据混凝土的配合比和所处环境CO2含量建立，并据此确定基础混凝土配合比。阿列克谢耶夫[5]、Papadakis[6-7]基于Fick第一定律推导建立了由CO2含量控制的经典碳化理论模型，岸谷孝一[8]通过研究分析水灰比、外掺料等因素对碳化的影响建立了基于多种影响因素的碳化深度预测模型。牛建刚等[9]通过对不同水泥品种粉煤灰和矿粉取代量计算出混凝土的可碳化物质并据此建立了碳化深度预测模型。然而，这些模型适用条件均为一般大气环境。因此，有必要结合不同含量侵蚀性CO2地下水的工程实例，开展混凝土原位碳化试验，研究不同配合比因素与碳化深度间的关系，并预测混凝土抗碳化年限，进而指导该环境下的混凝土基础施工。

1 工程概况

南宁市岭秀一方项目地下3层，基础埋深13.7 m，地下水位－7.6 m，基础形式为独立基础加筏板，地勘报告显示其地下水侵蚀性CO2含量为41.67 mg/L，工程设计使用年限为50 a。南宁市妇幼保健院项目地下3层，基础埋深17.9 m，地下水位－5.8 m，基础形式为筏板形式，地下室外墙为地下连续墙，地勘报告显示其地下水侵蚀性CO2含量为54.42 mg/L，工程设计使用年限为50 a。梧州市嘉扬国际三期项目地下2层，基础埋深11.3 m，地下水位－6.1 m，基础形式为筏板形式，地下室外墙为整体现浇，地勘报告显示其地下水侵蚀性CO2含量为77.18 mg/L，工程设计使用年限为50 a。经后期送样检测，3个项目地下水侵蚀性CO2含量与地勘报告一致。

2 试验设计

混凝土碳化受自身材料组成和环境因素影响，在配合比方面，混凝土水胶比、粉煤灰掺量和矿渣掺量均能影响混凝土碳化；而在环境方面，本文着重以混凝土所处地下水中的侵蚀性CO2含量作为影响因素进行研究。

因此，本文选择水胶比（W/B）、粉煤灰掺量（FA）和矿渣掺量（SG）3个参数作为材料因素进行混凝土制备，选取侵蚀性CO2含量（C）因素作为环境因素进行原位浸泡，其中每个因素选取3个水平（表1）。

3 试验原材料

本文试块制备工作在预拌混凝土供应商搅拌站进行。所用原材料为P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥（南宁海螺牌）和Ⅱ级粉煤灰、S95级矿渣（均为南宁国电生产）。粗骨料采用连续级配碎石，表观密度为2 643 kg/m3，粒径范围为6.0～29.8 mm；细骨料采用机制砂，表观密度为2 370 kg/m3，细度模数为2.2。其中胶凝材料具体参数如表2～表4所示。

表2 水泥化学成分含量/%

表3 粉煤灰性能指标

表4 矿渣性能指标

4 试件制备与试验开展

4.1 试件制备与养护龄期

根据表1中3种材料因素及对应3种水平按正交设计制备9组不同配合比混凝土，每组配合比包含3个试块（表5）。混凝土制备采用高性能混凝土搅拌方法[10]，先将水泥、粉煤灰、矿渣与河砂投入搅拌机，干拌30 s；再往干拌均匀后的混合料中加入约80%的水和减水剂的混合液，拌90 s；最后加入碎石和剩余水与减水剂的混合液搅拌90 s。

表5 混凝土碳化试件正交配合比

采用尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的试模成型长方体混凝土试件，1 d后脱模，放入标准养护室（温度20 ℃±2 ℃，湿度95%以上）养护26 d。养护结束后，利用烘干设备对试块进行烘干，烘干温度60 ℃，烘干时间2 d。

4.2 原位侵蚀试验

对烘干后试件的2个长端面进行环氧树脂密封，剩下4个表面暴露不处理。9组别试件每组取一块对应放置于一个项目的含侵蚀性CO2地下水坑中进行浸泡。浸泡过程在同一时段进行，同时对浸泡温度和侵蚀性CO2含量持续检测。检测结果显示3个项目浸泡温度基本一致，各项目侵蚀性CO2含量与表1一致。浸泡龄期达28 d后取出各试块，参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，用图像法[11]测定各试块碳化深度（表6）。

表6 各项目混凝土28 d碳化深度/mm

5 试验结果与分析

5.1 关系分析

根据试验结果可得碳化深度与侵蚀性CO2含量、水胶比、粉煤灰掺量及矿渣掺量关系（图1～图4）。

图1 碳化深度与侵蚀性CO2含量的关系

图2 碳化深度与水胶比的关系

图3 碳化深度与粉煤灰掺量的关系

图4 碳化深度与矿渣掺量的关系

由图可知，在含侵蚀性CO2地下水环境条件下，各个水胶比水平下的混凝土28 d碳化深度基本随着侵蚀性CO2含量的增大而增大，在41.67～54.42 mg/L浓度区间，由于浓度变化幅值较小，碳化深度增长并不明显；而在侵蚀性CO2含量从54.42 mg/L增加到77.18 mg/L时，各水胶比水平下的混凝土碳化深度均有明显的增加。

碳化深度基本随水胶比的增大而增大。在2个较低的侵蚀性CO2含量水平中，粉煤灰掺量为15%的混凝土碳化深度随水胶比先增大后减小，但整体呈增大趋势。碳化深度均随粉煤灰掺量的增大而增大。碳化深度随矿渣掺量的变化并无一致规律，当混凝土水胶比为0.4时，各侵蚀性CO2含量水平下碳化深度随矿渣掺量的增大而增大；当混凝土水胶比为0.5时，各侵蚀性CO2含量水平下碳化深度先随矿渣掺量的增大而减小，后随矿渣掺量的增大而增大；当混凝土水胶比为0.6时，各侵蚀性CO2含量水平下碳化深度先随矿渣掺量的增大而增大，后随矿渣掺量的增大而减小。

5.2 预测分析

参考已有混凝土碳化服役预测经验模型[12]，对含侵蚀性CO2环境下的混凝土抗碳化年限进行预测。预测结果如表7所示。由表7可见，针对3个实际工程，本文所用9组配合比制备的混凝土抗碳化年限均大于50 a，耐久性中的抗碳化指标满足设计使用年限。

6 结语

本文对含侵蚀性CO2地下水环境中的混凝土碳化进行了研究分析，研究了水胶比、粉煤灰掺量、矿渣掺量和侵蚀性CO2含量对混凝土碳化深度的影响。研究结果表明，水胶比、粉煤灰掺量和矿渣掺量均对碳化深度有显著影响，混凝土28 d碳化深度随侵蚀性CO2含量的增大而增大，随水胶比的增大而增大，随粉煤灰掺量的增大而增大；而对于矿渣掺量，碳化深度并未随其掺量变化显示一致规律。根据28 d碳化深度预测所得的混凝土抗碳化年限能够满足设计使用年限。本文研究可以用于指导实际工程中含侵蚀性CO2地区的混凝土基础施工。

表7 各项目混凝土抗碳化年限/a