摘 要:在總結影響混凝土碳化因素的基礎上,通過實際工程調查,提出陽光照射對混凝土碳化速度有一定的影響,并通過統計資料分析了光照對混凝土碳化速度的影響程度。
關鍵詞:陽光照射;混凝土碳化;影響程度
中圖分類號: TU525 文獻標識碼:A 文章編號:1008 - 5696(2007) 01 - 0005 - 03
混凝土碳化是空氣中的CO2 通過擴散進入混凝土,在空隙液相中與可碳化物質反應生成CaCO3 的過程。這一緩慢的過程,涉及到材料本身的因素和環境因素。屬于材料本身的因素,如水灰比、水泥品種與用量、骨料品種與粒徑、外摻加劑、養護方法與時間等;屬于環境條件的因素,如CO2 濃度、相對濕度、溫度、應力狀態、表面覆蓋層等。國內外許多學者對混凝土碳化的影響因素進行了研究,取得了一定的成果,但目前尚未見到陽光照射對混凝土碳化速度影響的研究成果。因此,本文結合實際工程調查,研究光照對混凝土碳化的影響情況,為建立混凝土碳化預測模型提供科學依據。
1 混凝土碳化影響因素研究成果
1. 1 混凝土品質的影響
1. 1. 1 水灰比對碳化速度的影響
水灰比基本上決定了混凝土的孔結構,水灰比越大,混凝土內部的孔隙率就越大。由于CO2 擴散是在混凝土內部的氣孔和毛細孔中進行的,因此,水灰比在一定程度上決定了CO2 在混凝土中的擴散速度,水灰比越大,混凝土碳化速度也就越快。
1. 1. 2 水泥品種的影響
南京水科院選用了5 種水泥進行快速試驗,結果表明,早強型普通硅酸鹽水泥混凝土碳化速度最慢,礦渣水泥混凝土與普通硅酸鹽水泥混凝土碳化速度基本相同。由于水泥品種不同,水泥水化產物中堿性物質的含量及混凝土的滲透性不同,故對混凝土碳化速度有一定影響。
1. 1. 3 水泥用量的影響
水泥用量直接影響混凝土吸收CO2 的量,因此對混凝土碳化速度有一定影響。混凝土吸收CO2 的量取決于水泥用量和混凝土的水化速度,水泥用量越大,其碳化速度越慢。
1. 1. 4 混凝土摻合料對碳化的影響
在普通水泥混凝土中,摻加粉煤灰后,由于水泥中的熟料量相應地減少了,致使混凝土吸收CO2 的能力降低,同時,由于粉煤灰混凝土的早期強度低,孔結構差,加速了CO2 的擴散速度,從而使碳化速度加快。根據對文獻[ 2 ,3 ]的研究,當粉煤灰摻量小于10 %時,可不考慮粉煤灰的影響;當粉煤灰摻量超過20 %時,則必須考慮粉煤灰對碳化的影響,并應控制粉煤灰摻量(不超過30 %) 。
1. 1. 5 混凝土抗壓強度的影響
混凝土抗壓強度是混凝土最基本的性能指標,也是衡量混凝土品質的綜合參數,它與混凝土的水灰比有非常密切的關系,并在一定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、外加劑、施工質量與養護方法等對混凝土品質的影響,混凝土強度高,其抗碳化能力強。研究結果表明,混凝土碳化深度與抗壓強度的倒數成正比。
1. 1. 6 施工質量及養護對碳化的影響
混凝土施工質量對混凝土的品質有很大影響,混凝土澆注、振搗不僅影響混凝土的強度,而且直接影響混凝土的密實性,因此,施工質量對混凝土碳化有很大影響。實際調查結果表明,在其他條件相同時,施工質量好,混凝土強度高,密實性好,其抗碳化性能強;施工質量差,混凝土表面不平整,內部有裂縫、蜂窩、孔洞等,增加了CO2 在混凝土中的擴散路徑,使碳化速度加快。混凝土養護狀況對混凝土碳化也有一定影響。混凝土早期養護不良,水泥水化不充分,使表層混凝土滲透性增大,碳化加快。除此之外,混凝土表面的覆蓋層對混凝土碳化也有一定的延緩作用。
1. 2 環境條件對碳化速度的影響
1. 2. 1 CO2 濃度的影響
由于碳化反應是一種化學反應,與此有關的物質濃度對碳化速度有很大影響,CO2 濃度越高,碳化速度越快。一般認為,碳化速度與CO2 濃度的平方根成正比。
