混凝土碳化因素的探究

1、混凝土碳化因素的探究胡九林摘要：隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，現(xiàn)代化的進(jìn)程加快推動了建筑業(yè)的發(fā)展，道路橋梁、高層建筑、地下空間的開發(fā)利用等社會基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)方興未艾。而這些構(gòu)筑物大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)除了應(yīng)該考慮傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、抗震性等力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)之外，還應(yīng)考慮使用壽命，使其具有超耐久性。大量的結(jié)構(gòu)，尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了許多缺陷和問題，包括結(jié)構(gòu)開裂、鋼筋銹蝕、混凝土侵蝕和老化等等，使得許多建筑還沒有達(dá)到預(yù)定的使用年限就提前失效；有的雖在使用，但已存在一定的安全隱患。造成這些缺陷和問題的原因很多，有的是由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)抗力不足造成的，有的是由于使用荷載的不利變化造成的，也

2、有的跟施工及其他因素有關(guān)，但更主要的原因是由于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不足。事實(shí)上，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已成為當(dāng)前困擾土建工程的一個(gè)世界性問題。關(guān)鍵詞：混凝土、碳化、碳化區(qū)、因素一、探究內(nèi)容本文主要考慮一般大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，研究機(jī)械荷載作用下防水混凝土結(jié)構(gòu)抗碳化性能。從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1） 通過加速碳化和自然碳化，研究粉煤灰混凝土的碳化規(guī)律。（2） 根據(jù)實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，通過加速碳化和自然碳化，研究不同荷載形式和荷載水平作用下，防水混凝土結(jié)構(gòu)的碳化規(guī)律。（3） 測定碳化混凝土中的caco3含量和含量，對混凝土碳化情況進(jìn)行定量分析，找出碳化規(guī)律，推導(dǎo)預(yù)測模型，為耐

3、久性評估提供可靠依據(jù)。二、混凝土碳化機(jī)理及其影響因素2.1 混凝土的碳化 混凝土是堿性的，但當(dāng)空氣、土壤或地下水中酸性物質(zhì)以及火災(zāi)、微生物等作用下混凝土呈中性或接近于中性，這種過程稱為混凝土的中性化1?？諝庵谢炷撂蓟腔炷林行曰畛Ｒ姷男问?，它是伴隨著c02氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土內(nèi)的空隙水，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程?；炷恋奶蓟俣热Q于氣體的擴(kuò)散速度以及c02與混凝土水化產(chǎn)物的反應(yīng)性。而c02氣體的擴(kuò)散速度又受混凝土本身結(jié)構(gòu)的密實(shí)性、c02氣體的濃度、環(huán)境濕度和溫度等諸多因素的影響。此外碳化反應(yīng)受混凝土孔溶液組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)、溫度等因素的影響。碳

4、化降低混凝土的堿度，破壞混凝土的鈍化膜(ph值大于11.5是混凝土中鋼筋保持鈍化的前提條件)，使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土鋼筋銹蝕帶來不利影響。銹蝕后的鋼筋體積比原來的體積膨脹25倍，造成混凝土開裂，鋼筋的粘結(jié)力下降，混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋斷面發(fā)生缺損，嚴(yán)重影響耐久性。同時(shí)碳化還會增大混凝土收縮、降低結(jié)構(gòu)延性2等。隨著資源消耗大氣中的二氧化碳的濃度在急劇增加。據(jù)報(bào)道，在19世紀(jì)中葉，大氣中二氧化碳的平均濃度為28010-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，而目前已達(dá)到35010-6，預(yù)計(jì)到2100年將上升到54010-6。隨著大氣中二氧化碳濃度的不斷增長以及工廠排出的廢液、廢渣使河川與地下水的二氧

5、化碳濃度提高，分析混凝土碳化機(jī)理及其影響因素顯得越來越重要。2.2 混凝土的碳化及鋼筋銹蝕機(jī)理 混凝土碳化指空氣中的co2 等酸性氣體與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成混凝土堿度下降和混凝土中化學(xué)成分改變的中性化反應(yīng)過程。在正常的大氣環(huán)境下，co2與混凝土中的堿性物質(zhì)相互作用是一個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。由于混凝土是一個(gè)多孔體，在其內(nèi)部存在大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡、甚至缺陷，空氣中的co2氣體滲透到混凝土的孔隙中，與孔隙中的可碳化物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？商蓟镔|(zhì)是在水泥水化過程中產(chǎn)生的，主要有氫氧化鈣(ca（oh)2)此外還有水化硅酸鈣(cao2sio23h20)，未發(fā)生水化的硅酸三鈣和硅酸

6、二鈣在有水分的條件下也能參與碳化反應(yīng)?；炷恋奶蓟梢杂孟铝谢瘜W(xué)方程式表示：ca（oh)2+ h20+ co2 caco3 +2h2o （1）3cao2sio23h2o +3co2 3caco32sio23h2o （2）3caosio2+3co2+ h2o 3caco3+ sio2 h2o （3）2caosio2+2co2+ h2o 2caco3+ sio2 h2o （4）由混凝土碳化過程分析，混凝土碳化速度主要取決于以下三個(gè)方面：（1）化學(xué)反應(yīng)本身的速度；（2）co2 向混凝土內(nèi)擴(kuò)散的速度；（3）混凝土孔隙中可碳化物質(zhì)，主要是ca(oh)2 的擴(kuò)散速度。在以上三個(gè)過程中，co2 向混凝土中擴(kuò)

