裝配式結構混凝土結合面碳化性能試驗研究*

歐陽志鵬，孫 彬，王 霓，毛詩洋

(中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

因環境影響小、人工需求少、資源消耗低等諸多優點，裝配式混凝土建筑在全國得到廣泛的推廣應用。裝配式混凝土結構中存在大量的預制混凝土與現澆混凝土的結合面，因結合面混凝土的抗拉強度和密實性均低于整體現澆混凝土，結合面成為影響結構安全性與耐久性的薄弱部位[1]，在結合面處，大氣環境中的二氧化碳、水和氧氣更容易滲入，混凝土抗碳化能力降低，鋼筋更容易發生銹蝕。

國內外對結合面的研究主要集中在新老混凝土結合面的粘結強度，He Yan等[1]開展的新老混凝土結合面粘結強度試驗表明，結合面粘結強度與界面分形維數相關，粗糙面的處理方法及粘結劑種類均會影響粘結強度。張晉峰等[2]開展了基于鉆芯植筋拉拔法的結合面正拉粘結強度試驗研究，結果表明，結合面正拉粘結強度明顯弱于混凝土本體，且表面施工清理狀況對粘結強度影響較大。針對環境介質在混凝土結合面處的滲透規律，Zhou Jian等[3]對老混凝土與加固水泥砂漿粘結界面的微觀結構進行電子掃描成像，發現界面區的孔隙率更大，飽水后的老混凝土能使界面水化更徹底，顯著降低孔隙率；李國平等[4]對分段成型橋梁接縫處的碳化、氯離子擴散、抗凍融等多項耐久性能進行了試驗研究，證明接縫的耐久性能相比整體現澆混凝土更差，環境介質更容易侵入內部。李平先等[5]開展的新老混凝土結合面試件的抗滲性能試驗研究表明，結合面的滲透系數遠大于新、老混凝土本體，滲透系數相比混凝土本體大約高1～2個數量級；Li Fumin等[6]對混凝土結合面的氯離子滲透進行了研究，結果發現氯離子在結合面處的滲透深度大于兩側混凝土。現有的研究成果均表明結合面處混凝土抵抗介質侵入的能力低于整體現澆混凝土。

混凝土碳化性能是評價一般大氣環境下混凝土耐久性能的重要指標，現階段國內外未見關于裝配式結構混凝土結合面抗碳化能力的系統性研究。根據《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ 1—2014)(簡稱JGJ 1—2014規程)第12.3.7條規定，預制構件結合面疏松部分的混凝土應剔除并清理干凈，在澆筑混凝土前應灑水濕潤結合面，而在實際施工中，結合面清理狀況往往達不到JGJ 1—2014規程要求，進而影響混凝土的粘結質量。本文設計制作了含有混凝土結合面的疊合構件，考慮了結合面處不同的施工清理狀況，鉆取結合面處混凝土芯樣進行快速碳化試驗，研究結合面混凝土的碳化特征和規律，為裝配式混凝土結構耐久性設計與評定提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

考慮工程中結合面是否清理和是否灑水濕潤的實際情況，共設計了4種不同的結合面清理狀況，混凝土疊合試件設計見圖1。圖1中A，B，C，D代表不同的清理狀況分區，A區是按JGJ 1—2014規程要求清理并灑水濕潤結合面，B區是清理但不灑水濕潤結合面，C區是不清理但灑水濕潤結合面，D區是不清理并不灑水濕潤結合面。預制部分和后澆部分的混凝土配合比參數見表1，預制混凝土與現澆混凝土的水灰比分別是0.5,0.4。

圖1 試件尺寸與結合面清理狀況分區

混凝土配合比參數/(kg/m3) 表1

通過均勻鋪灑灰土模擬結合面未清理的情況，考慮到構件表面積灰粒徑一般小于0.2mm，堆積密度約為1 000kg/m3，采用方孔砂石篩泥土，篩選出直徑小于0.16mm的灰土，按滿鋪一層灰塵考慮，結合面設計鋪灑0.2kg/m2的積灰。為減小灑水對積灰的影響，采用低速水流在預制板面上方約10cm處緩慢灑水濕潤結合面。

澆筑尺寸為2 800mm×350mm×200mm的預制構件，預制構件成型模板表面設有凸起鍵槽，澆筑后形成的粗糙面深度為6mm，各項參數符合JGJ 1—2014 規程要求。在平均溫度23℃、平均相對濕度43%的自然環境下養護30d后，按設計清理狀況對結合面進行處理，實際處理效果如圖2所示。最后，再進行后澆混凝土澆筑，完成尺寸為2 800mm×350mm×400mm的疊合構件制作。