1. 2. 2 環境溫度的影響
氣體的擴散速度和碳化反應受溫度影響較大,因此,隨溫度升高碳化速度加快。試驗研究表明CO2 濃度10 %、相對濕度80 %條件下,溫度40 ℃的碳化速度是20 ℃的2 倍;CO2 濃度5 %、相對濕度60 %條件下,溫度30 ℃的碳化速度是10 ℃的1. 7 倍。
1. 2. 3 環境相對濕度的影響
環境濕度對混凝土碳化速度有很大影響。相對濕度的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小,濕度較小時,混凝土處于較為干燥或含水率較低的狀態,雖然CO2 氣體的擴散速度較快,但由于碳化反應所需水分不足,故碳化速度較慢;濕度較高時,混凝土的含水率較高,阻礙了CO2 氣體在混凝土中的擴散,故碳化速度也較慢。研究表明,在相對濕度為40 %～60 %時,碳化速度較快,50 %時達到最大值。相對濕度在50 %～70 %時,混凝土碳化速度最快。
1. 2. 4 外界風壓
這主要是由于空氣中的CO2 不僅通過一般的擴散,并且當風突發時,由于壓力的變化而進入混凝土孔隙中,因此,CO2 在正風壓區域的擴散速度比負風壓區域的擴散速度快。
由于是混凝土品質、環境條件等均相同的同一建筑物,因此,實測混凝土碳化深度的統計特征值能較好地反映出光照對混凝土碳化的影響程度。拱肋、吊桿、系桿的陽光照射面和背光面實測混凝土碳化深度統計特征如表1 所示,碳化深度的頻率分布如圖2 所示。
從表1 和圖2 實測統計碳化深度特征值和頻率分布圖看出,陽光照射對混凝土碳化深度有一定的影響,陽光照射面的統計碳化深度平均值均大于背光面,南北拱肋南立面(光照面) 是北立面(背光面) 的1. 07 倍,南北吊桿南立面是北立面的1. 05 倍,南系桿南立面是北系桿北立面的1. 15倍。調查結果表明,陽光照射面的混凝土碳化速度比背光面混凝土碳化速度快,這主要是由于當其它條件相同時,陽光照射面的溫度高于背光面,構件內部存在溫度梯度。溫度高氣體的擴散速度加快,混凝土碳化速度也加快,碳化深度也越深。
1. 2. 5 應力狀態
在實際的橋梁結構中,不同部位的混凝土處于不同的應力狀態,它承受壓應力或拉應力,在拉應力作用下,加速了混凝土微裂縫的開展與延伸,使得各微裂縫連接貫通,這樣增大了混凝土的孔隙率,降低了混凝土抗滲性,從而削弱了混凝土的抗碳化能力。在無筋混凝土試件中(水灰比0. 47) ,當拉應力為0. 7 f t ( f t 為混凝土抗拉強度設計值) 時,二氧化碳氣體的有效擴散系數增加1～2數量級,而當混凝土受壓時,當壓應力為0. 7 f c ( f c 為混凝土抗壓強度設計值) 時,則降低一個數量級。有關調查顯示,鋼筋的銹蝕引起的混凝土崩裂都發生在受拉區,而受壓區則安然無恙,這種情況正好反映了碳化和應力狀態之間的關系。
2 光照對混凝土碳化的影響
為了分析陽光照射對混凝土碳化的影響,我們以實際工程———江蘇寶應運河大橋主跨系桿拱結構進行分析研究。寶應運河大橋結構形式如圖1 所示。該橋主跨系桿拱結構,使用至今已44 年多,并出現了嚴重的耐久性損傷,為了研究光照對混凝土碳化的影響程度,分別對系桿拱的拱肋、吊桿、系桿的南立面(陽光照射面) 和北立面(背光面) 混凝土碳化深度進行了大量的實測。檢測方法采用沖擊電鉆打孔,濃度為1 %的酚酞酒精溶液均勻地噴灑在孔洞內壁,然后用游標卡尺量取混凝土的碳化深度值。
3 結 論
以上實測的統計資料研究表明,陽光照射對混凝土碳化速度有一定的影響,影響程度如用統計平均值來考察,光照面大致是背光面的1. 1 倍左右。
由于實際工程問題的復雜性以及實際調查資料、試驗資料的缺乏,光照強度、光照時間等對混凝土碳化速度的影響有待進一步研究。
參考文獻
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