7、散最慢，因此，混凝土碳化速度主要取決于co2 在混凝土中的擴(kuò)散速度。 最初的混凝土孔隙中充滿了飽和ca(oh)2溶液，它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學(xué)腐蝕，該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物，即fe203和fe304，這層覆蓋物稱為鈍化膜3，在高堿性環(huán)境中，即ph115時(shí)，它可以阻止鋼筋被進(jìn)一步腐蝕。當(dāng)混凝土碳化深度超過保護(hù)層達(dá)到鋼筋表面時(shí)，鋼筋周圍孔隙液的ph值降低到8.59.0，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。2fe+022feo (1)fe0+h2c03fec03+h20 (2)4fec03+10h20+024fe(oh)3+4h2c03 (3)鋼筋一生銹，體積增大，破

8、壞了混凝土覆蓋層，沿鋼筋產(chǎn)生裂縫。水、空氣進(jìn)入裂縫，加速了鋼筋的銹蝕。從而破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，使混凝土的穩(wěn)定性大大降低，使得其耐久性降低。2.3混凝土的部分碳化區(qū) 英國著名學(xué)者parrott4最先發(fā)現(xiàn)了混凝土部分碳化區(qū)的存在，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)用酚酞試劑測定的碳化深度發(fā)展到距鋼筋表面某個(gè)長度時(shí)，鋼筋就開始銹蝕，而且隨碳化深度加深，鋼筋銹蝕速度加快，直到碳化深度發(fā)展到超過鋼筋位置某個(gè)長度時(shí)銹蝕速度才穩(wěn)定下來，部分碳化區(qū)的存在可以解釋以上現(xiàn)象。maekaw等5也認(rèn)為碳化是一個(gè)由表及里、緩慢向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的過程，在混凝土完全碳化區(qū)之后形成部分碳化區(qū)和未碳化區(qū)。蔣利學(xué)6曾用ph值來劃分不同的碳化區(qū)域，ph1

9、2.5為未碳化區(qū)，ph7為完全碳化區(qū)，7ph12.5為部分碳化區(qū)。洪乃豐7認(rèn)為ph值為9.88時(shí)鋼筋鈍化膜開始形成，ph值為11.5時(shí)才形成完整的鈍化膜并保持穩(wěn)定，所以，在部分碳化區(qū)內(nèi)鋼筋仍有可能銹蝕。部分碳化區(qū)中混凝土的碳化是不完全的，碳化前沿是受多個(gè)因素影響的函數(shù)，如養(yǎng)護(hù)方法和齡期、混凝土本身孔的大小分布和相對濕度等。其中，環(huán)境相對濕度對部分碳化區(qū)長度有決定性的影響。從碳化機(jī)理分析，碳化反應(yīng)和co2氣體擴(kuò)散隨著環(huán)境相對濕度變化而向相反的方向發(fā)展，部分碳化現(xiàn)象是碳化反應(yīng)速度跟不上co2擴(kuò)散速度的必然結(jié)果。部分碳化區(qū)在環(huán)境相對濕度較高時(shí)可忽略不計(jì)，但當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，則在整個(gè)碳化區(qū)域中占主導(dǎo)地

10、位。水膠比和水泥用量對部分碳化區(qū)長度也有一定影響，但這種影響是以低濕度環(huán)境為前提的，部分碳化區(qū)長度基本不受co2濃度和碳化時(shí)間影響。部分碳化區(qū)的長度將影響混凝土的碳化規(guī)律。楊靜37通過x射線衍射試驗(yàn)，明確了混凝土碳化前沿并非線性，而是一個(gè)10mm左右寬度的帶狀，在此范圍內(nèi)ca(oh)2和caco3兩種成分共存。張譽(yù)8系統(tǒng)分析了影響部分碳化區(qū)的因素后，給出了部分碳化區(qū)的計(jì)算公式。由此可見，部分碳化區(qū)的長度及部分碳化區(qū)內(nèi)ph值的變化規(guī)律成為影響鋼筋銹蝕速度的一個(gè)主要因素，其研究對準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋脫鈍的時(shí)間、鋼筋銹蝕的速度以及整個(gè)鋼筋混凝土構(gòu)件的壽命具有重要意義。2.4混凝土碳化的影響因素 影響混凝土碳

11、化的因素可分為兩大類：一類是內(nèi)因的影響，一類是外因的影響。 2.4.1 內(nèi)因的影響：指混凝土材料自身對碳化的影響。 1.水泥的品種的影響。水泥品種和水泥用量是決定水泥水化后單位體積混凝土中可碳化物質(zhì)含量的主要材料因素，因而也是影響混凝土碳化速度的主要因素。一般來講，礦渣水泥的碳化速度比硅酸鹽水泥的碳化速度快2040，摻粉煤灰的混凝土的碳化速度隨粉煤灰的取代量增加而提高。 2.水泥用量。直接影響混凝土吸收co2的量，混凝土吸收co2的量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積。另外，增加水泥用量一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實(shí)性; 另一方面，還可以增加混凝土的堿性儲備。因此，水泥用量越大

12、，混凝土強(qiáng)度越高，其碳化速度越慢。 3混凝土強(qiáng)度等級的影響?；炷恋奶蓟疃入S混凝土強(qiáng)度等級提高而下降。 4外加劑的影響。減水劑能直接減少用水量，而引氣劑使混凝土中形成很多封閉氣泡，兩者均可使c02有效擴(kuò)散系數(shù)顯著減少，從而大大降低混凝土的碳化速度，即外加劑的使用能減弱碳化作用。 5.礦物摻合料。目前國內(nèi)研究較多的混凝土摻合料一般是單摻粉煤灰或者復(fù)摻粉煤灰和礦渣。粉煤灰摻加到混凝土中，一方面，降低了混凝土堿度，使混凝土的抗碳化性能變差；另一方面，在一定程度上改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝士的密實(shí)性，這對混凝土抵抗碳化作用是有利的。粉煤灰混凝土的碳化過程就是在這兩方面因素綜合影響下進(jìn)行的。在

