干燥環(huán)境下粉煤灰混凝土表面假性碳化研究

傅國(guó)鋒

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000）

混凝土作為一種工程中廣泛運(yùn)用的材料，從19 世紀(jì)出現(xiàn)起，就成為了土木工程行業(yè)中最主要的材料之一。目前工程中使用回彈法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)最為普遍，由于混凝土表面的碳化，JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[1]規(guī)定要對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行測(cè)量。JGJ/T 23—2011 中規(guī)定，碳化測(cè)量要測(cè)在已碳化與未碳化的清晰界面上。因此，準(zhǔn)確測(cè)量碳化深度，對(duì)于使用回彈法準(zhǔn)確推定混凝土強(qiáng)度具有重要意義。

在碳化深度的測(cè)量過程中，童壽興[2]發(fā)現(xiàn)用廢機(jī)油或酸性脫模劑成型的混凝土，其表層存在假性碳化現(xiàn)象，該現(xiàn)象是堿性混凝土受到酸性脫模劑所產(chǎn)生的中性化反應(yīng)。其表層并未發(fā)生碳化現(xiàn)象，故規(guī)范在使用過程中存在檢測(cè)強(qiáng)度評(píng)判的誤區(qū)。常新偉等[3]認(rèn)為準(zhǔn)確測(cè)量回彈強(qiáng)度可能受到裝修層、環(huán)境溫度、濕度和CO2含量等多方面的影響。但其未對(duì)各種影響因素可能造成的影響進(jìn)行具體研究。牛荻濤[4]對(duì)碳化試件由外向內(nèi)鉆取粉樣，繪制CaCO3含量分布曲線，將碳化分為表層、完全碳化區(qū)、不完全碳化區(qū)、未碳化區(qū)。王青等[5]認(rèn)為利用酚酞測(cè)試混凝土碳化深度值介于完全碳化和未完全碳化深度之間，其值約為完全碳化區(qū)長(zhǎng)度的2 倍。

混凝土中摻合料的使用，將顯著降低混凝土的造價(jià)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而，摻入的摻合料對(duì)混凝土的碳化也有一定的影響。杜晉軍等[6]研究了低水膠比的混凝土，粉煤灰摻量在小于30%和大于30%時(shí)對(duì)混凝土碳化的影響。劉繼狀等[7]認(rèn)為混凝土碳化深度值和碳化速率均隨粉煤灰摻量增加而增加，混凝土碳化深度值隨水膠比增加而增大。李斌等[8]認(rèn)為隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土碳化的深度也越來越大，而且由于粉煤灰摻量增大，混凝土碳化的速度也變得越快，但增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著時(shí)間的增加變得越來越平緩。

綜上，假性碳化、不完全碳化以及摻合料都會(huì)對(duì)混凝土碳化產(chǎn)生影響。在中國(guó)西北等干燥地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)粉煤灰混凝土碳化深度的測(cè)量上，出現(xiàn)了諸多假性碳化現(xiàn)象。為此，本文從宏觀上將假性碳化深度對(duì)強(qiáng)度的影響結(jié)合微觀上混凝土所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行說明，為工程環(huán)境中的混凝土回彈法檢測(cè)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法

本文采用對(duì)干燥環(huán)境下不同齡期的粉煤灰混凝土的標(biāo)準(zhǔn)試塊以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體墩柱進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試塊作為對(duì)照，以反映不同齡期的混凝土碳化深度及強(qiáng)度的變化。本文選取新疆某地公路工程項(xiàng)目某橋梁墩柱進(jìn)行試驗(yàn)，該墩柱使用粉煤灰混凝土。該地區(qū)環(huán)境濕度較低，屬于溫帶干旱氣候，夏季環(huán)境濕度處于8%～50%。

粉煤灰混凝土墩柱配合比見表1。其中，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，澆筑方式為非泵送，水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)集料選用Ⅱ類機(jī)制砂，粗集料選用5～31.5 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，水為地下水，外加劑選用引氣型減水劑。

表1 粉煤灰混凝土墩柱配合比 kg·cm3

本次試驗(yàn)共設(shè)置3 組混凝土試塊以及2 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體墩柱。3 組混凝土試塊分別為標(biāo)養(yǎng)組（共3 個(gè)試塊）、烘干組（共3 個(gè)試塊）、干燥組（共6 個(gè)試塊），現(xiàn)場(chǎng)墩柱（A、B）。墩柱A 和墩柱B 為橋梁同里程樁號(hào)2 根橋墩，橋墩直徑為160 cm，墩柱高度為700 cm。2 根墩柱同時(shí)澆筑。在墩柱澆筑時(shí)，預(yù)留好試驗(yàn)所需試塊，共計(jì)12 個(gè)試塊，編號(hào)為標(biāo)養(yǎng)BY1—BY3、烘干HG1—HG3、干燥GZ1—GZ6。試塊于24 h 后脫模，試塊圖片如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留試塊

