考虑碳化作用的水工混凝土耐久性研究

车 明 杰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

混凝土碳化导致内部钢筋锈蚀是常见的混凝土破坏现象之一,水利工程的运行环境大多比较严酷,因此水利工程中的混凝土结构更容易因老化而造成破坏,水工混凝土出现开裂、钢筋锈蚀、表面剥落的现象十分常见,有的甚至非常严重,直接影响结构安全稳定,中国每年需投入大量资金对水利工程进行维修养护。根据对全国小型水工混凝土构筑物进行破坏调查发现,钢筋混凝土水闸的闸墩、胸墙、梁等重要结构破坏的比例接近50%,钢筋混凝土坝体出现破坏的比例也超过10%,因此水工混凝土的老化破坏必须给与高度重视。水工混凝土的耐久性及工作寿命直接影响着水利工程的安全运行,笔者通过试验测试不同配合比水工混凝土的碳化深度,并分析碳化深度与混凝土配合比的关系,可为研究水工混凝土耐久性、预测水工混凝土寿命提供研究基础。

1 水工混凝土的碳化机理

1.1 混凝土碳化的基本理论

混凝土碳化是指混凝土中的碳酸化反应生成碳酸盐,进而导致混凝土的酸碱度发生变化。在大气环境下,室外空气中的二氧化碳浓度为380×10-6,室内空气中二氧化碳浓度为1 000×10-6,与空气中的水共同发生反应导致混凝土pH值降低,化学反应方程式如下式:

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响因素

水工混凝土碳化的影响因素主要包含:①水泥品种、水泥用量;②水灰比;③掺合料;④外加剂;⑤骨料品种;⑥养护方式;⑦温度;⑧湿度;⑨有害气体的成分、浓度;地下水环境;混凝土的应力状态[1]。

笔者主要探究水灰比及外加剂两个影响因素与碳化深度之间的关系。

1.3 碳化区的划分

水工混凝土发生碳化后,氢氧化钙会因碳化反应被消耗,因此混凝土碳化区域的pH值会降低,从混凝土表面到内部区域pH值的分布逐渐增大。可将混凝土碳化区域分成两大区域:完全碳化区和部分碳化区,完全碳化区的pH值一般为7左右,部分碳化区pH值一般(7

1.4 碳化区域的物质组成

(1)根据混凝土碳化化学反应方程式可知,碳化反应是pH值降低的过程,氢氧化钙导致pH值变化的关系见下式[2]:

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

(5)

式中 [Ca(OH)2]为碳化混凝土内氢氧化钙的摩尔浓度,mol/m3;[Ca(OH)2]0为未碳化混凝土内氢氧化钙的摩尔浓度,mol/m3。

(2)国外研究学者建立的碳化模型,其中二氧化碳浓度、氢氧化钙浓度及pH值的化学反应方程见下式:

(6)

(7)

(8)

式中x为碳化区某点到混凝土表面的距离,m;t为碳化时间,s;[CO2]为混凝土中二氧化碳的摩尔浓度,mol/m3;[Ca(OH)2]为混凝土中氢氧化钙的摩尔浓度,mol/m3;[CSH]为混凝土中水化硅酸钙的摩尔浓度,mol/m3;KCH、KCSH为氢氧化钙与水化硅酸钙的碳化反应速率常数,m3/(mol·s)。

上述三个偏微分方程的前提条件:

在x=0处,

[CO2]=[CO2]0

(9)

在混凝土构件中轴线处,

(10)

初始条件为t=0时:

[CO2]=0

(11)

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

(12)

[CSH]=[CSH]0

(13)

式中 [CO2]0为二氧化碳的摩尔浓度,mol/m3;[Ca(OH)2]0、[CSH]0为未碳化混凝土中氢氧化钙、水化硅酸钙的摩尔浓度,mol/m3。

2 水工混凝土碳化试验设计

2.1 设计依据

根据水工混凝土设计、试验相关规程、规范开展此次试验研究工作。

2.2 材料选取

(1)水泥

P·O52.5硅酸盐水泥。

(2)粉煤灰

选用的粉煤灰主要指标为:水分含量3%;烧失量3.64%;需水量比94%;细度18;三氧化硫含量12%[3]。

(3)细骨料(砂)