13、這兩方面因素中，如果第一方面因素起了主要作用，混凝土的抗碳化能力則是降低的；如果第二方面因素起了主要作用，混凝土抗碳化能力則是提高的。因此研究出粉煤灰的最佳摻量，使它發(fā)揮第一方面的作用，是很有必要。粉煤灰用于混凝土的摻加方法，一般為等量取代法和超量取代法。等量取代法往往隨著摻灰量增加混凝土強(qiáng)度降低，尤其是早期強(qiáng)度降低較顯著。超量取代法可以達(dá)到等強(qiáng)度的目的，能與不摻粉煤灰的混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度(28天)相等。對于同一種水泥，隨著水泥摻量增加，其抗碳化性能明顯改善；固定水泥用量不變，粉煤灰的摻入使總漿體含量增大，水與總的膠凝材料之比減小，加上粉煤灰的活性發(fā)揮，更能增加混凝土的抗碳化性能。因此在小摻量范圍

14、內(nèi)，粉煤灰的摻入并取代一定量的水泥(一般礦渣水泥中摻15的粉煤灰取代10的水泥，普通硅酸鹽水泥中摻20的粉煤灰取代15的水泥，硅酸鹽水泥中摻25的粉煤灰取代20的水泥)，達(dá)到與基準(zhǔn)混凝土等強(qiáng)度的情況下，對混凝土的抗碳化性能無明顯影響。王培銘等人研究了復(fù)摻ii級粉煤灰和同等細(xì)度的礦渣粉，同時(shí)摻加高效減水劑配制的大流動度(180mm)混凝土的抗碳化性能，當(dāng)粉煤灰和礦渣粉總摻量不變時(shí)，隨著粉煤灰摻量的上升，混凝土的碳化深度相應(yīng)增加。當(dāng)粉煤灰摻量不變時(shí)，隨著礦渣摻量的上升，混凝土的碳化深度也增大。但當(dāng)粉煤灰摻量等于或小于40時(shí)，摻合料總量60、70和80的混凝士的碳化深度均低于單摻60粉煤灰的：粉煤灰

15、摻量為50，礦渣粉摻量為10的碳化深度也低于單摻60粉煤灰的。由此可見，混凝土中使用摻合料等量取代水泥雖然會降低混凝土的抗碳化能力。但是，使用粉煤灰與礦渣粉的復(fù)摻技術(shù)可顯著緩和單摻粉煤灰混凝十抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情況下可提高混凝土中摻合料的總量，降低水泥用量。 6.水灰比的影響。水灰比是決定混凝土孔結(jié)構(gòu)與空隙率的主要因素，是決定c02有效擴(kuò)散系數(shù)及混凝土碳化速度的主要因素之一。有試驗(yàn)給出：水灰比由06降到05，透水系數(shù)可由10x10-9cms，降到4x10-9cms。因此，降低水灰比可降低混凝土的透水性，水灰比越小，混凝土的孔隙率越小，碳化深度越小。 2.4.2 外因的

16、影響：指施工及混凝土所處環(huán)境對碳化的影響。 1施工的影響。在施工過程中，施工操作不當(dāng)，會導(dǎo)致密實(shí)性差及存在蜂窩、麻面、漏漿、裂縫等缺陷部位的碳化速度和深度明顯加大。 2二氧化碳濃度的影響。二氧化碳的濃度是影響混凝土碳化的一個(gè)很重要的因素。二氧化碳的濃度越高，混凝土的碳化速度越快。一般來講，碳化速度與c02濃度的平方根近似成正比。對于co2的影響，學(xué)者們提出了多達(dá)幾十種觀點(diǎn)，其理論模式大多數(shù)基于菲克( fick) 第一擴(kuò)散( 滲透) 定律，即: x = 2dqc a t 式中x 為碳化系數(shù); d 為co2滲透系數(shù); qc 為空氣中co2濃度; a 為單位體積混凝土吸收co2能力的系數(shù)。公式表明:

17、 二氧化碳濃度越高，碳化速度越快。 3濕度的影響?？諝鉂穸葧苯佑绊懙交炷林兴值暮浚瑥亩绊懙交炷恋奶蓟?。當(dāng)空氣的相對濕度為100時(shí)，混凝土近似飽水狀態(tài)，碳化過程極為緩慢，碳化實(shí)際上不能發(fā)生；當(dāng)空氣的相對濕度為5060時(shí)，混凝土的碳化速度最快：當(dāng)空氣的相對濕度小于25時(shí)，碳化過程極為緩慢。就南方地區(qū)來說，空氣的相對濕度大，因此，鋼筋的銹蝕比北方地區(qū)嚴(yán)重。室外鋼筋混凝土構(gòu)件，經(jīng)常受雨水作用，鋼筋的銹蝕速度比室內(nèi)構(gòu)件的銹蝕速度快。 4溫度的影響。溫度越高，混凝土的碳化速度越快，同時(shí)，溫度的交替變化也有利于c02的擴(kuò)散。如蒸氣養(yǎng)護(hù)的混凝土碳化速度要比灑水養(yǎng)護(hù)或水中養(yǎng)護(hù)的混凝土的碳化速度快。

