不同類型持載混凝土碳化性能研究

王小惠, 涂靜婷

(1.上海海事大學 海洋科學與工程學院, 上海 201306; 2.江西省水投江河信息技術有限公司,江西 南昌 330095)

近年來,由于普通硅酸鹽水泥(portland cement,PC)中礦物摻合料的增加,混凝土碳化問題變得越來越重要。除水泥外,粉煤灰(fly ash,FA)、磨細的高爐礦渣和硅灰,常用于制備“綠色”混凝土。而混凝土的碳化受相對濕度[1-2]、二氧化碳濃度[2]和溫度[3]、水泥種類和含量[4]、混凝土養護條件和養護時間[5]以及混凝土水膠比[6]的影響;較差的混凝土質量[7]、荷載引起的微裂縫[6]和可見裂縫[8],也會影響混凝土的碳化性能。相對濕度(relative humidity,RH)是影響混凝土結構抗碳化性能的一個重要環境因素,當混凝土孔隙水飽和或者足夠干燥致使CO2難以進入時,會阻礙混凝土的碳化進程[9]。通常采用加速碳化試驗評估混凝土的抗碳化性能,并建立混凝土加速碳化與自然碳化間關系。考慮混凝土的濕度、溫度、CO2濃度和孔隙率,采用有限元方法預測了完好混凝土的碳化深度[10]。但服役鋼筋混凝土結構中的可見裂縫和微裂縫是不可避免的,在混凝土開裂處可觀察到較大的碳化深度[6-8]。然而,多數研究提出的預測鋼筋混凝土結構使用壽命的碳化模型,尚未將混凝土持載引起的微裂縫作為一個參數加以考慮[11]。在不同暴露條件下,混凝土最小保護層厚度的要求均基于這些碳化模型。盡管水膠比低的優質“綠色”混凝土抗碳化性能較好,但對于較大水膠比的持載“綠色”混凝土,在某些暴露條件下鋼筋混凝土構件中混凝土的最小保護層厚度無法滿足抗碳化性能要求[12]。

本文根據不同類型混凝土立方體試塊和持載鋼筋混凝土梁120、240 d加速碳化試驗結果[6,12],考慮CO2濃度和相對濕度對混凝土抗碳化性能的影響,建立自然條件下不同類型持載混凝土碳化深度預測模型。對由加速碳化試驗同類型混凝土澆筑的服役鋼筋混凝土構件,預測了其在50、100 a設計使用壽命下的碳化深度,以評估“綠色”混凝土的抗碳化能力。

1 加速碳化試驗概況和結果

試驗采用了表1所示6種混凝土配合比。膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥PC(CEM I 52.5 N)、PC摻30%粉煤灰(FA)和PC摻50%磨細高爐礦渣(GGBS)。水膠比為0.40和0.55。每種混凝土配合比均澆筑若干100 mm混凝土立方體試塊和4根鋼筋混凝土梁100 mm×120 mm×900 mm。養護后,所有用于加速碳化的試塊和4根鋼筋混凝土梁(見表1)均在與碳化室相似的環境條件(即溫度和相對濕度)下保存約90 d。再對梁試件進行4點彎曲靜力加載,使梁受拉區產生最大名義寬度為0.1 mm或0.3 mm的可見裂縫。卸載后,將梁試件成對背靠背放置,采用預緊鋼筋、100 mm×100 mm鋼板和螺栓固定,使裂縫保持開裂狀態;然后,將混凝土試塊和梁成對放置在碳化室內120 d(第1階段[6])和240 d(第2階段[12])。碳化室中CO2濃度為4%,濕度為60%。達到設計碳化時間后,進行了混凝土試塊和梁試件內混凝土碳化深度測量。具體步驟見文獻[6, 12]?；炷撩巹t為水膠比+膠凝材料類型,如040PC即水膠比0.40、普通硅酸鹽水泥PC澆筑的混凝土。

表1 未持載混凝土立方體試塊和持載鋼筋混凝土梁試件的加速碳化深度[6, 12]Table 1 Carbonation depths in unloaded concrete cubes and loaded RC beam specimens subjected to accelerated CO2 attacks[6, 12]

表1給出了混凝土立方體試塊和持載鋼筋混凝土梁試件的加速碳化深度試驗結果。從表1可以看出,經240 d加速碳化后,040PC混凝土立方體試塊和梁試件幾乎未碳化,而055FA梁試件幾乎完全碳化;055GGBS和040FA梁試件部分區域在梁整個高度上完全碳化。

