氯离子侵蚀程度与再生细骨料取代率对混凝土碳化的影响探讨

王玲玲

（南通市建筑科学研究院有限公司，江苏 南通 226000）

0 引言

再生骨料混凝土简称再生混凝土，即将废弃混凝土块体经破碎、筛分、除去杂质等工序处理为再生粗细骨料，然后部分或全部替代天然粗细骨料制备而成的一种新型混凝土。因其可以实现对废弃混凝土的回收再利用，使其具有再生特性。但再生混凝土相较于普通混凝土而言，由于再生骨料的存在具有密实度较差，内部孔隙微裂缝较多，抗压强度低等缺点[1-2]。遭受氯离子侵蚀后的再生混凝土内部结构将重新分布，因而氯离子侵蚀的浓度和时间将直接影响到结构再生混凝土的安全性和耐久性，其中碳化行为的变化尤为受关注[3-4]。因此，本文将研究高浓度氯离子环境作用下不同氯离子侵蚀程度与不同再生细骨料取代率的混凝土的碳化行为，以期为再生混凝土性能的提升提供一定的参考。

1 不同氯离子侵蚀时间下单掺再生细骨料混凝土碳化规律

1.1 氯离子侵蚀5d和10d比较分析

为了研究不同氯离子侵蚀天数对单掺再生细骨料混凝土碳化深度的影响，图1和图2分别给出了碳化时间分别为7d、14d、21d和28d时，两组单掺再生细骨料混凝土碳化深度均值和平均碳化速率。

图1 碳化深度随时间变化规律

图2 碳化速率随时间的变化

从图1可以发现：碳化深度随着氯离子侵蚀时间的增加而减小。这是因为氯离子侵蚀之后会使混凝土孔隙更加密实，减少了二氧化碳的进入，这个过程可能是由于化学反应引起也可能是物理作用形成。

从图2中可得，氯离子侵蚀5d的相对碳化速率明显要比氯离子侵蚀10d的要快，且总体的碳化速率呈上升趋势。尤其当碳化14d后碳化速率明显增大，其中当碳化到21d和28d时氯离子侵蚀5d的碳化速率比氯离子侵蚀10d的碳化速率分别大出0.41mm/d和0.52mm/d。这可能是由于短期的氯离子侵蚀只对单掺再生细骨料混凝土内部达到填充孔隙的效果，而5d的氯离子侵蚀填充度小于10d的氯离子侵蚀，甚至可能目前氯离子仅在单掺再生细骨料混凝土孔洞内结晶尚未开始化学反应。从而使得10d氯离子侵蚀后的单掺再生细骨料混凝土试件的密实度更高，CO2更不易进入到混凝土内部。

1.2 氯离子侵蚀5d

在氯离子浸泡5d之后，单掺再生细骨料混凝土和控制混凝土碳化深度实测值如表1。图3（a）给出了各碳化龄期下不同取代率单掺再生细骨料混凝土与控制混凝土对应的碳化深度增大率。

表1 5d单掺再生细骨料混凝土碳化深度值（单位：mm）

通过计算可知，与控制混凝土相比，单掺再生细骨料混凝土7d、14d、21d和28d碳化深度平均提高了0.15mm、0.78mm、1.30mm、2.40mm，相应的碳化深度增大率为96%、51%、24%、39%。

1.3 氯离子侵蚀10d

氯离子侵蚀10d之后，单掺再生细骨料混凝土碳化深度实测值如表2。

表2 10d单掺再生细骨料混凝土碳化深度值（单位：mm）

与控制混凝土相比，单掺再生细骨料混凝土7d、14d、21d和28d碳化深度平均提高了0.10mm、0.68mm、0.50mm、0.30mm，相应的碳化深度增大率随碳化时间的增加 而 递 减，分别为66%、20%、21%、10%，见图3（b）。

图3 碳化深度增大百分率

2 相同侵蚀时间下取代率对单掺再生细骨料混凝土碳化的影响

2.1 氯离子侵蚀作用下碳化规律

从图4可以发现，不论氯离子侵蚀试件5d或10d，随着取代率的增大，碳化深度均值是先增大后再减小的趋势，其中当再生细骨料的取代率达到30%时，再生细骨料混凝土的碳化均值达到最低值。碳化深度随着取代率增大主要有两方面因素。首先，再生骨料的孔隙率比普通骨料的孔隙率大，再生细骨料混凝土密实度低，导致CO2更容易往内部扩散，其碳化深度增大；其次，再生骨料表面附着老水泥砂浆，这使得再生细骨料混凝土中总水泥含量较普通混凝土大，更容易发生碳化反应。而当取代率为30%碳化深度达最低值，可能是由于30%的再生细骨料取代率是目前的最优取代率。