圖2 結合面不同清理狀況

1.2 碳化試件截取與加工

后澆混凝土養護30d后進行鉆芯取樣，鉆芯時使結合面位于芯樣軸線處，每個分區各鉆取3個直徑100mm的圓柱體芯樣。采用切割機去除端面不平整部分和在空氣中已發生碳化的混凝土表面，加工成直徑100mm、長度300mm的混凝土芯樣碳化試件。對試件進行編號，以字母代表試件在圖1中所處的分區，例如，A2試件代表在A區鉆取的第2個芯樣試件，對應的結合面清理狀況為清理+灑水濕潤。疊合構件和芯樣碳化試件的制作過程見圖3。

圖3 疊合構件和芯樣碳化試件制作

1.3 試驗方法

將混凝土芯樣碳化試件置于60℃的烘箱中烘干48h后取出，兩端的圓形面用石蠟密封，以圓柱體側面為暴露面，放入碳化箱內進行快速碳化。依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行快速碳化試驗，快速碳化箱型號為CCB-70F，CO2濃度為(20±3)%，溫度為(20±2)℃，相對濕度為(70±5)%，并對CO2濃度、溫度和相對濕度進行實時監測和調整。

快速碳化前，測試結合面處的初始碳化值；試驗過程中，分別在快速碳化進行到3，7，14，28，56d時取出試件，從芯樣端部劈裂用于測試碳化深度，剩余部分用石蠟密封端面繼續進行碳化。測量碳化深度時先清除劈裂面殘存粉末，滴上濃度為1%的酚酞酒精溶液，靜置30s后測量各點碳化深度，精確至0.1mm。

由于混凝土碳化分界線不規則，為避免測量過程中人為因素的影響，在測量前預先設定測點位置。為對比結合面碳化深度與預制混凝土、后澆混凝土的差異，重點關注結合面周圍區域碳化深度的變化規律，故在結合面兩側進行測點加密，測點間距5mm，在遠離結合面處適當減少測點數量，測點布置及測點編號見圖4。

圖4 碳化深度測點布置

2 試驗結果與分析

2.1 結合面混凝土碳化特征

(1)按JGJ 1—2014規程要求清理的結合面混凝土碳化特征

不同碳化齡期下，按JGJ 1—2014規程要求清理的結合面混凝土碳化特征照片見圖5，圖中的標記框為結合面位置，下部為預制混凝土，上部為后澆混凝土。由于后澆混凝土中的OH-向預制混凝土內擴散，預制部分已碳化混凝土的孔隙溶液恢復堿性，存在再堿化過程，故圖5(a)中結合面處預制混凝土未見碳化。因后澆混凝土比預制混凝土的水灰比小，混凝土密實度較高，CO2在后澆混凝土中的擴散速度較慢，因此，相同碳化齡期下后澆混凝土碳化深度小于預制混凝土。

圖5 按JGJ 1—2014規程清理的混凝土結合面的碳化特征

快速碳化7d時，可觀察到芯樣外周混凝土為淡紫色，與核心區域混凝土的顏色界限不明顯，表明混凝土已發生一定程度碳化但pH值尚未降低到使酚酞試劑不變色。快速碳化14d時，可以清晰分辨碳化區和未碳化區混凝土的界限，同時觀察到結合面處碳化分界線向內略微凹陷，可見，按JGJ 1—2014規程要求清理也會削弱結合面處混凝土的抗碳化能力。對比圖5(d)和圖5(f)發現，快速碳化14d時僅在距結合面3mm范圍內的混凝土碳化深度加大，快速碳化56d時結合面周圍約7mm范圍內的混凝土碳化深度均有明顯增大，說明CO2沿著結合面向混凝土內部滲入更快，隨后向結合面的兩側擴散，加速結合面周圍混凝土的碳化，且隨著碳化時間的增加，受結合面影響的區域會逐漸變大。

(2)未按JGJ 1—2014規程要求清理的結合面混凝土碳化特征

未按JGJ 1—2014規程要求清理的結合面混凝土碳化特征典型照片見圖6。快速碳化14d時，B，C，D區試件組結合面混凝土碳化深度均大于混凝土本體，各清理狀況下結合面碳化深度X的大小依次為XD>XC>XB>XA，但因結合面影響范圍較小，對截面的碳化分界線影響不顯著。隨著碳化時間的增加，各組試件結合面的影響區域均逐漸變大，在碳化齡期達到56d時，B，C區試件組的結合面碳化特征與A區試件組基本一致，D區試件組結合面的碳化深度相對混凝土本體明顯增大。

