含侵蝕性CO2地下水環境對混凝土碳化的影響

李宏強,呂 琳,徐峰光,李晨雁

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050227)

隨著我國現代化城市的建設,以及城鄉一體化進程的加快,各種混凝土建設項目數量激增。隨之而來的混凝土腐蝕問題也受到更多人的關注,這與人們的生命財產安全聯系密切。混凝土結構碳化是混凝土腐蝕的主要原因之一,隨著溫室效應的加劇,混凝土結構的碳化問題愈加嚴重。由于地下水中的CO2來源于空氣和土壤,因此,過量的CO2會導致侵蝕性CO2的產生,進而對混凝土結構產生碳化影響。目前,我國針對含侵蝕性CO2地下水環境對混凝土結構碳化影響的研究相對較少,且更多集中在耐久性,鋼筋腐蝕及防腐措施,混凝土碳化機理研究上。缺少地下水碳化環境對混凝土碳化具體影響的研究。而通過模擬侵蝕性CO2地下水環境,對混凝土碳化的具體影響進行研究,將有助于指導高性能混凝土配制和施工,提高地下水環境混凝土結構的耐久性和服役壽命。還可以其他學者的相關研究提供理論和實踐參考。

1 混凝土碳化的機理和影響因素

1.1 混凝土碳化的機理

混凝土碳化是混凝土中的堿性物質和孔隙溶液,與進入混凝土孔隙中的CO2進行反應,從而導致混凝土堿性下降,化學成分發生轉變的過程。其具體碳化的機理示意圖如下圖1所示。由于混凝土中的水泥水化產物和未水化的水泥成分的存在,使其呈現出強堿性。一般來說,新鮮混凝土的pH值在12～13之間。而對于混凝土中的鋼筋而言,只有當混凝土的pH>11.5時,才能夠在鋼筋的表面形成一層完整的鈍化膜,保護鋼筋不易被銹蝕。因此,從某一種意義上來說,要想保護混凝土中的鋼筋不被銹蝕,就是要保證鋼筋周圍混凝土不被碳化。

混凝土碳化的具體過程是,混凝土中的堿性物質和進入混凝土內部的CO2進行碳化反應。堿性物質包括:硅酸三鈣(C3S),硅酸二鈣(C2S),水化硅酸鈣(3CaO·2SiO·3H2O)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)。當混凝土中的堿性物質和CO2進行反應時,會生成碳酸鈣,雖然會降低混凝土的堿性,但是對于混凝土的空隙就較好的填充作用,在一定程度上阻礙了CO2的進入,減慢了混凝土碳化的過程。但是當混凝土處于高濕度和具有侵蝕性CO2的地下水環境時,侵蝕性的CO2產生的酸性物質和碳酸鈣進一步的反應,生成碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2),碳酸氫鈣溶于水后,又使混凝土的空隙變大,從而導致碳化過程持續進行。影響混凝土結構的耐久性,以及混凝土鋼筋的硬度和粘結性。

1.2 混凝土碳化的影響因素

混凝土結構碳化的影響因素可以包括內部因素和外部因素。內部因素包括:水灰比,水泥用量,水泥品種和礦物外摻料等。外部因素包括:CO2濃度,環境濕度、溫度,應力條件,施工質量,養護條件等。首先,從內部影響因素進行分析。水泥中水灰比的增大將會導致碳化速度加快。水泥標號越高的品種,抗碳化性能越好,按照不同類型水泥的抗碳化能力排列,硅酸鹽水泥>普通硅酸鹽水泥>粉煤灰水泥>礦粉水泥。此外,相關研究表明,混凝土結構的碳化速度會隨著水泥用量的增加而減小。在礦物外摻料方面,粉煤灰或礦粉摻量越大,混凝土碳化的情況越差。其次,從外部環境分析,隨著CO2濃度和相對濕度的增加,混凝土結構的碳化速度相應加快。外部應力環境影響主要表現為,隨著壓應力增加,混凝土結構的碳化速度減慢,隨著拉應力增加,碳化速度加快。溫度、施工條件和養護條件的影響表現為,隨著溫度的增加,碳化速度加快;施工質量越好,混凝土孔隙度越小,碳化程度越低;養護時間越長碳化速度越小。