图4 不同取代率下平均碳化深度

不同取代率下氯离子浓度百分比见图5，图5显示了取代率不同的再生细骨料混凝土试件在浸泡过氯离子溶液一段时间后，其内部的氯离子浓度百分比。将图4和图5结合可以发现，氯离子浓度最高的试件为再生细骨料取代率为0%和30%的再生细骨料混凝土，而这两组试件的碳化深度值恰恰又是最小值，因此可以确定氯离子浸泡5d和10d后再生混凝土试件内的孔隙处于填充状态，因而改变了内部孔结构分布，且氯离子尚未与再生细骨料混凝土内部的Ca（OH）2和C3A发生化学反应。

图5 不同取代率下氯离子浓度百分比

2.2 氯离子侵蚀下，碳化深度与取代率的函数方程式

首先，根据再生细骨料取代率为0的再生细骨料混凝土的碳化数据建立碳化经时方程（见式1），而后建立不同取代率下的碳化经时方程（见式2和式3）。

氯离子浸泡5d：

氯离子浸泡10d：

式中：

Xc——碳化深度，mm；

t——碳化龄期，d；

r——再生混凝土单掺时，再生细骨料取代率，%。

这两个拟合方程拟合度分别为0.985和0.986。

2.3 氯离子碳化深度与扩散系数函数关系式

从图4和图5可以发现，再生细骨料混凝土内部氯离子浓度对碳化深度是有一定影响的，但由于浸泡时间较短，再生混凝土内部的氯离子浓度不足以达到耐久性设计规范中以环境类别与作用等级规定的极限含量（0.06%硅酸盐水泥熟料质量），因此以氯离子扩散系数作为自变量从而建立氯离子扩散系数与碳化函数关系式。

采用王前等[5]改进的氯离子渗透系数计算公式计算出5d和10d氯离子侵蚀下各个深度处的氯离子渗透系数，见表3和表4。

表3 5d氯离子扩散系数（单位：mm2/d）

表4 10d氯离子扩散系数（单位：mm2/d）

从表3和表4中计算出相对应碳化深度处的氯离子渗透系数，拟合不同取代率中氯离子渗透系数与碳化深度的关系图，见图6。

图6 氯离子侵蚀后碳化深度与氯离子渗透系数拟合图

氯离子浸泡5d后单掺再生细骨料混凝土碳化深度Xc

与氯离子渗透系数Di公式：

氯离子浸泡10d后单掺再生细骨料混凝土碳化深度与氯离子渗透系数Di公式：

从这两个公式可以发现，氯离子渗透系数越大，碳化深度越深。这是由于再生细骨料混凝土内部孔隙较多，在氯离子浸泡初期水中氯离子逐渐向再生细骨料混凝土内部发展，仅仅能填补再生细骨料混凝土表面小部分孔隙，但大多数孔隙依旧存在，也致使CO2愈加向其内部扩散。比较氯离子浸泡5d和10d的氯离子渗透系数与再生细骨料混凝土碳化深度公式，可以看出随着浸泡时间延长，氯离子渗透系数减小，而碳化发展逐渐减缓，这可能是由于再生细骨料混凝土试件置于氯离子溶液中，随着溶液中氯离子逐渐渗透，混凝土内部的微小孔隙逐渐填满，致使孔结构改变，从而开始抑制CO2进入再生细骨料混凝土内部。

3 结束语

通过本文分析，主要得出以下结论：碳化深度随着氯离子侵蚀时间的增加而减小；碳化速率随着氯离子侵蚀时间的增加而降低；碳化深度随着再生细骨料取代率的增加先增大后减小，取代率为30%时达到最低值；氯离子渗透系数越大，碳化深度越深；随着氯离子侵蚀时间的增加，氯离子渗透系数减小，而碳化发展逐渐减缓；碳化深度与再生细骨料取代率呈现一元二次函数关系。