圖6 未按JGJ 1—2014規程清理的結合面混凝土碳化特征

為對比不同清理狀況對結合面混凝土碳化的影響，在結合面周圍碳化分界線的曲率變化處加密測點，以測試結果作為控制點繪出每一個試件的碳化分界線，精確完整地表征結合面周圍混凝土碳化深度的變化趨勢。快速碳化28d時，4種清理狀況的結合面周圍混凝土碳化分界線對比見圖7，可以得到以下特征：

圖7 快速碳化28d時各清理狀況結合面碳化分界線對比

1)碳化齡期較長時，A，B，C區3組試件結合面處碳化分界線的曲率變化均相對平緩，在距結合面約5mm處混凝土的碳化深度開始逐漸變大。結合面混凝土的碳化深度略大于預制混凝土，說明清理+不灑水濕潤和不清理+灑水濕潤這兩種清理狀況對結合面長期抗碳化能力的影響不顯著。

2)D區試件組結合面混凝土的碳化深度相對預制混凝土顯著增大，說明不清理+不灑水濕潤結合面會嚴重削弱后澆混凝土與預制混凝土的有效粘結，使結合面的密實度顯著低于按JGJ 1—2014規程要求清理的試件，加上未灑水濕潤造成結合面積灰占比大，CO2沿結合面方向滲透速度遠大于垂直結合面方向的滲透速度，造成結合面處混凝土碳化深度明顯增大。

3)A，B區試件組在結合面處碳化深度相差不大，但D區試件組結合面碳化深度明顯大于C區，說明后澆前灑水濕潤結合面對于混凝土的抗碳化能力有改善作用。這是由于灑水濕潤一方面可以使結合面處后澆混凝土的水化更徹底，另一方面積灰隨水流聚集在表面不平整的孔洞與凹槽內，在一定程度上減小了結合面的積灰面積比例，從而提高了結合面的粘結質量。

將試件沿結合面劈裂并噴灑酚酞試劑，測試結果見圖8。預制構件通常采用拉毛法、壓痕法等工藝增加結合面的粗糙度，以提高預制混凝土與后澆混凝土的粘結強度。本試驗通過壓痕法在預制構件結合面設置凹槽，從圖8(a)可見，凹槽處更容易積納灰塵進而影響混凝土的有效粘結。在結合面未清理的狀況下，凹槽處混凝土碳化深度顯著大于其他部位，如圖7、圖8(c)中D區試件，說明結合面抗碳化能力還受粗糙面處理工藝影響。對比各組試件結合面剖面碳化深度，A，B區試件組在結合面剖面測得的碳化深度略大于預制混凝土，而C，D區試件組的結合面碳化深度則明顯大于預制混凝土，如圖8(b)，(c)所示。圖8(d)為結合面剖面兩側混凝土的碳化，后澆混凝土與預制混凝土在結合面處碳化深度相同，但由于后澆混凝土CO2擴散系數較小，結合面滲入的CO2大部分向預制混凝土內擴散，導致在碳化深度測試面上后澆混凝土的碳化基本不受結合面的影響。

圖8 結合面所在剖面碳化深度對比

2.2 結合面混凝土抗碳化能力分析

碳化深度試驗結果 表2

圖9 各清理狀況下結合面碳化深度對比

碳化系數擬合結果 表3

可見，各清理狀況下結合面的碳化系數均大于混凝土本體，證明結合面是裝配式混凝土結構耐久性的薄弱環節。A區與B區試件組的碳化系數差異不明顯，說明清理結合面后是否灑水濕潤對結合面抗碳化能力影響不顯著，而D區試件組的碳化系數大于C區試件組，說明未清理結合面的情況下，灑水濕潤可以提高結合面抗碳化能力。在其他試驗條件相同時，結合面正拉粘結強度與抗碳化能力正相關，文獻[1]中植筋拉拔試驗證明清理+灑水濕潤和清理+不灑水濕潤兩種清理狀況下結合面強度無顯著差異，與本次碳化試驗結果一致。由于施工過程中未按JGJ 1—2014規程要求對結合面進行清理+灑水濕潤，不清理+不灑水濕潤清理情況的試件組結合面碳化系數為預制混凝土的2.6倍。

2.3 結合面的界面系數分析

為量化結合面對混凝土抗碳化能力的影響，定義單個試件的界面系數BI：

(1)

式中BI為無量綱參數，BI=1代表結合面對混凝土碳化無影響，BI>1代表結合面會削弱混凝土的抗碳化能力。

以BIn表示快速碳化n天時的BI值(n=14，28，56)，BIi表示不同結合面清理情況分區i的BI值(i=A，B，C，D),結果見表4。取同組3個試件界面系數的平均值為該清理狀況下結合面的界面系數，界面系數對比見圖10。