2 地下水環境對混凝土碳化的影響研究

由于地下水中CO2的來自空氣和土壤,因此,在相同的氣壓和溫度條件下,地下水中的CO2含量更高。而當CO2含量超過一定限度時,就可以使地下水具有較強的侵蝕性,從而對地下水環境中的混凝土結構產生侵蝕,使其發生碳化。超出地下水平衡狀態的CO2,稱為侵蝕性CO2。

2.1 試驗裝置的研發

2.1.1 侵蝕性CO2溶液的配制

1)配制原理

侵蝕性CO2溶液的配制,需要依據一定的配制原理。首先需要在標準大氣壓和溫度條件下融入足夠的CO2,而達到飽和狀態的CO2溶解度1.449 g/L。此外,依據《巖土工程勘察規范》可知,當CO2濃度處于30～60 mg/L時,可以對混凝土產生中度腐蝕,超過60 mg/L時,產生嚴重腐蝕,為確保混凝土碳化速率,需要配制濃度超過60 mg/L的CO2溶液。本實驗利用碳酸氫鈉(NaHCO3)和醋酸(CH3COOH)制備CO2,根據反應式計算,得到碳酸氫鈉和醋酸的用量。在制取過程中,可以通過調節反應物用量,獲取不同濃度的侵蝕性CO2溶液。但是在配制侵蝕性CO2溶液時,要放入足夠的碳酸氫鈉,保證醋酸充分反應,避免醋酸和混凝土中的堿性物質發生反應,同時注意監測溶液中CO2的濃度。

2)配制過程和CO2濃度測定

依據侵蝕性CO2溶液的配制原理,本實驗共需要配制三種濃度的侵蝕性CO2溶液。具體步驟如下:(1)準備不同濃度侵蝕性CO2溶液的配料,冰醋酸和碳酸氫鈉的用量分別為:0.5 ml+2 g,1 ml+3 g,2 ml+4 g,每一種濃度下的冰醋酸和碳酸氫鈉各三份。(2)配制基礎反應溶液,將上述9份冰醋酸和9份碳酸氫鈉,共18份試劑溶于500 ml蒸餾水。(3)將基礎反應溶液至于冰箱,降溫到0℃～3℃。(4)取出基礎反應溶液,使不同濃度下的碳酸氫鈉和醋酸進行反應,并靜置室內。(5)分別測定第3、5、10天,不同反應物濃度下的CO2濃度。通過實驗測定得到以下的CO2濃度測定結果如圖2所示。

圖2 不同反應物量產生CO2濃度變化情況

2.1.2 地下水環境下混凝土碳化裝置的研發

在現實環境中,地下水中混凝土碳化需要滿足兩個基本條件。首先需要使水中含有足夠的侵蝕性CO2,其次,需要使水體具有流動性。通過,不同濃度侵蝕性CO2溶液的配制可以滿足第一個條件,而如何使水體具有流動性,成為模擬地下水環境條件最關鍵的環節。為了解決水體流動性的問題,設計了如下的地下水混凝土碳化裝置,如圖3所示。

圖3 模擬地下水環境的混凝土碳化反應裝置

如圖3所示,反應裝置主要由三個箱體和分層架組成。分別為放置在最上層的鮮液箱,放置在中間層的浸泡箱,放置在底端的廢液箱。其中,鮮液箱中加入新鮮的侵蝕性CO2溶液,并用一根帶有流量控制器的導水管與浸泡箱上端連接,浸泡箱中放入混凝土試塊,并使浸泡液充滿浸泡箱。在浸泡箱底端兩側分別設置兩個帶有流量控制器的導管,將廢水排入廢液箱。為確保浸泡箱中的混凝土不同部位均發生碳化反應,需要控制好鮮液箱進入浸泡箱和浸泡箱流入廢液箱的流速,保持浸泡箱中的流入、流出量一致,從而模擬含有侵蝕性CO2的流動性地下水環境。

