考慮碳化作用的水工混凝土耐久性研究

車 明 杰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

混凝土碳化導致內部鋼筋銹蝕是常見的混凝土破壞現象之一,水利工程的運行環境大多比較嚴酷,因此水利工程中的混凝土結構更容易因老化而造成破壞,水工混凝土出現開裂、鋼筋銹蝕、表面剝落的現象十分常見,有的甚至非常嚴重,直接影響結構安全穩定,中國每年需投入大量資金對水利工程進行維修養護。根據對全國小型水工混凝土構筑物進行破壞調查發現,鋼筋混凝土水閘的閘墩、胸墻、梁等重要結構破壞的比例接近50%,鋼筋混凝土壩體出現破壞的比例也超過10%,因此水工混凝土的老化破壞必須給與高度重視。水工混凝土的耐久性及工作壽命直接影響著水利工程的安全運行,筆者通過試驗測試不同配合比水工混凝土的碳化深度,并分析碳化深度與混凝土配合比的關系,可為研究水工混凝土耐久性、預測水工混凝土壽命提供研究基礎。

1 水工混凝土的碳化機理

1.1 混凝土碳化的基本理論

混凝土碳化是指混凝土中的碳酸化反應生成碳酸鹽,進而導致混凝土的酸堿度發生變化。在大氣環境下,室外空氣中的二氧化碳濃度為380×10-6,室內空氣中二氧化碳濃度為1 000×10-6,與空氣中的水共同發生反應導致混凝土pH值降低,化學反應方程式如下式:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

(3CaO·SiO2·3H2O)+3CO2→(3CaCO3·2SiO2·3H2O)

(2)

3CaO·SiO2+3CO2+γH2O→SiO2·γH2O+3CaCO3

(3)

2CaO·SiO2+2CO2+γH2O→SiO2·γH2O+2CaCO3

(4)

1.2 水工混凝土碳化的影響因素

水工混凝土碳化的影響因素主要包含:①水泥品種、水泥用量;②水灰比;③摻合料;④外加劑;⑤骨料品種;⑥養護方式;⑦溫度;⑧濕度;⑨有害氣體的成分、濃度;地下水環境;混凝土的應力狀態[1]。

筆者主要探究水灰比及外加劑兩個影響因素與碳化深度之間的關系。

1.3 碳化區的劃分

水工混凝土發生碳化后,氫氧化鈣會因碳化反應被消耗,因此混凝土碳化區域的pH值會降低,從混凝土表面到內部區域pH值的分布逐漸增大。可將混凝土碳化區域分成兩大區域:完全碳化區和部分碳化區,完全碳化區的pH值一般為7左右,部分碳化區pH值一般(7

1.4 碳化區域的物質組成

(1)根據混凝土碳化化學反應方程式可知,碳化反應是pH值降低的過程,氫氧化鈣導致pH值變化的關系見下式[2]:

pH=14+lg(4.32×10-2/[Ca(OH)2)]/[Ca(OH)2]0)

(5)

式中 [Ca(OH)2]為碳化混凝土內氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]0為未碳化混凝土內氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3。

(2)國外研究學者建立的碳化模型,其中二氧化碳濃度、氫氧化鈣濃度及pH值的化學反應方程見下式:

(6)

(7)

(8)

式中x為碳化區某點到混凝土表面的距離,m;t為碳化時間,s;[CO2]為混凝土中二氧化碳的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]為混凝土中氫氧化鈣的摩爾濃度,mol/m3;[CSH]為混凝土中水化硅酸鈣的摩爾濃度,mol/m3;KCH、KCSH為氫氧化鈣與水化硅酸鈣的碳化反應速率常數,m3/(mol·s)。

上述三個偏微分方程的前提條件:

在x=0處,

[CO2]=[CO2]0

(9)

在混凝土構件中軸線處,

(10)

初始條件為t=0時:

[CO2]=0

(11)

[Ca(OH)2]=[Ca(OH)2]0

(12)

[CSH]=[CSH]0

(13)

式中 [CO2]0為二氧化碳的摩爾濃度,mol/m3;[Ca(OH)2]0、[CSH]0為未碳化混凝土中氫氧化鈣、水化硅酸鈣的摩爾濃度,mol/m3。

2 水工混凝土碳化試驗設計

2.1 設計依據

根據水工混凝土設計、試驗相關規程、規范開展此次試驗研究工作。

2.2 材料選取

(1)水泥

P·O52.5硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰

選用的粉煤灰主要指標為:水分含量3%;燒失量3.64%;需水量比94%;細度18;三氧化硫含量12%[3]。

(3)細骨料(砂)

