對普通混凝土碳化的初步研究

王洪玲，李 坤

(山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

0 前 言

眾所周知，交通運輸對一個國家的政治、文化、經濟和社會進步有極其重要的作用。在近幾年我國交通運輸經濟的進步與飛速發展下，交通運輸的基礎建設也得到了越來越多的完善，高速公路、公路橋梁、公路隧道等數量在不斷增長[1]。伴隨著政府針對鄉村橋梁安全隱患情況的排查，橋梁自身的各類病害逐漸暴露于人們的視野之中。1984年世界各地大氣中的CO2的平均濃度是343 ppm， 2008年CO2的濃度上升到394 ppm，隨著工業化的迅速發展，預計2090年全球CO2的平均濃度將會迅速提高到1 000 ppm，空氣中的CO2濃度正呈現一種逐年上升的趨勢[2-4]。

混凝土碳化分為兩個過程，第一部分是指大氣中CO2滲透到混凝土內與Ca(OH)2發生化學反應，使得混凝土堿性下降，該部分又稱為混凝土的中性化；第二部分是指當碳化深度超過混凝土保護層厚度時，鋼筋表面的鈍化膜被破壞，在水和空氣存在的條件下鋼筋表面開始生銹。

鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的主要原因，主要表現為鋼筋銹蝕表面膨脹，從而與保護層脫落。然后隨著鐵銹的繼續膨脹，混凝土被破壞出現裂縫，鋼筋不斷銹蝕，橋梁有效截面減小，承載能力不斷降低，直至橋梁喪失基本承載能力。因此，混凝土碳化問題必須引起人們的足夠重視[3]。

1 混凝土碳化機理

混凝土碳化是混凝土作為強堿性材料發生的一種化學腐蝕反應，同時混凝土包裹在鋼筋外可以提高結構耐久性，防止鋼筋被高溫破壞?；炷潦且环N多孔體材料，表面和內部布滿孔隙，具有很強的吸濕性和滲透性，大氣中的CO2滲透到混凝土內與氫氧化鈣、水化硅酸鈣等發生化學反應生成碳酸鈣，降低混凝土堿性，當碳化深度大于混凝土保護層厚度時，在潮濕條件下就會對鋼筋失去保護作用，鋼筋表面開始生銹[3]。反應過程如下：

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

3CaO·2siO2·3H2O+3CO2→3CaCO3.2siO2·3H2O

(2)

C3S+3CO2+γH2O→SiO2·γH2O+3CaCO3

(3)

C2S+2CO2+γH2O→SiO2·γH2O+2CaCO3

(4)

2 混凝土碳化的影響因素

混凝土碳化是指CO2進入混凝土，與pH值為12～13的Ca( OH)2反應生成鹽類導致pH下降為8.5左右。因此，混凝土的碳化主要取決于CO2的傳播速度以及CO2與混凝土內部成分的反應，而CO2的傳播速度又與混凝土的本身的特點相互影響。所以混凝土的碳化的影響因素主要是大氣環境因素，混凝土材料因素以及施工因素等[4-5]。

2.1 大氣環境因素

1)相對濕度?；炷恋奶蓟磻举|上是一種釋放水的過程，并且相對濕度的大小決定著混凝土孔隙水的飽和度大小。相對濕度較小時，混凝土較為干燥，混凝土進行碳化反應所需要的水分不足，因此，碳化程度和碳化速度都較小。相對濕度較高時，碳化反應生成的水會抑制碳化反應，混凝土內部水分會阻礙CO2的擴散，抑制CO2與混凝土的中性化反應，從而降低碳化速度。在相對濕度為40%～60%時，混凝土的碳化速度較快，其中環境相對濕度為50%左右時混凝土的碳化速度最快[6]。并且，清華大學提到環境相對濕度對碳化的影響表達式可認為：

(5)

2)溫度。由物理學知識可知，溫度會影響離子運動速度，當外界環境溫度升高時，CO2在混凝土內部擴散速度上升，混凝土抗碳化能力下降[7]。若混凝土表面溫度驟降，混凝土表面將會產生拉力，當拉力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面開裂，形成裂縫或導致混凝土表面脫落。此時，外界CO2和水分的進入將會更加容易，混凝土碳化速度加快。此外，蔣清野[6]提到溫度對混凝土碳化的影響表達式可以為：

(6)

3)二氧化碳濃度?？諝庵械腃O2濃度可以分為室內CO2濃度與室外CO2濃度，基于Fick第一擴散定律可知[8-9]：

(7)

式中，DC為CO2在混凝土中的擴散系數；C0為混凝土表面 CO2濃度；X為時間 t 時的碳化深度；M0為混凝土結合 CO2能力；T為碳化時間；K為碳化速度系數。

因此，可認為CO2濃度越高，混凝土碳化速度越快。

綜合環境溫度和相對濕度對混凝土碳化的影響，可用Ke定義為環境因子，且[10]：

(8)

2.2 混凝土材料性能因素

1)水灰比大小。采用同等質量的混凝土，混凝土的水灰比越大，則內部的孔隙率越大，透氣性較好，混凝土密實度降低，有利于CO2的滲入。水灰比越大，單位水泥的用量就越少，那么混凝土單位體積內的Ca( OH)2的含量就越少，混凝土的孔隙率就越大。因此，CO2的擴散阻力就越小，從而加快混凝土碳化速度[4]。