18、5風(fēng)速及風(fēng)壓的影響。風(fēng)速越快，風(fēng)壓越大，混凝土的碳化速度越快。6.應(yīng)力狀態(tài)的影響?；炷潦┘討?yīng)力之后對內(nèi)部的微細(xì)縫隙起到了抑制或擴(kuò)散作用。微細(xì)裂縫的存在使得co2容易滲透，引起碳化速度加快，但施加了壓應(yīng)力之后，使混凝土的大量微細(xì)裂縫閉合或?qū)挾葴p小，co2的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當(dāng)然，混凝土中的壓應(yīng)力過大時(shí)，也可使是混凝土產(chǎn)生微觀裂縫，加速碳化過程；相反，施加拉應(yīng)力后，混凝土的微裂縫擴(kuò)展，加快了混凝土的碳化速度。荷載作用作為混凝土損傷的動力源，為碳化反應(yīng)創(chuàng)造更為有利的條件。由此可見在荷載作用下的混凝土結(jié)構(gòu)，將面臨更為嚴(yán)酷的碳化腐蝕，在兩者共同作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞將加速。2

19、.5 混凝土碳化深度的預(yù)測模型 自二十世紀(jì)六十年代起，國內(nèi)外眾多研究學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對混凝土碳化機(jī)理和過程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，并給出了各自的碳化深度與時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。這些模型基本上可以歸納為三種類型：1.基于擴(kuò)散理論建立的理論模型。2.基于碳化試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?.基于擴(kuò)散理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的碳化模型。2.5.1 理論模型 a. 阿列克謝耶夫模型8在深入分析混凝土碳化的多相物理化學(xué)過程后，前蘇聯(lián)學(xué)者阿列克謝耶夫等入認(rèn)為控制混凝土碳化速度的是co2在混凝土孔隙中的擴(kuò)散過程。根據(jù)fick第一擴(kuò)散定律以及c02。在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散和吸收的特點(diǎn)，提出了混凝土碳化理論數(shù)學(xué)模型 ： b. papad

20、akis9模型希臘學(xué)者papadakis等人在分析研究碳化的整個(gè)物理化學(xué)過程后，根據(jù)c02及各可碳化物質(zhì)ca(oh)2、csh、c3s、c2s在碳化過程中的質(zhì)量平衡條件，建立了偏微分方程。經(jīng)求解并適當(dāng)簡化，得到了簡化的碳化數(shù)學(xué)模型： 2.5.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?a.基于水灰比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿毡緦W(xué)者岸谷孝一基于快速碳化試驗(yàn)和自然暴露試驗(yàn)結(jié)果，提出了混凝碳化的如下： w/c0.6時(shí) w/c0.6時(shí) 日本的魚本鍵人基于快速碳化試驗(yàn)結(jié)果，給出了考慮環(huán)境溫度和環(huán)境c02濃度影響的碳化預(yù)測模型，即 黃士元等應(yīng)用國內(nèi)外有關(guān)混凝土碳化的研究成果，在分析碳化影響因素基礎(chǔ)上，回歸給出了預(yù)測混凝土碳化深度的如下公式： w/c

21、0.6時(shí) w/c0.6時(shí) 龔洛書考慮了影響碳化速度的各種因素，提出了多系數(shù)碳化預(yù)測公式： b.混凝土抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突炷量箟簭?qiáng)度是反映混凝土力學(xué)性能的基本指標(biāo)，它綜合反映了混凝土水灰比、水泥品種、水泥用量、施工質(zhì)量、及養(yǎng)護(hù)條件等對混凝土品質(zhì)的影響，因此，以混凝土抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)，建立混凝土碳化預(yù)測模型更具有實(shí)際意義。lesahe de fontenay 10研究了混凝土外加劑、混凝土組成和暴露條件對碳化的影響，得到混凝土強(qiáng)度與碳化深度之間的關(guān)系：molczyk41也給出了一個(gè)用混凝土確定混凝土碳化深度的計(jì)算公式：中國建筑科學(xué)研究院的邸小壇通過對大量混凝土碳化長期觀測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了

22、以混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為主要參數(shù)，考慮環(huán)境修正、養(yǎng)護(hù)條件修正和水泥品種修正的碳化計(jì)算公式：各系數(shù)的取值參考文獻(xiàn)112.5.3 基于擴(kuò)散理論與試驗(yàn)的碳化模型 同濟(jì)大學(xué)張譽(yù)在全面分析混凝土碳化的機(jī)理和影響因素后，基于碳化理論分析與試驗(yàn)結(jié)果給出了混凝土碳化的數(shù)學(xué)模型：三 試驗(yàn)內(nèi)容及方法3.1 原材料及配合比 試驗(yàn)研究采用粉煤灰混凝土和普通混凝土兩類，試驗(yàn)中所用的主要原材料均來自蘭州本地，其中水泥為p.o 42.5級普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料為級粉煤灰，粗骨料選用粒徑為525mm連續(xù)級配的碎石，細(xì)骨料為蘭州當(dāng)?shù)睾由?，最大粒徑?mm的中砂，級配合格，細(xì)度模數(shù)2.6；拌合水為普通自來水；外加劑為一種聚羧

23、酸型高效減水劑。本研究涉及四種配合比，具體見表3.1。其中，b1配比未摻粉煤灰，b2、b3、b4粉煤灰摻量分別為10%、30%、50%。水灰比均為0.5。表3.1 混凝土配合比（kg/m3）混凝土編號水泥粉煤灰砂子石子水w/b減水劑（%）b1320065312671600.53.0b23043265312671600.52.5b32249665312671600.52.0b416016065312671600.51.83.2混凝土強(qiáng)度測試抗壓強(qiáng)度采用選用100100100mm試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d，14d，56d，84d，140d，每組三個(gè)試件。測試結(jié)果見下表3.2表3.2 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果7d（