選用細骨料為中砂,砂料為河砂。

(4)粗骨料

選用粗骨料粒徑5～35 mm,品種為卵石。

(5)外加劑

外加劑選用聚羧酸系高效減水劑、液體三萜皂甙引氣劑[4]。

(6)砂率

根據此次試驗情況進行混凝土試拌,水灰比為0.4,得出此次試驗砂率為0.34,砂率測試結果見圖1。

圖1 砂率測試結果

2.3 配合比設計

此次試驗主要配置5組不同水灰比試件及5組不同減水劑摻量試件,水工混凝土配合比見表1。

表1 水工混凝土配合比

2.4 試驗步驟

碳化試驗應按下列步驟進行[5]:

(1)首先混凝土試件先經過處理后放入碳化試驗箱內,試件間距應不小于5 cm。

(2)碳化試驗箱應進行密封,打開二氧化碳充氣閥門,應調節閥門開度控制流量,保證碳化試驗箱內二氧化碳濃度為(0%±3%)并在箱內放入去濕硅膠。

(3)在試驗的前48 h,應每隔2 h測量二氧化碳濃度及溫濕度,超過48 h后每4 h測量一次,根據測量結果進行調節二氧化碳濃度、溫度及濕度。

(4)測定碳化深度應在混凝土齡期3 d、7 d、14 d及28 d進行,此次試驗采用棱柱體試件,按照每次切開棱柱體長度的一半進行破型,切開的斷面保留一半用石蠟進行密封,再繼續進行下一周期試驗。

(5)取出的一半試件,首先進行斷面清理,確保斷面無殘留的粉末,再斷面上噴灑酚酞酒精(濃度1%),放置30 s后,用直尺測量斷面碳化深度,遇到粗骨料影響測量時,取粗骨料兩端碳化深度均值作為測量值,測量精度為1 mm。

(6)記錄每個測定齡期的碳化深度,將同配合比不同組試件(一般為3組)碳化深度測量值求平均值,計算精度為0.1 mm,以此值為混凝土的碳化深度。

3 試驗結果及分析

按上述試驗設計方案得出此次試驗不同配合比碳化試驗結果,混凝土碳化深度試驗結果見表2。

表2 混凝土碳化深度試驗結果 /mm

3.1 不同水灰比與碳化深度的關系

根據試驗結果,混凝土的碳化深度隨著水灰比的增大而增大,因為混凝土水灰比的增大主要表現為用水量的增大,在混凝土凝固過程中水分會大量蒸發從而在混凝土內部形成細小孔洞或毛細管路,這些孔洞和管路會促進二氧化碳在混凝土中擴散,最終導致混凝土碳化的加速。碳化深度—水灰比關系曲線見圖2。

圖2 碳化深度—水灰比關系曲線(28 d)

3.2 不同減水劑摻量與碳化深度的關系

根據試驗結果,隨著減水劑的摻量增大,混凝土的碳化深度也逐步增大,以減水劑摻量1%作為臨界點,當摻量低于1%時,隨著減水劑摻量增大,碳化深度增大速度較快,當摻量高于1%時,隨著減水劑摻量增大,碳化深度增大速度較為緩慢甚至出現不增大的情況。因為聚羧酸減水劑同時具有引氣功能,減水劑摻量增大,混凝土內部的也會形成更多的孔隙,孔隙之間連通后會促進二氧化碳在混凝土內部擴散進而加速碳化,但減水劑摻量超過最佳摻量后,引氣效果不會再持續增加,則減水劑的摻量增大對碳化作用影響趨于平穩。碳化深度—減水劑摻量關系曲線見圖3。

圖3 碳化深度—減水劑摻量關系曲線(28 d)

4 結 語

根據此次試驗及分析結論可以得出,在實際水利工程應用過程中應盡量避免使用大水灰比的水工混凝土,以減少混凝土碳化破壞的風險,混凝土減水劑最佳摻量應以實際混凝土試驗結果確定,當減水劑摻量超過一定比例后對混凝土的碳化耐久性無顯著的積極影響。