2)水泥品種。不同品種的水泥的混合材摻量和品種有所不同，后續混凝土進行水化反應產生的堿性物質的量也有所不同，因此為碳化反應提供的可碳化的堿性物質的量也不同，從而導致混凝土碳化的速度也有多差別。在同一條件下，混凝土的碳化速度可用其摻合料表示為，高爐礦渣水泥>普通硅酸鹽水泥>早強水泥，其中，鋼筋在爐渣水泥混凝土的銹蝕速度比在同一試驗條件下的普通硅酸鹽混凝土高90%左右[4，11]。

3)水泥用量。水泥用量與混凝土中堿性物質的含量以及孔溶液中PH值有關，水泥用量越多，混凝土中堿含量越高，孔溶液的PH值也越高，同時混凝土的密實度不斷增大，CO2向混凝土內部滲透速度降低，因而混凝土的碳化速度降低[3，12]。

4)摻合料?；炷林械膿胶狭弦话闶怯脕淼攘康靥娲?，從而降低水泥的用量，進一步增大水灰比，提高混凝土碳化速度[12]。一方面，粉煤灰等摻合料與水泥共同作用，優化混凝土孔結構，提高密實度，從而降低碳化速度；另一方面，隨著摻合料的逐漸增多，水灰比逐漸增大，混凝土抗碳化能力降低。

5)外加劑。常見的混凝土外加劑一般為引氣劑、減水劑和膨脹劑，引氣劑會在混凝土內部引入大量的孔，從而加速CO2氣體的滲入，加快了混凝土碳化的速度。減水劑會增加混凝土的和易性，使混凝土密實度增加，從而阻礙CO2的滲入，進而降低了混凝土的碳化速度[13]。而加入膨脹劑，會使混凝土內部堿性物質膨脹進而填充和堵塞混凝土內部的孔隙，增加混凝土的密實度，降低混凝土碳化速度。

6)骨料性質。輕質骨料氣泡多，透氣性大；天然砂、碎石透氣性小于水泥漿體，故輕骨料混凝土的碳化速度快。粗骨料的粒徑較大，提高了混凝土的孔隙率和滲透性，而輕骨料的孔隙較多，增加了CO2的擴散路徑，加快了混凝土碳化速度，因此，材質堅硬、級配較好的骨料生產的混凝土滲透性較低，從而降低了碳化速度[3]。

混凝土抗壓強度體現混凝土的綜合性能，混凝土的抗壓強度越高則碳化速度越慢。牛荻濤[14]利用了64組國內外實際調研數據，通過回歸分析，得出了混凝土抗壓強度與混凝土碳化速度系數的關系滿足以下表達式：

(9)

式中，Kf為混凝土抗壓強度控制的碳化速度系數；fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值。

2.3 施工因素

施工因素主要是指混凝土的養護條件、攪拌和振搗情況，一般通過影響混凝土的密實性來影響混凝土的碳化速度。一般來說，施工質量越好，混凝土強度越高，整體密實性越好，抗碳化能力越高；而施工質量差，混凝土內部裂縫、孔洞會增加CO2在混凝土內部的擴散途徑，從而加快擴散速度。

3 混凝土碳化深度預測模型

根據影響混凝土碳化的主要因素分析，牛荻濤[14]建立了碳化深度預測的多系數隨機過程模式,即：

(10)

綜合上述分析，混凝土碳化系數的隨機模型可以表示為：

(11)

式中，fcu為混凝土立方體抗壓強度是隨機變量；mc為混凝土立方體抗壓強度的平均值與標準值之比。

混凝土保護層厚度c是一個隨機變量，服從正態分布，概率密度函數為[16]：

(12)

式中，μc為混凝土保護層厚度的平均值，σc為混凝土保護層厚度的標準差。

在大氣環境因素和混凝土自身因素等隨機因素作用下，混凝土的實際碳化深度體現了隨機性，并且混凝土的碳化過程也會呈現隨機性，碳化深度的一維概率密度可以表示為[16-17]：

(13)

式中，μt函數為混凝土碳化深度的平均值；而σt函數為混凝土碳化深度的標準差，并且滿足下列關系：

(14)

(15)

式中，μk為碳化系數均值；σk為碳化系數標準差；t為公路橋梁服役時間。

令混凝土保護層被完全破壞的時間為t1，混凝土開始碳化到混凝土保護層被完全破壞的過程為ε(t1)：

ε(t)=c-X(t)

(16)

當t=t1時，混凝土保護層被完全破壞，混凝土碳化進入第二部分，鋼筋表面鈍化膜被破壞，在水和空氣存在的條件下，鋼筋表面開始生銹，混凝土保護層達到其壽命。

式中，c為混凝土保護層厚度；X(t)為混凝土碳化深度，隨機過程；ε(t)為混凝土碳化壽命準則，隨機過程。

4 工程實例計算

西北地區某跨度60 m的鋼筋混凝土拱橋主拱拱肋混凝土設計標號為300號, 檢測時已使用45年。CO2濃度為0.04%,年均溫度9.6℃,年均相對濕度61%。對拱肋腹板進行的現場測試結果表明,混凝土強度服從正態分布N(31.278、2.312 MPa),推定強度28 MPa拱肋腹板箍筋保護層厚度和碳化深度均服從正態分布,其中,保護層厚度服從 N (17.788、3.987 mm)碳化深度服從N(12.53、4.08 mm)[10,17]。

由上述可知：

5 結束語

本文運用多方面實際調查結果，綜合分析混凝土碳化的影響因素，在牛荻濤碳化模型的基礎之上，與混凝土碳化深度隨機過程和混凝土保護層厚度相結合，建立混凝土保護層壽命預測模型，共同分析預測出混凝土保護層被完全破壞的時間，即混凝土保護層壽命。

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