24、kn）14d（kn）28d（kn）56d（kn）84d（kn）140d（kn）b1334420.6416.7353.3528.5496.8358.1409.6459.3356.1517.6455.9348280.8405.1458.9500.8476.7b2326.3387.7428.2445.7501.7535.1340.5.382.7381399.8401.7509.3344346.3325.8373.2374.4297.5b3257.7287.8264.2297.5389.3429.9260.2287.5354.4397.2352.4451.4255.3321.7252.1425.346

25、9.1289.2b4149.2185.7255.9291.2279.3320.3163.2191.9222.9286.3263331.4160195237.7266.5281.4294.83.3試件的設(shè)計(jì)及制備本試驗(yàn)研究的是在混凝土防水環(huán)境下，應(yīng)力狀態(tài)對混凝土碳化速率的影響。試驗(yàn)試件分為無應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力狀態(tài)以及壓應(yīng)力狀態(tài)三類，其中，拉壓應(yīng)力又分為長期持載和短期持載兩類，每一類又根據(jù)應(yīng)力水平的不同分為若干工況，表3.3 試件試驗(yàn)工況 應(yīng)力狀態(tài)荷載性質(zhì) 碳化天數(shù)應(yīng)力水平養(yǎng)護(hù)齡期（d）試件形狀軸壓短期持載7、14、28、56、2個(gè)月、5個(gè)月 0、50%、65%、75%、85%28（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）+21

26、（室內(nèi)養(yǎng)護(hù)）+7（防水處理自然養(yǎng)護(hù)）矩形軸拉短期持載7、14、28、56、2個(gè)月、5個(gè)月 0、25% 、35% 50% 、65%、 75%28（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）+21（室內(nèi)養(yǎng)護(hù)）+7（防水處理自然養(yǎng)護(hù)）啞鈴型長期持載56 0、25% 、35% 50% 、65%、 75%根據(jù)施加應(yīng)力的不同，實(shí)驗(yàn)室制備了不同形狀的試塊，選用兩個(gè)典型配比，每一配比制備100100100mm、100100400mm及啞鈴型三種規(guī)格的試塊，100100100mm用于立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，100100400mm用于軸壓荷載情況，啞鈴型用于軸拉荷載情況；3.3.1 軸拉試件軸拉試件均采用啞鈴型試件，其尺寸大小如圖3.4所示圖3.4

27、 軸拉試件尺寸圖混凝土短期軸拉試驗(yàn)是在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，電子拉伸試驗(yàn)機(jī)由日本島津儀器制造所生產(chǎn)，儀器型號為ses-1000，可施加的最大拉力為250kn，電子拉伸儀如圖3.5所示?；炷灵L期持載試驗(yàn)是通過長期加載裝置進(jìn)行，見圖3.6。加載過程采用千斤頂和靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行加載和卸載控制。 圖3.5電子拉伸儀 圖3.6長期加載裝置在短期持載軸拉試驗(yàn)中，為了盡量保證試件軸心對中，試驗(yàn)前在試件和加載板的上下兩個(gè)面上畫出中心線，將試件與加載板的中線上下對正后擰緊加載板上的螺帽，通過加載板中間的球鉸將試件與電子拉伸試驗(yàn)機(jī)連接，啟動試驗(yàn)機(jī)對試件施加預(yù)拉力，調(diào)整加載板上的螺帽松緊程度，這樣反復(fù)預(yù)拉幾次后可以

28、在一定程度上保證試驗(yàn)趨于軸拉。在混凝土軸心受拉長期持載試驗(yàn)中，也必須保證試件嚴(yán)格對中才能確定是軸心受拉。因此，在操作過程中，首先要確定持載裝置放在反力架的正中，固定好試塊后用米尺確定上下兩板在同一水平面上，然后才可以加載。另外，為了保證施加的力完全傳遞到試件上，本試驗(yàn)采用應(yīng)變儀控制應(yīng)變，千斤頂施加荷載的方式進(jìn)行加載。當(dāng)應(yīng)變儀讀數(shù)顯示為0時(shí)，立即擰緊螺栓，此時(shí)試件所受的荷載就完全由彈簧來提供了?？紤]到長期持載過程中，由于混凝土的徐變或持載裝置的松弛會有一定的荷載損失，所以本試驗(yàn)在加載過程中采取超加載5%。在加載試驗(yàn)前，首先選擇三塊試件加載到極限，取平均值做極限承載力，然后才能按照不同的應(yīng)力水平進(jìn)

29、行加載，加載應(yīng)力工況見表3.7。表3.7 混凝土軸拉試件受拉工況編號b1b2b3b4極限承載力（kn ）29.925.625.2415.75荷載水平（kn）0000025%7.486.406.313.9435%10.478.968.845.5150%14.9612.8012.627.8665%19.4516.6416.4110.2475%22.4419.2018.9311.823.3.2 軸壓試件為研究混凝土及防水混凝土材料經(jīng)受一定應(yīng)力水平的軸壓荷載后，碳化的變化規(guī)律，為了保證試驗(yàn)結(jié)果與長期持載的相互對應(yīng)，短期持載試件也做成100100400mm的混凝土試件，中間用pvc管子預(yù)留內(nèi)徑為36mm

30、孔道。為了使加載的力不至于直接作用到pvc管上而影響試件的實(shí)際受力，在制作過程中，試件中間用于預(yù)留孔道的pvc管長度要稍短于試件長度，使得試件靠近端部的部分是中空無管的。具體尺寸、形狀如圖3.8所示。圖3.8 軸壓試件尺寸短期軸壓荷載通過2000kn液壓萬能試驗(yàn)機(jī)施加，通過置于試塊上方的力傳感器控制加載的大小，見圖3.9 圖3.9萬能試驗(yàn)機(jī)在混凝土長期持載軸壓試驗(yàn)中，首先先在試件兩側(cè)墊上與試件橫截面相同大小的錨墊板，以保證試件均勻受力。其次，用于施加荷載的千斤頂要先進(jìn)行標(biāo)定才可進(jìn)行張拉。在本試驗(yàn)中，采用精軋螺紋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，端部用超強(qiáng)螺母固定，加載過程中，考慮到混凝土自身的徐變影響，在原計(jì)算