界面系數對比 表4

圖10 不同清理狀況下界面系數對比

總體上BID>BIC>BIC>BIA>1，按照JGJ 1—2014規程清理的結合面混凝土界面系數約為1.5～1.6。快速碳化14d時，結合面未清理的C，D區試件組界面系數大部分超過2.0，表明后澆前不清理結合面會顯著降低混凝土的抗碳化能力。快速碳化56d時，C區試件組界面系數平均值為1.68，與A，B區試件組較為接近，D區試件組界面系數平均值則達到2.99，表明未進行清理+灑水濕潤的結合面抗碳化能力較差，且灑水濕潤可以減小結合面未清理對抗碳化能力的影響。對比各清理狀況下界面系數隨碳化時間的變化規律，按JGJ 1—2014規程要求清理的A區試件組界面系數平均值穩定在1.5左右，不按JGJ 1—2014規程要求清理的D區試件組界面系數平均值則逐漸由2.33增大至2.99。

3 結合面混凝土碳化模型及影響系數

3.1 結合面混凝土碳化模型

通過理論研究與實測數據統計分析，國內外學者提出了眾多基于不同參數的混凝土碳化模型[7-9]，3種典型的模型及其特點見表5。碳化模型1為基于Fick定律的理論模型，碳化模型2為基于配合比的經驗模型，碳化模型3為基于抗壓強度的實用模型。

3種典型碳化模型及其特點 表5

對比現有模型的理論基礎、優缺點及實用性，本文選用《既有混凝土結構耐久性評定標準》(GB/T 51355—2019) 中的實用碳化模型：

X=3KCO2Kk1KktKksKFT0.25RH1.5(1-

(2)

3.2 結合面混凝土碳化影響系數

試驗結果表明，由于兩次澆筑的混凝土結合面處存在一個類似的微裂紋，CO2和水的滲入擴散速度更快，裝配式結構混凝土結合面相比整體現澆混凝土的碳化速度更快。為了反映結合面處混凝土抗碳化能力的降低，在式(2)模型基礎上乘以結合面碳化影響系數KⅠ以考慮結合面的不利影響。

快速碳化56d時，A，B，C區試件組結合面界面系數BI56比較接近，平均值為1.63；結合面清理狀況較差的D區試件組碳化深度相對較大，界面系數BI56平均值為2.99。綜合本文試驗結果，現澆結構及裝配式結構中的非結合面混凝土取KⅠ=1.0；混凝土結合面處取KⅠ=1.7；當考慮結合面施工質量存在缺陷時，可根據結合面正拉粘結強度及破壞斷面積灰清理狀況對KⅠ進行適當調整，當結合面正拉粘結強度顯著低于混凝土本體或者破壞面積灰比例較高時，取KⅠ=3.0，其他情況KⅠ可以在1.7～3.0之間插值。

4 試驗驗證結果

碳化模型驗證結果 表6

5 結論

(1)混凝土結合面是裝配式結構耐久性的薄弱部位，即使按照JGJ 1—2014規程要求清理，結合面混凝土抗碳化能力依然弱于混凝土本體，結合面碳化系數約為混凝土本體的1.5倍。

(2)結合面清理質量對其抗碳化能力有顯著影響，若不清理+不灑水濕潤結合面，結合面混凝土碳化系數最大可達到預制混凝土本體的3倍；在清理結合面的情況下，是否灑水濕潤對結合面抗碳化能力影響不顯著，但在不清理的情況下，后澆混凝土前灑水濕潤結合面對于結合面混凝土的抗碳化能力有改善作用。

(3)按照JGJ 1—2014規程要求處理，結合面碳化系數相對穩定，其不隨碳化時間而發生變化；不按照JGJ 1—2014規程要求處理，結合面碳化系數隨碳化時間表現出不同的特征。快速碳化14d時，結合面混凝土碳化系數從小到大對應的結合面清理狀況依次為清理+灑水濕潤、清理+不灑水濕潤、不清理+灑水濕潤和不清理+不灑水濕潤；快速碳化時間大于28d時，清理+灑水濕潤、清理+不灑水濕潤和不清理+灑水濕潤這三種狀況的碳化系數之間差異不顯著，但不清理+不灑水濕潤的碳化系數明顯較大；不清理+不灑水濕潤的結合面碳化系數隨著碳化時間的增加有明顯增大趨勢。

(4)因預制構件粗糙面的處理方式會影響結合面抗碳化能力，在研究粗糙面處理工藝時應關注處理方式對結合面耐久性的影響。

(5)考慮到結合面及其施工質量對混凝土抗碳化能力的不利影響，提出了采用結合面影響系數修正現有碳化模型的方法。經驗證，修正后的模型預測結果與試驗實測結果吻合較好。