碳化深度對回彈法檢測混凝土強度的影響

孟軍濤

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

碳化深度對回彈法檢測混凝土強度的影響

孟軍濤

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

碳化深度對回彈法檢測的混凝土強度推定值有很大影響。本文介紹了混凝土的碳化原理及混凝土碳化的影響因素，并通過模型試驗研究碳化深度偏大對強度推定值準確性的影響，分析由于碳化修正引起強度推定值與鉆芯法抗壓強度相關性較差的原因。建議進一步研究碳化深度對高性能混凝土強度的影響，提高回彈法檢測的可靠性。

混凝土強度；碳化深度；回彈法

回彈法作為檢測混凝土強度的一種較普遍的方法，因其操作方便快捷且對結構無損害而大量被應用于工程結構混凝土檢測中［1-3］。回彈法是通過檢測混凝土表面硬度，然后結合碳化深度進行換算，最后通過統計學方法得到混凝土抗壓強度推定值。隨著高性能混凝土的大量應用，不但由于外部環境中的酸性氣體和一次水化產物氫氧化鈣等發生化學反應導致混凝土碳化，而且高性能混凝土中的摻合料也能消耗氫氧化鈣，造成碳化深度加深。對于碳化深度在回彈法檢測中的應用國內不少學者提出了質疑，在實際工程檢測中經常出現因碳化深度過大導致混凝土強度推定值與鉆芯試樣抗壓強度相關性較差，甚至出現使用回彈法對結構混凝土作出的評價與鉆芯結果相悖的現象。碳化深度較大時，混凝土強度推定值修正前后差異較大，例如回彈值為48 MPa未碳化時強度推定值為60 MPa，但碳化深度平均值不小于6mm時強度推定值僅為36 MPa，兩者相差40%。本文針對碳化深度對混凝土強度推定值的影響進行分析探討。

1　混凝土的碳化原理

混凝土碳化是周圍環境中的CO2等酸性氣體與水泥石水化產物水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、氫氧化鈣（Ca（OH）2）等發生化學反應，生成碳酸鹽導致混凝土中性化的現象。化學反應產生的碳酸鈣溶解度為63×10-6，其溶液pH值為8.5，而1%酚酞溶液在pH值＞9.0時呈紅色，＜9.0時呈無色，因此可通過測量變色分界面得到碳化深度值。

2　碳化深度的影響因素

混凝土碳化過程中，碳化深度隨時間增長而變大。張令茂等［4］對自然碳化的試驗研究表明，碳化深度與時間的冪函數成正比關系。除此之外，由于碳化主要是CO2溶于水后在混凝土孔隙內壁與堿性物質發生反應，因此碳化深度與施工時振搗養護、混凝土的密實性、含水率、自然環境中CO2濃度、水泥品種、用量、水灰比、骨料品種級配、摻合料、外加劑等有關。其中摻合料對其影響有2方面：①減小水泥用量使水化產物中的可碳物質減少，且發生二次水化反應，消耗水化產物中的氫氧化鈣，導致碳化深度加大；②二次水化的填充效應提高了混凝土的密實性，從而提高混凝土的抗碳化性能。

3　碳化深度試驗研究

分別制作普通混凝土和高性能混凝土模型，尺寸均為250 cm×50 cm×40 cm。齡期28，56，90和180 d時在模型前后兩面進行回彈試驗以及碳化深度的測量，且在模型頂面鉆取芯樣進行抗壓試驗。

3.1碳化深度

碳化深度測量方法是：首先，采用適當的工具在測區表面形成直徑15 mm的孔洞，其深度應大于混凝土的碳化深度，清除孔洞中的粉末和碎屑，且不得用水擦洗；然后采用濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液滴在空洞內壁的邊緣處，當已碳化與未碳化界線清晰時，采用碳化深度測量儀測量交界面到混凝土表面的垂直距離。

各齡期平均碳化深度統計結果見表1。可以看出，隨著齡期變大碳化深度逐漸增大，且由于高性能混凝土摻合料集料填充效應，以及二次水化產物有效封閉了孔隙，密實性要比普通混凝土好，因此高性能混凝土碳化深度較普通混凝土小。但由于二次水化消耗氫氧化鈣，導致后期碳化深度仍然較大。

3.2回彈強度推定值與抗壓強度相關性

根據高性能混凝土與普通混凝土各齡期的回彈值和碳化深度可以換算碳化后的回彈強度推定值（表2和表3）。可見齡期180 d的回彈強度推定值比56 d的小，這與鉆芯法得到的抗壓強度變化規律相反。因此又按無碳化（即碳化深度為0）的情況進行換算，得到無碳化時回彈強度推定值。分別對各回彈強度推定值與鉆芯法抗壓強度作相關分析，見圖1。可見，經碳化深度修正后回彈強度推定值隨著齡期增加反而減小，導致與鉆芯法抗壓強度相關性較差，而按照無碳化情況推算兩者相關性較好。