31、荷載基礎(chǔ)上超張拉5%。在施加荷載之前，先取三塊試件測定極限承載力，然后再按照不同的應(yīng)力水平進(jìn)行加載，具體加載應(yīng)力工況見表3.10。表3.10 軸壓時(shí)間加載工況編號b1b2b3b4極限承載力（kn ）350.0288.8287.5210.8荷載水平（kn）0000035%122.51.101100.673.850%175.0144.4143.8105.465%227.5187.72186.9137.075%262.5216.6215.6158.185%297.5245.48244.4179.23.4混凝土耐久性試驗(yàn)3.4.1混凝土的碳化 本課題的加速碳化試驗(yàn)采用普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法

32、（gb/t50082-200x）中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。試件在施加荷載后烘干，每個(gè)試件四個(gè)垂直面用石蠟密封，僅留兩個(gè)相對的側(cè)面，以保證co2以一維方式擴(kuò)散，然后將處理后試件放入快速碳化箱中靜置1d，以確?；炷撂蓟瘯r(shí)與箱內(nèi)溫濕度平衡。由于混凝土的碳化速率在很大程度上受環(huán)境相對濕度的影響，本試驗(yàn)中碳化箱內(nèi)相對濕度設(shè)為755 %，碳化箱內(nèi)的co2濃度約為20%，溫度為203攝氏度，試驗(yàn)所用碳化箱如圖3.11所示。 圖3.11 碳化箱對未加載試件在碳化箱內(nèi)加速碳化7d、14d、28d，然后測定其碳化深度、caco3的含量。其它短期持載和長期持載試件均在碳化28d后測定其碳化深度和caco3的含量。 3.4

33、.2混凝土碳化深度的測定測試混凝土碳化深度的常用試劑是1%濃度的酚酞酒精溶液，它以ph=9為界線，已碳化區(qū)呈無色，未碳化區(qū)呈粉紅色，這種方法僅能測試完全碳化區(qū)的深度。具體操作方法嚴(yán)格按照混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法（gb/t50082-200x）進(jìn)行：將劈裂后所得的試件部分刮去斷面上殘余的粉末，隨即噴上濃度為1%的酚酞酒精溶液（含20%的蒸餾水），經(jīng)30秒鐘后，按原先標(biāo)劃的每10mm一個(gè)測量點(diǎn)兩處試件兩側(cè)各點(diǎn)的碳化深度。如果測點(diǎn)處的碳化界限上剛好嵌有粗骨料顆粒，則可取該顆粒兩側(cè)處碳化深度的平均值作為該點(diǎn)的碳化深度值。碳化深度測量值精確至1mm。將測得的所有碳化深度值取平均值即為此試件的碳化

34、深度。 3.4.3 碳酸鈣含量測定方法為確切了解混凝土的碳化情況，需進(jìn)行混凝土的caco3含量測定。而為了測量混凝土試樣的caco3含量，需首先進(jìn)行混凝土試樣的分層磨粉。本實(shí)驗(yàn)由表及里每層厚度按每1 mm進(jìn)行，由第一個(gè)試樣從理論計(jì)算和事先估計(jì)根據(jù)測出的完全碳化深度來確定磨粉深度，本實(shí)驗(yàn)按前10mm每1 mm進(jìn)行磨粉，從10mm以后每2 mm進(jìn)行。每一層的粉末經(jīng)篩后用密封袋裝好，磨粉裝置如圖3.12所示。本次實(shí)驗(yàn)所用儀器為德國gmh3151數(shù)字壓力測量器（digital pressure meter）,反應(yīng)產(chǎn)生的co2氣體壓力轉(zhuǎn)化為數(shù)字模式在儀表中顯示，然后根據(jù)讀數(shù)查取對應(yīng)的標(biāo)定值得到caco3

35、含量的質(zhì)量百分比。再計(jì)算caco3的含量（已編成表格列出所有的計(jì)算值，可直接查用）。儀器裝置如圖3.13所示，具體操作步驟如下:（1）測量前先配置好1mol/l的鹽酸溶液；（2）稱量1g混凝土粉末，裝入儀器內(nèi)的小瓶；（3）在配帶的圓柱形玻璃短柱的空洞中用吸管注入足夠的1 mol/l鹽酸（滿孔）；（4）將儀器歸零后，用手搖動儀器使混凝土粉末與鹽酸充分反應(yīng)；（5）待儀器讀數(shù)穩(wěn)定，讀出數(shù)值，根據(jù)表格查出碳酸鈣的質(zhì)量百分含量（mg/g）。 圖3.12磨粉試驗(yàn)機(jī) 圖 3.13碳酸鈣含量測定儀四 試驗(yàn)結(jié)果分析4.1粉煤灰摻量及齡期對混凝土強(qiáng)度的影響圖4.1為b1、b2、b3、b4四個(gè)配比混凝土在各齡期的強(qiáng)

36、度試驗(yàn)結(jié)果。可見，用粉煤灰等量取代水泥之后，混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上低于普通混凝土。隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低不大，特別是在140d齡期時(shí)，b2的抗壓強(qiáng)度值已超過b1。這是由于粉煤灰中的活性成分sio2和a12o3與水泥水化生成的ca(oh)2反應(yīng)，生成水化硅鋁酸鈣膠體，降低了混凝土中液相堿度，進(jìn)一步促進(jìn)了水泥的水化，因此有利于混凝強(qiáng)度后期的提高。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度與b1相對應(yīng)齡期抗壓強(qiáng)度值相比，降低了9.9-27.9%。當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，混凝土強(qiáng)度明顯降低，140d的強(qiáng)度值比普通混凝土14d的強(qiáng)