2 自然暴露條件下混凝土碳化深度預測模型

考慮混凝土中CO2的擴散系數D與混凝土孔隙率和孔隙飽和率的關系、混凝土內部相對濕度對CO2擴散的影響,擴散系數D為[13]:

(1)

考慮擴散進入混凝土中的氣態CO2的質量單位,CO2的質量可表示為[14]:

(2)

式中:c是環境中的CO2濃度;σ是混凝土表面積;x是混凝土的碳化深度;m是擴散進入混凝土中CO2的質量。

式(2)中,擴散進入混凝土的二氧化碳質量m也可表示為:

dm=C0σdx

(3)

式中C0表示與單位體積混凝土樣品中的堿反應所需的CO2量。

根據式(2)和式(3),可得出:

(4)

將式(1)中的有效擴散系數D代入式(4),求解x為:

(5)

混凝土的碳化深度隨環境暴露時間的延長而增加。預測t時混凝土的碳化深度最常見的模型為[14]:

(6)

式中k是碳化系數。

(7)

(8)

式中:ct和cr分別是加速試驗和自然環境中的CO2濃度;上、下標中的t和r分別表示加速試驗和自然條件。

由式(8)可得實際自然條件下的碳化系數kr為:

(9)

在自然條件下,假定服役鋼筋混凝土構件采用的混凝土與加速碳化試驗的混凝土相同(包括水泥、摻合料、水膠比和混凝土配合比),則服役鋼筋混凝土構件中的碳化深度為:

(10)

3 影響因素討論

3.1 混凝土類型對自然條件下持載混凝土抗碳化性能的影響

考慮歐洲規范[16]規定的混凝土最小保護層厚度cmin,即不同暴露環境XC2/XC3和XC4下所需的cmin,其中XC2為潮濕或不太干燥的環境;XC3為中等濕度或干濕循環環境;XC4為干濕循環環境。圖1～5為不同暴露環境所要求的cmin與每種類型混凝土在設計使用壽命內的預測碳化深度。從圖1～5可以看出,對自然條件下持載的不同類型“綠色”混凝土,50 a和100 a的設計使用壽命內,在不同環境相對濕度下,其碳化深度預測值均呈現先增大后減小的趨勢。當相對濕度在60%左右時,混凝土碳化深度達到最大值。對相同混凝土類型和水膠比的混凝土,持載鋼筋混凝土梁的預測碳化深度均大于未持載混凝土立方體試塊的碳化深度。分別對比圖1和圖4、圖2和圖5,對不同水膠比的、同膠凝材料混凝土,水膠比越大,碳化深度越深,說明水膠比的增加導致混凝土孔隙率增加、混凝土抗碳化性能降低。在不同暴露環境XC2/XC3和XC4下,當設計使用壽命為50 a和100 a時,若混凝土未持載,除055FA混凝土外,其他類型混凝土的預測碳化深度都低于規范要求的cmin。對持載混凝土,僅040GGBS和055PC混凝土滿足XC2/XC3和XC4暴露環境50 a和100 a耐久性要求(見圖2、圖3);055FA混凝土50 a和100 a的大部分預測碳化深度曲線高于規范要求的cmin(見圖4),040FA 和055GGBS混凝土50 a和100 a的部分預測碳化深度曲線高于要求的cmin(見圖1、圖5)?？梢?持載“綠色”混凝土的抗碳化性能較差。

圖1 自然條件下040FA混凝土碳化深度Fig.1 Carbonation depths prediction of 040FA concrete under in-service environments

圖2 自然條件下040GGBS混凝土碳化深度Fig.2 Carbonation depths prediction of 040GGBS concrete under in-service environments

圖3 自然條件下055PC混凝土碳化深度Fig.3 Carbonation depths prediction of 055PC concrete under in-service environments

圖4 自然條件下055FA混凝土碳化深度Fig.4 Carbonation depths prediction of 055FA concrete under in-service environments

圖5 自然條件下055GGBS混凝土碳化深度Fig.5 Carbonation depths prediction of 055GGBS concrete under in-service environments