选用细骨料为中砂,砂料为河砂。

(4)粗骨料

选用粗骨料粒径5～35 mm,品种为卵石。

(5)外加剂

外加剂选用聚羧酸系高效减水剂、液体三萜皂甙引气剂[4]。

(6)砂率

根据此次试验情况进行混凝土试拌,水灰比为0.4,得出此次试验砂率为0.34,砂率测试结果见图1。

图1 砂率测试结果

2.3 配合比设计

此次试验主要配置5组不同水灰比试件及5组不同减水剂掺量试件,水工混凝土配合比见表1。

表1 水工混凝土配合比

2.4 试验步骤

碳化试验应按下列步骤进行[5]:

(1)首先混凝土试件先经过处理后放入碳化试验箱内,试件间距应不小于5 cm。

(2)碳化试验箱应进行密封,打开二氧化碳充气阀门,应调节阀门开度控制流量,保证碳化试验箱内二氧化碳浓度为(0%±3%)并在箱内放入去湿硅胶。

(3)在试验的前48 h,应每隔2 h测量二氧化碳浓度及温湿度,超过48 h后每4 h测量一次,根据测量结果进行调节二氧化碳浓度、温度及湿度。

(4)测定碳化深度应在混凝土龄期3 d、7 d、14 d及28 d进行,此次试验采用棱柱体试件,按照每次切开棱柱体长度的一半进行破型,切开的断面保留一半用石蜡进行密封,再继续进行下一周期试验。

(5)取出的一半试件,首先进行断面清理,确保断面无残留的粉末,再断面上喷洒酚酞酒精(浓度1%),放置30 s后,用直尺测量断面碳化深度,遇到粗骨料影响测量时,取粗骨料两端碳化深度均值作为测量值,测量精度为1 mm。

(6)记录每个测定龄期的碳化深度,将同配合比不同组试件(一般为3组)碳化深度测量值求平均值,计算精度为0.1 mm,以此值为混凝土的碳化深度。

3 试验结果及分析

按上述试验设计方案得出此次试验不同配合比碳化试验结果,混凝土碳化深度试验结果见表2。

表2 混凝土碳化深度试验结果 /mm

3.1 不同水灰比与碳化深度的关系

根据试验结果,混凝土的碳化深度随着水灰比的增大而增大,因为混凝土水灰比的增大主要表现为用水量的增大,在混凝土凝固过程中水分会大量蒸发从而在混凝土内部形成细小孔洞或毛细管路,这些孔洞和管路会促进二氧化碳在混凝土中扩散,最终导致混凝土碳化的加速。碳化深度—水灰比关系曲线见图2。

图2 碳化深度—水灰比关系曲线(28 d)

3.2 不同减水剂掺量与碳化深度的关系

根据试验结果,随着减水剂的掺量增大,混凝土的碳化深度也逐步增大,以减水剂掺量1%作为临界点,当掺量低于1%时,随着减水剂掺量增大,碳化深度增大速度较快,当掺量高于1%时,随着减水剂掺量增大,碳化深度增大速度较为缓慢甚至出现不增大的情况。因为聚羧酸减水剂同时具有引气功能,减水剂掺量增大,混凝土内部的也会形成更多的孔隙,孔隙之间连通后会促进二氧化碳在混凝土内部扩散进而加速碳化,但减水剂掺量超过最佳掺量后,引气效果不会再持续增加,则减水剂的掺量增大对碳化作用影响趋于平稳。碳化深度—减水剂掺量关系曲线见图3。

图3 碳化深度—减水剂掺量关系曲线(28 d)

4 结 语

根据此次试验及分析结论可以得出,在实际水利工程应用过程中应尽量避免使用大水灰比的水工混凝土,以减少混凝土碳化破坏的风险,混凝土减水剂最佳掺量应以实际混凝土试验结果确定,当减水剂掺量超过一定比例后对混凝土的碳化耐久性无显著的积极影响。