37、度還要低。這是因?yàn)殡S著粉煤灰摻量增大，則水泥用量相對減少，水泥水化生成的c-s-h凝膠減少，混凝土孔隙率增加。即隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土強(qiáng)度呈降低的趨勢。在強(qiáng)度方面考慮，研究表明粉煤灰摻量不宜超過50%，最好控制在30%以下。圖4.1 混凝土強(qiáng)度隨齡期增長情況從圖4.1中還可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長呈有規(guī)律的發(fā)展。普通混凝土前14d強(qiáng)度增長較快，以后緩慢平穩(wěn)增長；粉煤灰混凝土則是前56d增長相對于56d以后較快，但最終都將趨于平穩(wěn)。這是由于粉煤灰具有玻璃體形態(tài)的活性成分、較大的比表面積，這能與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣緩慢進(jìn)行“二次反應(yīng)”，在表面生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣、水

38、化鋁酸鈣等，同時(shí)使水泥石的堿度降低，在此環(huán)境中更有利于水化鋁硅酸鹽的形成，并與水泥漿硬化體晶格堅(jiān)固地結(jié)合起來，填充在骨料之間形成緊密的混凝土結(jié)構(gòu)，從而使后期強(qiáng)度增長較快甚至超過同級別的混凝土的強(qiáng)度值。4.2防水混凝土與普通混凝土的碳化的比較為了進(jìn)一步體現(xiàn)研究防水混凝土的價(jià)值性，將防水混凝土與普通混凝土在相同條件下進(jìn)行快速碳化處理，可以得到下圖4.2。 圖4.2防水混凝土與普通混凝土caco3含量分布圖由圖可知，防水混凝土與普通混凝土相比，在相同的條件下，碳化程度大大降低，從碳化深度，碳化程度都有所下降。這是因?yàn)榉浪炷量梢杂行У刈柚雇獠凯h(huán)境的水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而可以大大提高混凝土的耐久性

39、，降低混凝土的碳化程度。4.3軸拉荷載作用下的碳化結(jié)果分析4.3.1 不同碳化齡期對防水混凝土碳化性能的影響 為了研究碳化齡期對混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)排除了荷載對混凝土的影響，僅對未加載試件分別進(jìn)行了28d，56d兩個(gè)齡期的碳化試驗(yàn)。圖4.3為測得的caco3含量及分布情況。 4.3 不同碳化齡期試件的caco3含量分布圖從圖4.3可以看出，兩種配比的混凝土在相同磨粉深度處，其caco3含量均隨著碳化齡期的增加而不斷增大，且最后都會穩(wěn)定在一個(gè)基本相同的值，這個(gè)值便是混凝土自身所固有的caco3含量值，只與混凝土自身材料以及配合比有關(guān)，而與荷載等其他因素?zé)o關(guān)。同時(shí)還可以看出，同一配比的

40、混凝土其表層混凝土含量是基本恒定的，b1配比的表層caco3含量是91mg/g左右，而b3配比的表層caco3含量是90mg/g左右，這說明混凝土表層已經(jīng)完全碳化，完全碳化區(qū)的混凝土caco3含量是基本不變的。另外，從圖中還可以看出，caco3含量分布圖趨勢是隨著磨粉深度的增加，其單位深度的caco3含量變化是不斷減小的，且前越靠近表層含量降低的越快。4.3.2不同軸拉應(yīng)力水平對混凝土碳化性能的影響分別對混凝土施加相當(dāng)于破壞強(qiáng)度0，25%，35%，50%，65%，75%的軸拉應(yīng)力。然后將試件同期放入碳化箱進(jìn)行28d的快速碳化試驗(yàn)，所得caco3含量及分布情況如圖4.4所示。 圖4.4 不同軸拉

41、應(yīng)力水平下的caco3含量從圖中可以看出，對于同一配合比的混凝土，其caco3含量均隨著應(yīng)力水平的增加而不斷增大，荷載對混凝土碳化性能影響非常顯著。這是因?yàn)?，混凝土的組成是不均勻的，存在著隨機(jī)分布的初始微裂縫和孔隙，隨著應(yīng)力水平的增加，混凝土內(nèi)部微裂縫不斷延伸、擴(kuò)展，應(yīng)力水平的增大造成混凝土內(nèi)部微裂縫損傷更嚴(yán)重，加載后的試件再放入溫度為203濕度為755%的碳化箱中，在適宜的溫度下，水分和co2很容易侵入混凝土內(nèi)部并很快與可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此，混凝土碳化程度隨著加載應(yīng)力的增加而不斷在增大。同時(shí)，當(dāng)深度達(dá)到某一值時(shí)，各種應(yīng)力水平下混凝土的caco3含量的都逐漸趨于一個(gè)相對不變的值，此值便是混

42、凝土本身固有的初始caco3含量，它只與混凝土的原材料及配合比有關(guān)，而與荷載水平無關(guān)。4.3.3不同軸拉持載形式對混凝土碳化性能的影響為了研究荷載的作用形式對混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)對軸拉試件分長期持載和短期持載兩種持載形式進(jìn)行試驗(yàn)，并且每種持載形式又分成不同的應(yīng)力水平。圖4.5為軸拉應(yīng)力作用下混凝土在不同持載形式作用下的混凝土caco3含量分布圖，其中，l是指軸拉長期持載。 (a） (b） （c） （d）圖4.5 軸拉應(yīng)力作用下不同持載形式的混凝土caco3含量分布圖由圖4.5可以看出，在同一磨粉深度處，長期持載試件要比不加載試件和短期持載試件的caco3含量高，這是因?yàn)?，短期持載情