2.2 含CO2地下水環境下的混凝土碳化試驗

2.2.1 混凝土試件的準備

本試驗制備混凝土試件的配合比尺寸為:100×100×300 mm,每組配制三個試塊。每組配合比所需要的混凝土體積為0.009 m3。在進行混凝土試件制備時,每一組的配合比按照15 L的體積下料,提前將所需的沙曬干,確保含水量為0%。九組混凝土試件的材料用量如表1所示,混凝土的塌落度如圖4所示。

表1 九組混凝土試件的材料用量表

圖4 九組混凝土試件的塌落度

2.2.2 含CO2地下水環境下的混凝土碳化試驗

1)試驗準備

依據不同反應物量產生CO2濃度的變化情況,隨著反應物量的增加,CO2濃度相應增加,隨著溶液靜置時間延長,CO2濃度逐漸減小。在浸泡箱中的侵蝕性CO2溶液會與混凝土結構發生碳化反應中降低CO2濃度,因此,在模擬含侵蝕性CO2地下水對混凝土碳化影響的試驗中,需要控制好鮮液箱侵蝕性CO2溶液流入、流出的流速,將CO2濃度維持在一個穩定的水平。

為了加快鮮液箱碳化反應的速率,參考先前配制侵蝕性CO2溶液的反應物用量,將最低、中間、最高的反應物水平設置為:2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g醋酸和碳酸氫鈉。將上述不同反應物水平的反應物進行充分反應,靜置一天后移入鮮液箱。根據浸泡箱中放入混凝土試件的數量和大小,選擇600×460×380 mm體積的容器。每天將50 L的侵蝕性CO2溶液放入鮮液箱,保證鮮液箱CO2溶液濃度的穩定。將鮮液箱和浸泡箱之間導管的平均流速設置為34.7 ml/min,將浸泡箱底端兩側導管的平均流速設置為17.35 ml/min。

2)試驗步驟

模擬含侵蝕性CO2地下水環境對混凝土碳化影響的試驗,具體步驟如下。(1)對進行碳化反應的混凝土試塊進行養護、烘干和密封處理,并將處理完的混凝土試塊豎立放置在三個不同侵蝕性CO2濃度水平的浸泡箱中。(2)在每一個侵蝕性CO2濃度水平的浸泡箱中共放置9個混凝土試塊,每個混凝土試塊對應不同的配合比。(3)依據確定好的生成不同侵蝕性CO2濃度溶液的反應物用量,配制侵蝕性CO2溶液,每天配制三種濃度水平的侵蝕性CO2溶液各50L,在室內靜置一天后,放入對應鮮液箱中。(4)將鮮葉香和浸泡香之間的流量控制在34.7 ml/min,將浸泡箱底端兩側流入廢液箱的導管流速控制在17.35 ml/min。(5)每天測定浸泡箱中侵蝕性CO2溶液的濃度,確保侵蝕性CO2濃度維持在一個穩定水平。(6)待浸泡箱中的混凝土試塊碳化反應達到28天后,依據混凝土碳化深度測定標準,對混凝土結構碳化的深度進行測定。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

在侵蝕性CO2溶液和混凝土結構進行碳化反應28 d中,監測不同侵蝕性CO2濃度水平下每天的CO2濃度,并計算平均值。經過計算得到以下結果:醋酸和碳酸氫鈉反應量為2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g的侵蝕性CO2溶液,28 d平均濃度分別為:C=113.66 mg/L,C=89.54 mg/L和C=85.65 mg/L。依據混凝土結構碳化深度的標準測定方法,對不同侵蝕性CO2濃度水平下,9塊混凝土試塊的碳化深度進行了測定,結果如表2所示。