表1　各齡期碳化深度mm

表2　高性能混凝土各齡期回彈強度推定值與鉆芯法抗壓強度值對比MPa

表3　普通混凝土各齡期回彈強度推定值與鉆芯法抗壓強度值對比MPa

圖1　混凝土碳化前后回彈強度推定值與鉆芯法抗壓強度的相關性

4　分析與探討

4.1碳化深度測量的準確性

碳化深度測量最常用的方法為酚酞指示劑法，除此之外還有熱分析法、X射線物相分析法、紅外光譜法［5］。由于酚酞指示劑法較后幾種方法簡單、方便快捷，適合于現場檢測，現行規范將其作為標準試驗方法。但混凝土碳化是逐漸向內部擴散的，未碳化和完全碳化之間還存在碳化進行區域，導致指示劑變色分界面不明顯，因此測量得到的碳化深度為近似值。

由于混凝土碳化變脆，導致碳化測量鉆孔時出現孔口邊緣不齊整，孔內可見粗骨料或者測量角度不同都會影響測量的碳化深度。

4.2碳化深度值的真實性

碳化深度與時間的冪函數成正比關系，根據混凝土保護層厚度可以預測混凝土的使用年限。實際檢測中經常會出現齡期300 d以上的混凝土碳化深度值≥6 mm的現象，由此預測該混凝土使用年限遠遠小于設計年限，這一現象反證了碳化深度值偏大。

為了配制高性能、高耐久性混凝土，必須加入大量摻合料，如磨細礦粉、粉煤灰、硅灰等。這些摻合料在二次水化時會消耗大量的氫氧化鈣，導致碳化深度偏大，甚至出現滴入酚酞試劑不變色現象。因此，測量得到的碳化深度值為外部環境和內部水化2方面共同作用的結果。模型試驗中高性能混凝土和普通混凝土碳化修正后與抗壓強度相關性較差，且不進行修正反而與抗壓強度相關性較好，可以看出混凝土由于水化消耗氫氧化鈣對碳化深度影響很大，而外部環境中CO2與混凝土中堿性物質發生化學反應引起碳化的這部分作用很小，甚至由于表面密實性好在短時間內不碳化。

4.3碳化修正的必要性

混凝土碳化后抗壓強度提高，延性降低，其靜力彈性模量的變化正比于強度的變化，具有明顯的脆性。文獻［6］和文獻［7］分別從理論推導和試驗得到完全碳化后混凝土的本構關系，均得出完全碳化后峰值應力有所增加，前者增加60%，后者增加10%～40%。基于上述結論，按現行規范碳化深度＞6 mm時的碳化修正可以認為混凝土表面完全碳化，且應比未碳化的混凝土強度提高40%。但由模型試驗鉆芯法抗壓強度結果可以看出，高性能混凝土和普通混凝土在碳化深度值很大時，混凝土表面剛度并沒有增加太多，不滿足完全碳化的情況或者碳化前后混凝土實際抗壓強度差異達不到40%，因此建議適當減小或者不進行碳化修正。

5　結論與建議

1）碳化深度過大時，利用現行規范修正導致回彈法混凝土強度推定值與鉆芯法抗壓強度相關性較差。

2）測量碳化深度值需要更細致，增加測量次數，避開脆性缺口或可見粗骨料的位置，減小測量誤差，保證碳化深度值的準確性。

3）根據碳化深度與時間的關系，采用齡期對碳化深度值進行校核，得到真正引起混凝土表里強度差異的碳化深度值。

4）建議通過試驗研究高性能混凝土回彈強度推定值與鉆芯法抗壓強度的關系，減小由于摻合料水化作用增大碳化深度值，導致回彈強度推定值不滿足設計要求的誤判現象。

5）建議進一步研究各種強度混凝土碳化深度值對強度的影響，確保回彈強度推定值的可靠性。

6）建議通過試驗研究與現場檢測相結合，對現有規范中通過碳化深度換算的強度推定值進行修訂。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［2］張智.鉆芯法與回彈法在隧道襯砌強度檢測中的應用分析［J］.鐵道建筑，2014（5）：60-62.

［3］胡在良，李晉平，張佰戰.混凝土強度鉆芯法檢測與評定的若干問題分析［J］.鐵道建筑，2012（11）：131-135.

［4］張令茂，江文輝.混凝土自然碳化及其與人工加速碳化的相關性研究［J］.西安冶金建筑學院學報，1990，22（3）：207-214.

［5］徐飛，陳正，莫林.混凝土碳化試驗與碳化深度測定方法的對比分析［J］.工程與試驗，2013（4）：27-31.

［6］魯莉，梁發云，劉祖華.砼碳化后的受壓應力-應變關系［J］.住宅科技，1999（4）：28-30.

［7］徐善華，朱文治，崔煥平.完全碳化混凝土受壓本構關系試驗研究［C］//第22屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅱ冊）.烏魯木齊：中國力學學會結構工程專業委員會，2013.

（責任審編李付軍）

Influence of Carbonization Depth on Concrete Strength Inspected with Rebound Method

MENG Juntao
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Carbonization depth has influence on estimation of concrete strength with rebound method.T he principle of the concrete carbonization and the relevant factors were introduced.Influence of over-estimated carbonization depth on estimation accuracy of concrete strength was studied through model experimental tests.T he poor correlation between the estimated value from carbonization depth and the measured coring concrete compressive strength was analyzed.It suggests a further study on the influence of carbonization depth on high performance concrete is required to improve the reliability of rebound method.

Concrete strength；Carbonization depth；Rebound method

TU317+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.35

1003-1995（2016）10-0133-03

2016-03-25；

2016-04-19

孟軍濤（1983—），男，助理研究員。