对普通混凝土碳化的初步研究

2022-10-28王洪玲

四川建材 2022年10期

王洪玲，李坤

(山东理工大学建筑工程学院，山东淄博 255049)

0 前言

众所周知，交通运输对一个国家的政治、文化、经济和社会进步有极其重要的作用。在近几年我国交通运输经济的进步与飞速发展下，交通运输的基础建设也得到了越来越多的完善，高速公路、公路桥梁、公路隧道等数量在不断增长[1]。伴随着政府针对乡村桥梁安全隐患情况的排查，桥梁自身的各类病害逐渐暴露于人们的视野之中。1984年世界各地大气中的CO2的平均浓度是343 ppm， 2008年CO2的浓度上升到394 ppm，随着工业化的迅速发展，预计2090年全球CO2的平均浓度将会迅速提高到1 000 ppm，空气中的CO2浓度正呈现一种逐年上升的趋势[2-4]。

混凝土碳化分为两个过程，第一部分是指大气中CO2渗透到混凝土内与Ca(OH)2发生化学反应，使得混凝土碱性下降，该部分又称为混凝土的中性化；第二部分是指当碳化深度超过混凝土保护层厚度时，钢筋表面的钝化膜被破坏，在水和空气存在的条件下钢筋表面开始生锈。

钢筋锈蚀是钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的主要原因，主要表现为钢筋锈蚀表面膨胀，从而与保护层脱落。然后随着铁锈的继续膨胀，混凝土被破坏出现裂缝，钢筋不断锈蚀，桥梁有效截面减小，承载能力不断降低，直至桥梁丧失基本承载能力。因此，混凝土碳化问题必须引起人们的足够重视[3]。

1 混凝土碳化机理

混凝土碳化是混凝土作为强碱性材料发生的一种化学腐蚀反应，同时混凝土包裹在钢筋外可以提高结构耐久性，防止钢筋被高温破坏。混凝土是一种多孔体材料，表面和内部布满孔隙，具有很强的吸湿性和渗透性，大气中的CO2渗透到混凝土内与氢氧化钙、水化硅酸钙等发生化学反应生成碳酸钙，降低混凝土碱性，当碳化深度大于混凝土保护层厚度时，在潮湿条件下就会对钢筋失去保护作用，钢筋表面开始生锈[3]。反应过程如下：

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

3CaO·2siO2·3H2O+3CO2→3CaCO3.2siO2·3H2O

(2)

C3S+3CO2+γH2O→SiO2·γH2O+3CaCO3

(3)

C2S+2CO2+γH2O→SiO2·γH2O+2CaCO3

(4)

2 混凝土碳化的影响因素

混凝土碳化是指CO2进入混凝土，与pH值为12～13的Ca( OH)2反应生成盐类导致pH下降为8.5左右。因此，混凝土的碳化主要取决于CO2的传播速度以及CO2与混凝土内部成分的反应，而CO2的传播速度又与混凝土的本身的特点相互影响。所以混凝土的碳化的影响因素主要是大气环境因素，混凝土材料因素以及施工因素等[4-5]。

2.1 大气环境因素

1)相对湿度。混凝土的碳化反应本质上是一种释放水的过程，并且相对湿度的大小决定着混凝土孔隙水的饱和度大小。相对湿度较小时，混凝土较为干燥，混凝土进行碳化反应所需要的水分不足，因此，碳化程度和碳化速度都较小。相对湿度较高时，碳化反应生成的水会抑制碳化反应，混凝土内部水分会阻碍CO2的扩散，抑制CO2与混凝土的中性化反应，从而降低碳化速度。在相对湿度为40%～60%时，混凝土的碳化速度较快，其中环境相对湿度为50%左右时混凝土的碳化速度最快[6]。并且，清华大学提到环境相对湿度对碳化的影响表达式可认为：

(5)

2)温度。由物理学知识可知，温度会影响离子运动速度，当外界环境温度升高时，CO2在混凝土内部扩散速度上升，混凝土抗碳化能力下降[7]。若混凝土表面温度骤降，混凝土表面将会产生拉力，当拉力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面开裂，形成裂缝或导致混凝土表面脱落。此时，外界CO2和水分的进入将会更加容易，混凝土碳化速度加快。此外，蒋清野[6]提到温度对混凝土碳化的影响表达式可以为：

(6)

3)二氧化碳浓度。空气中的CO2浓度可以分为室内CO2浓度与室外CO2浓度，基于Fick第一扩散定律可知[8-9]：

(7)

式中，DC为CO2在混凝土中的扩散系数；C0为混凝土表面 CO2浓度；X为时间 t 时的碳化深度；M0为混凝土结合 CO2能力；T为碳化时间；K为碳化速度系数。

因此，可认为CO2浓度越高，混凝土碳化速度越快。

综合环境温度和相对湿度对混凝土碳化的影响，可用Ke定义为环境因子，且[10]：

(8)

2.2 混凝土材料性能因素

1)水灰比大小。采用同等质量的混凝土，混凝土的水灰比越大，则内部的孔隙率越大，透气性较好，混凝土密实度降低，有利于CO2的渗入。水灰比越大，单位水泥的用量就越少，那么混凝土单位体积内的Ca( OH)2的含量就越少，混凝土的孔隙率就越大。因此，CO2的扩散阻力就越小，从而加快混凝土碳化速度[4]。