將脫模后的標(biāo)養(yǎng)組試塊BY1—BY3 及烘干組試塊HG1—HG3，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)室溫度（20±2）℃，濕度大于95%。在第4 天將烘干組試塊放入101-3A 電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥溫度設(shè)置為105 ℃。將脫模后的干燥組試塊放入擁有CS-06B 恒溫恒濕機(jī)的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度控制在20℃，濕度控制在30%。養(yǎng)護(hù)時(shí)，將試塊澆筑頂面翻轉(zhuǎn)180°朝下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

將烘干組3 個(gè)試塊分別在24、48 和72 h 之后取出，待冷卻后進(jìn)行碳化深度測(cè)量。本次試驗(yàn)用的酚酞酒精溶液濃度為1%。標(biāo)養(yǎng)組試塊、干燥組試塊分別在14、28、42 和56 d 時(shí)對(duì)除頂面及底面外的其余任一試塊面進(jìn)行碳化深度測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)墩柱在同一時(shí)刻選取同一高度6 個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 烘干狀態(tài)下混凝土的碳化深度

不同烘干時(shí)間作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 烘干組假性碳化深度試驗(yàn)結(jié)果

表2 給出了不同烘干時(shí)間作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度值。在鑿開的碳化測(cè)試坑中，在噴上酚酞酒精溶液后，混凝土產(chǎn)生了明顯的分界線，表2 為產(chǎn)生明顯分界線時(shí)測(cè)量產(chǎn)生的碳化深度值。經(jīng)過7 min 左右的時(shí)間，分界線已無(wú)法找尋，在“碳化區(qū)”顯現(xiàn)了淺粉色，且淺粉色區(qū)域的顏色還在逐步加深。

不同烘干時(shí)間下重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，“碳化區(qū)”均逐步變成未碳化區(qū)，正是因?yàn)榧傩蕴蓟瘞淼脑囼?yàn)現(xiàn)象。若此時(shí)不開鑿測(cè)試坑，僅在試塊表面噴灑酚酞酒精溶液，在多次噴灑后，也會(huì)使得試塊表面逐步變?yōu)榧t色。此時(shí)，將噴灑溶液換成純凈水且保證測(cè)試面在噴灑過程中保持濕潤(rùn)但不流淌，在噴灑后等待測(cè)試面干燥，重復(fù)數(shù)次，待時(shí)間過去10 min 后，噴酚酞酒精溶液，試塊表面馬上變?yōu)榧t色。由表2 的試驗(yàn)結(jié)果以及產(chǎn)生的試驗(yàn)現(xiàn)象可知，假設(shè)烘干組試塊為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體構(gòu)件，檢測(cè)人員在分界線清晰顯現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行碳化深度值的測(cè)量，就會(huì)誤將假性碳化深度當(dāng)成碳化深度記錄。表2 的結(jié)果與王海潮等[9]的結(jié)果相互印證。

2.2 干燥環(huán)境下混凝土碳化深度

圖2 為使用酚酞酒精法測(cè)量56 d 干燥組及現(xiàn)場(chǎng)墩柱碳化深度的典型照片。由圖2 可知，混凝土表層碳化深度在剛開始時(shí)顯示較深，可看出明顯的分界線。在7 min 時(shí)，原先“碳化區(qū)”顯示出淺粉色，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，“碳化區(qū)”顏色逐步和“未碳化區(qū)”顏色一致，顯示出明顯的假性碳化特征。在經(jīng)歷30 min 過后，測(cè)量此時(shí)碳化深度分界線，得出真實(shí)的碳化深度值。

圖2 干燥環(huán)境下混凝土碳化深度的典型照片

圖3 為不同試驗(yàn)條件下碳化深度值隨齡期的變化曲線。由圖3 可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的真實(shí)碳化深度都有不同程度的增加。其中，干燥組試塊的碳化深度值在同齡期中最低，混凝土過早地減緩了水化反應(yīng)，且將混凝土中的Ca（OH）2結(jié)晶析出。干燥組的真實(shí)碳化深度值最低，這是因?yàn)樵囼?yàn)室干燥情況更為恒定，混凝土的水化反應(yīng)速率被限制?，F(xiàn)場(chǎng)墩柱的真實(shí)碳化深度值最高，是因?yàn)槭墁F(xiàn)場(chǎng)濕度隨時(shí)間波動(dòng)變化以及現(xiàn)場(chǎng)施工過程中空氣中CO2濃度較高的影響。