43、況下，單次荷載引起的應(yīng)變在卸載后會恢復(fù)60%80%13，因此，短期持載后的試件卸載后其微裂縫有一定程度的收縮閉合，而長期持載情況下，因?yàn)樵嚰恢碧幱谑芰顟B(tài)，其內(nèi)部微裂縫也會一直處于張開狀態(tài)，這方便于氣體和水分的進(jìn)入，從而導(dǎo)致caco3含量的增高。4.3.4粉煤灰摻量對混凝土碳化性能的影響不同摻量的粉煤灰對混凝土碳化性能的影響十分重要，為進(jìn)一步研究粉煤灰摻量對混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)分兩個(gè)不同摻量的粉煤灰進(jìn)行設(shè)計(jì)，編號是分別為b1、b3，粉煤灰摻量逐步遞增。圖4.4為不同摻量粉煤灰混凝土在相同碳化齡期下的caco3含量分布圖。 圖4.6 不同摻量粉煤灰混凝土的caco3含量分布圖由圖4

44、.6可以看出，碳化深度隨著粉煤灰摻量的增多而增大。這是由于粉煤灰摻量越多，相應(yīng)水泥含量便越少，漿體中氫氧化鈣的儲備量都較少；同時(shí)，又由于粉煤灰的活性效應(yīng)性效應(yīng)：即粉煤灰能與水泥水化過程中產(chǎn)生 ca(oh)2等物質(zhì)進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好的低堿性水化硅酸鈣，ca(oh)2得以消耗，故碳化嚴(yán)重。因此，粉煤灰用量要適宜，過多的粉煤灰更容易導(dǎo)致混凝土打碳化。4.4軸壓荷載作用下的碳化結(jié)果分析為了進(jìn)一步研究不同軸壓應(yīng)力水平對混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)對b1，b3，兩種不同粉煤灰摻量的混凝土試件分別進(jìn)行了不同應(yīng)力水平的軸壓碳化試驗(yàn)。軸壓加載水平分別為0，50%，65%，75%，85

45、%的極限荷載。各配比的試件同期放入碳化箱進(jìn)行28d的快速碳化試驗(yàn)，所得caco3含量及分布情況如圖4.7所示。 圖4.7軸壓靜載作用下的caco3含量分布圖由圖可知，在軸壓應(yīng)力作用下，混凝土caco3含量均隨著壓應(yīng)力水平的增大呈先減小后增大的趨勢。分析其原因可知，當(dāng)混凝土受到較小的軸壓荷載作用時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變此時(shí)處于比例極限范圍內(nèi)，其界面裂縫無明顯變化，此階段co2氣體在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)會因混凝土受壓密實(shí)而有所降低，因此碳化速率理應(yīng)有所減慢，例如本試驗(yàn)的0.5的壓應(yīng)力水平；而當(dāng)荷載超過“臨界荷載”（裂縫發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)），界面裂縫繼續(xù)發(fā)展，砂漿裂縫開始出現(xiàn)并與相鄰的界面裂縫連通，氣體在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散

46、系數(shù)迅速增長，碳化速度加快，如本實(shí)驗(yàn)的0.85的壓應(yīng)力水平。 五、結(jié)論與展望1.結(jié)論在實(shí)際工程中，混凝土一般處于荷載和環(huán)境的綜合作用下，因此，研究荷載作用下混凝土的耐久性問題至關(guān)重要。本章研究了混凝土經(jīng)受拉壓荷載作用下碳化的問題，得到一些規(guī)律，概括如下：（1） 不論哪種配比的混凝土，其碳化深度都隨拉應(yīng)力水平的增大而增加；隨著壓應(yīng)力水平的增大，碳化深度先減小后增大。并且，隨著碳化齡期的增加，混凝土中co2擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小。（2） 不論是軸拉還是軸壓荷載作用下，混凝土在相同應(yīng)力水平和相同碳化齡期條件下，其碳化深度均隨著粉煤灰摻量的增大而增大。（3） 長期軸拉持載試件的碳化程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短期持載試件

47、和不加載試件。在長期軸壓應(yīng)力作用下，0.35壓應(yīng)力水平時(shí)，試件的碳化深度小于未加載時(shí)的碳化深度，而0.75的壓應(yīng)力水平則使得試件的碳化深度大于未加載時(shí)的碳化深度，說明35%的壓應(yīng)力水平還處于混凝土的壓應(yīng)力比例極限范圍內(nèi)，此時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系，混凝土內(nèi)部裂縫和缺陷少；達(dá)到0.75應(yīng)力水平時(shí)，裂縫開展更大，縫隙之間形成貫通裂縫，因此，碳化程度更大。而當(dāng)處于0.350.75之間的壓應(yīng)力水平時(shí)，由于混凝土內(nèi)部的集料水泥漿體的界面裂縫的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致0.65的壓應(yīng)力水平作用下的混凝土碳化程度有一定跳躍性。 (4）防水混凝土能夠夠好的阻止混凝土的碳化，更容易保護(hù)混凝土的耐久性。2.展望 由于對混凝土碳化速度影響的因素較多，加之混凝土施工質(zhì)量的差異性，對于混凝土的碳化問題仍有許多問題需要進(jìn)一步的研究，本人認(rèn)為還存在的主要問題有：(1)目前對于水灰比、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和二氧化碳濃度等影響碳化速度因素的問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行