2)水泥品种。不同品种的水泥的混合材掺量和品种有所不同，后续混凝土进行水化反应产生的碱性物质的量也有所不同，因此为碳化反应提供的可碳化的碱性物质的量也不同，从而导致混凝土碳化的速度也有多差别。在同一条件下，混凝土的碳化速度可用其掺合料表示为，高炉矿渣水泥>普通硅酸盐水泥>早强水泥，其中，钢筋在炉渣水泥混凝土的锈蚀速度比在同一试验条件下的普通硅酸盐混凝土高90%左右[4，11]。

3)水泥用量。水泥用量与混凝土中碱性物质的含量以及孔溶液中PH值有关，水泥用量越多，混凝土中碱含量越高，孔溶液的PH值也越高，同时混凝土的密实度不断增大，CO2向混凝土内部渗透速度降低，因而混凝土的碳化速度降低[3，12]。

4)掺合料。混凝土中的掺合料一般是用来等量地替代水泥，从而降低水泥的用量，进一步增大水灰比，提高混凝土碳化速度[12]。一方面，粉煤灰等掺合料与水泥共同作用，优化混凝土孔结构，提高密实度，从而降低碳化速度；另一方面，随着掺合料的逐渐增多，水灰比逐渐增大，混凝土抗碳化能力降低。

5)外加剂。常见的混凝土外加剂一般为引气剂、减水剂和膨胀剂，引气剂会在混凝土内部引入大量的孔，从而加速CO2气体的渗入，加快了混凝土碳化的速度。减水剂会增加混凝土的和易性，使混凝土密实度增加，从而阻碍CO2的渗入，进而降低了混凝土的碳化速度[13]。而加入膨胀剂，会使混凝土内部碱性物质膨胀进而填充和堵塞混凝土内部的孔隙，增加混凝土的密实度，降低混凝土碳化速度。

6)骨料性质。轻质骨料气泡多，透气性大；天然砂、碎石透气性小于水泥浆体，故轻骨料混凝土的碳化速度快。粗骨料的粒径较大，提高了混凝土的孔隙率和渗透性，而轻骨料的孔隙较多，增加了CO2的扩散路径，加快了混凝土碳化速度，因此，材质坚硬、级配较好的骨料生产的混凝土渗透性较低，从而降低了碳化速度[3]。

混凝土抗压强度体现混凝土的综合性能，混凝土的抗压强度越高则碳化速度越慢。牛荻涛[14]利用了64组国内外实际调研数据，通过回归分析，得出了混凝土抗压强度与混凝土碳化速度系数的关系满足以下表达式：

(9)

式中，Kf为混凝土抗压强度控制的碳化速度系数；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值。

2.3 施工因素

施工因素主要是指混凝土的养护条件、搅拌和振捣情况，一般通过影响混凝土的密实性来影响混凝土的碳化速度。一般来说，施工质量越好，混凝土强度越高，整体密实性越好，抗碳化能力越高；而施工质量差，混凝土内部裂缝、孔洞会增加CO2在混凝土内部的扩散途径，从而加快扩散速度。

3 混凝土碳化深度预测模型

根据影响混凝土碳化的主要因素分析，牛荻涛[14]建立了碳化深度预测的多系数随机过程模式,即：

(10)

综合上述分析，混凝土碳化系数的随机模型可以表示为：

(11)

式中，fcu为混凝土立方体抗压强度是随机变量；mc为混凝土立方体抗压强度的平均值与标准值之比。

混凝土保护层厚度c是一个随机变量，服从正态分布，概率密度函数为[16]：

(12)

式中，μc为混凝土保护层厚度的平均值，σc为混凝土保护层厚度的标准差。

在大气环境因素和混凝土自身因素等随机因素作用下，混凝土的实际碳化深度体现了随机性，并且混凝土的碳化过程也会呈现随机性，碳化深度的一维概率密度可以表示为[16-17]：

(13)

式中，μt函数为混凝土碳化深度的平均值；而σt函数为混凝土碳化深度的标准差，并且满足下列关系：

(14)

(15)

式中，μk为碳化系数均值；σk为碳化系数标准差；t为公路桥梁服役时间。

令混凝土保护层被完全破坏的时间为t1，混凝土开始碳化到混凝土保护层被完全破坏的过程为ε(t1)：

ε(t)=c-X(t)

(16)

当t=t1时，混凝土保护层被完全破坏，混凝土碳化进入第二部分，钢筋表面钝化膜被破坏，在水和空气存在的条件下，钢筋表面开始生锈，混凝土保护层达到其寿命。

式中，c为混凝土保护层厚度；X(t)为混凝土碳化深度，随机过程；ε(t)为混凝土碳化寿命准则，随机过程。

4 工程实例计算

西北地区某跨度60 m的钢筋混凝土拱桥主拱拱肋混凝土设计标号为300号, 检测时已使用45年。CO2浓度为0.04%,年均温度9.6℃,年均相对湿度61%。对拱肋腹板进行的现场测试结果表明,混凝土强度服从正态分布N(31.278、2.312 MPa),推定强度28 MPa拱肋腹板箍筋保护层厚度和碳化深度均服从正态分布,其中,保护层厚度服从 N (17.788、3.987 mm)碳化深度服从N(12.53、4.08 mm)[10,17]。

由上述可知：