3.2 環境相對濕度對自然條件下持載混凝土抗碳化性能的影響

對相同環境相對濕度下的不同類型混凝土,圖6～8中分別進行了自然條件下持載混凝土50 a和100 a設計使用壽命的預測碳化深度和XC2/XC3和XC4暴露環境下所需最小混凝土保護層厚度的比較,其中040XC2/XC3和040XC4、055XC2/XC3和055XC4分別表示XC2/XC3和XC4暴露環境下水膠比0.40、0.55所需的最小混凝土保護層厚度。當暴露環境相對濕度達到80%,除055FA混凝土外,其他類型未持載和持載混凝土在XC2/XC3和XC4環境下的最大碳化深度均小于所需的混凝土最小保護層厚度(見圖8),說明當環境濕度過大時,CO2進入混凝土的傳輸過程受到阻礙[12];當暴露環境相對濕度低時,如相對濕度為40%(見圖6),所有未持載混凝土均可在暴露環境XC2/XC3和XC4下使用。由040FA、055FA和055GGBS混凝土澆筑的持載鋼筋混凝土構件,在相對濕度為60%時,預測碳化深度與達到50 a和100 a設計使用壽命所需的最小混凝土保護厚度間的差距最大(見圖7)。

圖6 相對環境濕度為40%時不同類型混凝土預測碳化深度Fig.6 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH is 40%

圖7 相對環境濕度為60%時不同類型混凝土預測碳化深度Fig.7 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH=60%

圖8 相對環境濕度為80%時不同類型混凝土預測碳化深度Fig.8 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH=80%

文獻[12]預測模型考慮了加速試驗和自然條件下不同的CO2濃度對混凝土碳化深度的影響。但混凝土的抗碳化性能隨相對濕度的變化而變化,特別是對于承受荷載的“綠色”混凝土[17]?，F階段,“綠色”混凝土一直被建議用于鋼筋混凝土結構中以降低建筑行業的CO2排放量,但對于承受荷載的摻粉煤灰和粒狀高爐礦渣的“綠色”混凝土,僅在相對濕度較高的自然暴露環境下才具有良好的抗碳化性能(見圖8);這2種混凝土中,水膠比較低的摻粒狀高爐礦渣混凝土的性能優于同水膠比的摻粉煤灰混凝土,且大水膠比混凝土抗碳化能力均較弱,不建議在相對濕度適中的自然環境中采用(見圖7)。

3.3 自然條件下持載混凝土最大碳化深度的環境相對濕度范圍

已有的許多研究表明,在環境相對濕度50%～70%的范圍,完好未持載混凝土的碳化深度最大。當濕度從52%上升到75%時,碳化深度顯著增加[18]。在CO2濃度為4%的暴露條件下,若環境相對濕度從57%增加到70%甚至到80%,碳化系數會降低[2]?；炷恋淖畲筇蓟疃?有可能分別發生在相對濕度為55%～65%[19]或60%～70%[11]、70%[2]的范圍內。本文中,對暴露在自然條件下未持載和持載的不同類型混凝土,從圖1～5可以看出,在環境相對濕度50%～70%內均達到最大預測碳化深度,與先前研究得出的結論[11,18-20]類似。

4 結論

1)對設計使用壽命為50 a和100 a的摻粉煤灰和粒狀高爐礦渣的不同水膠比的“綠色”混凝土,隨環境相對濕度的增加,混凝土的預測碳化深度呈現先增大后減小的趨勢。在相同環境相對濕度下,同一類型的混凝土,水膠比越大,碳化深度越大。對相同類型和水膠比的“綠色”混凝土,持載混凝土的預測碳化深度大于未持載混凝土的預測碳化深度,反映了外荷載對混凝土抗碳化性能的不利影響。

2)相同的環境相對濕度下,較大水膠比的摻粉煤灰混凝土055FA的預測碳化深度與不同暴露環境XC2/XC3和XC4所要求的最小混凝土保護層厚度間的差距最大。因此,在粉煤灰混凝土構件保護層厚度抗碳化設計時,應綜合考慮荷載作用和環境濕度的影響,設計保護層厚度。

3)不同類型混凝土中,除040PC混凝土外,不同環境相對濕度(35%～90%)下,僅040GGBS和055PC持載混凝土滿足XC2/XC3和XC4暴露環境下50 a和100 a設計使用壽命的耐久性要求。耐久性設計中,應重視外荷載作用對混凝土抗碳化性能的影響。

4)當環境相對濕度為50%～70%時,水膠比較大的摻粉煤灰和摻粒狀高爐礦渣的持載“綠色”混凝土不能滿足暴露環境XC2/XC3和XC4最小混凝土保護層厚度要求。故在此濕度范圍內,應盡量避免采用較大水膠比的“綠色”混凝土。