表2 不同侵蝕性CO2濃度下混凝土碳化深度

3.2 結果分析

通過以上實驗結果可以發現,在侵蝕性CO2溶液配制的過程中,隨著醋酸和碳酸氫鈉反應物用量的增加,生成的侵蝕性CO2溶液,平均濃度呈現出逐漸下降的趨勢。其中,當醋酸和碳酸氫鈉的反應物量為2 ml+4 g時,侵蝕性CO2溶液在28天的平均濃度最高,為113.66 mg/L。這說明超過一定限度后,醋酸和碳酸氫鈉反應物用量的增加,會導致侵蝕性CO2溶液平均濃度的降低。

通過對不同侵蝕性CO2濃度下混凝土碳化深度結果的分析可以發現。當混凝土的水膠比低于0.5時,在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,隨著粉煤灰摻量和礦粉摻量會的增加,混凝土結構的碳化深度相應增加。當混凝土水膠比為0.6時,在不同侵蝕性CO2濃度水平下,隨著粉煤灰和礦粉摻量的增加,混凝土結構碳化深度呈現先降低后增加的趨勢。在同一種侵蝕性CO2濃度水平下,混凝土結構的水膠比增加,混凝土結構的碳化深度增加。侵蝕性CO2溶液的平均濃度越高,混凝土結構的碳化深度越深。

4 結論和建議

4.1 結論

通過含侵蝕性CO2地下水環境對混凝土碳化的影響研究得到以下主要結論。(1)利用醋酸和碳酸氫鈉配制侵蝕性CO2溶液,醋酸和碳酸氫鈉反應物用量為2 ml+4 g時,侵蝕性CO2的平均濃度最高,對混凝土結構的碳化作用最明顯。生成的侵蝕性CO2溶液在室內靜置,其CO2濃度會呈現逐漸下降的趨勢,其中,醋酸和碳酸氫鈉反應物量為2 ml+4 g的侵蝕性CO2溶液,CO2濃度下降速率最快。(2)通過利用分層架,鮮液箱,浸泡箱,廢液箱,以及連接上述三個箱體的帶有流量控制器的導管,可以有效地模擬含侵蝕性CO2的連續地下水環境,環境的設置更加貼切實際。(3)在侵蝕性CO2溶液配制的過程中,當醋酸和碳酸氫鈉反應物用量超過2 ml+4 g時,生成的侵蝕性CO2溶液濃度會有所下降。(4)當混凝土的水膠比為0.4和0.5時,在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,粉煤灰和礦粉摻量的增加會導致混凝土結構碳化深度的加深。當混凝土的水膠比為0.6時,粉煤灰和礦粉摻量的增加會使混凝土結構的碳化深度呈現先降低后增加的趨勢。(5)在不同侵蝕性CO2溶液濃度水平下,隨著水膠比的增加,混凝土結構碳化深度增加,并且侵蝕性CO2溶液的濃度越高,碳化的深度越深。

4.2 建議

由于研究內容有限,只研究了連續地下水碳化環境對混凝土碳化的影響,缺少針對連續高濕度地下水環境對混凝土結構碳化的影響研究。缺少基于以上兩個研究內容,建立相應的多因素模型,對不同配合比條件下的混凝土結構耐久性和使用壽命,進行預測分析。此外由于研究時間有限,本文在探究含侵蝕性CO2地下水環境對混凝土結構碳化影響的過程中,為加快碳化速率,選擇了高侵蝕性的CO2溶液進行碳化反應,反應的時間為28 d。因此,獲得的結果精度并不是很高,為獲得更加準確的碳化結果,需要設置與真實地下水碳化環境相近的侵蝕性CO2溶液,并展開更長時間的碳化實驗。