圖3 不同試驗(yàn)條件下碳化深度值隨齡期的變化曲線

圖4 為不同試驗(yàn)條件下假性碳化深度值隨齡期的變化曲線。由圖4 可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的假性碳化深度值逐漸增大。這是因?yàn)榛炷帘韺釉谔蓟髸?huì)產(chǎn)生細(xì)小孔洞，進(jìn)一步加劇內(nèi)部混凝土水分的流失，約束水化反應(yīng)和談碳化反應(yīng)，導(dǎo)致假性碳化值逐漸增大。

圖4 不同試驗(yàn)條件下假性碳化深度值隨齡期的變化曲線

3 粉煤灰混凝土的碳化機(jī)理

粉煤灰混凝土中的水泥成分，主要為4 種熟料礦物，分別是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、鐵相固溶體4CaO·Al2O3·Fe2O3。水化反應(yīng)公式分別如式（1）—式（4）所示

由式（1）—式（4）可知，水泥水化需要消耗大量的水分，所以，在干燥環(huán)境中，水泥的水化反應(yīng)被限制。

粉煤灰的主要成分也是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，但是粉煤灰本身并無(wú)膠凝性能，粉煤灰在混凝土中的作用最重要的是火山灰反應(yīng)效應(yīng)，火山灰反應(yīng)效應(yīng)是粉煤灰中的Al2O3、Fe2O3等材料和Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H 凝膠。由于大量摻入粉煤灰，導(dǎo)致水泥熟料成分大量減少，水化生成物Ca（OH）2的含量減少，粉煤灰的活性未完全激發(fā)出來，28 d 的水化還不完全，粉煤灰混凝土的二次水化會(huì)消耗大量的Ca（OH）2，使粉煤灰混凝土的堿儲(chǔ)備降低。另外，粉煤灰混凝土的孔隙率明顯大于普通硅酸鹽混凝土，導(dǎo)致碳化有更多的氣孔通道，使CO2能夠通過氣孔進(jìn)入，水分能夠通過氣孔流失，加劇了碳化深度的發(fā)展。

由于Ca（OH）2所攜帶的OH-是酚酞酒精溶液變色的關(guān)鍵，而Ca（OH）2是微溶于水的，在特別干燥的時(shí)候，Ca（OH）2將結(jié)晶析出。這一反應(yīng)是假性碳化現(xiàn)象的根本原因。在CO2的作用下，混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)式如式（5）—式（8）所示

由式（5）—式（8）可知，Ca（OH）2變成CaCO3會(huì)產(chǎn)生水，而水同時(shí)也會(huì)和CaO·2SiO2·3H2O、3CaO·SiO2、2CaO·SiO2發(fā)生反應(yīng)，若水分缺失，會(huì)在一定程度上限制著Ca（OH）2的碳化。

4 討論與分析

混凝土的碳化本質(zhì)上是指混凝土中Ca（OH）2反應(yīng)生成CaCO3的現(xiàn)象。利用回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)，碳化深度的準(zhǔn)確測(cè)量影響著混凝土強(qiáng)度的推定。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，除了脫模劑種類對(duì)混凝土表面碳化測(cè)量會(huì)產(chǎn)生影響，環(huán)境干濕度也會(huì)對(duì)正確測(cè)量混凝土的碳化深度產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)。同時(shí)，混凝土的摻合料組成影響著混凝土內(nèi)部微觀化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物也變得更加復(fù)雜，僅用Ca（OH）2反應(yīng)生成CaCO3來反應(yīng)表面剛度的變化不夠全面客觀。而目前回彈法在工程中運(yùn)用依然最為廣泛，所以，為更準(zhǔn)確測(cè)定混凝土的強(qiáng)度值，規(guī)范中對(duì)于混凝土碳化深度的測(cè)量有待于進(jìn)一步的精確化規(guī)定。

5 結(jié)論

通過對(duì)干燥環(huán)境下粉煤灰混凝土表面出現(xiàn)的假性碳化的研究，得出以下幾條結(jié)論。

1）混凝土在烘干狀態(tài)下，混凝土表面將嚴(yán)重失水，出現(xiàn)假性碳化現(xiàn)象。在混凝土表面重新噴水潤(rùn)濕后，碳化現(xiàn)象消失。

2）干燥環(huán)境下的混凝土在碳化測(cè)試過程中，剛開始會(huì)出明顯的分界線，隨著時(shí)間的推移，碳化深度值逐漸降低，出現(xiàn)假性碳化現(xiàn)象，假性碳化深度值隨著齡期的增大而增大。

3）干燥環(huán)境下粉煤灰混凝土中碳化受三方面的影響，一是由于水泥熟料占比減少，產(chǎn)生的Ca（OH）2減少，二是由于粉煤灰的二次水化消耗了Ca（OH）2，三是干燥環(huán)境會(huì)進(jìn)一步的影響水泥的水化反應(yīng)及碳化，導(dǎo)致Ca（OH）2的結(jié)晶析出。