摘 要:在总结影响混凝土碳化因素的基础上,通过实际工程调查,提出阳光照射对混凝土碳化速度有一定的影响,并通过统计资料分析了光照对混凝土碳化速度的影响程度。
关键词:阳光照射;混凝土碳化;影响程度
中图分类号: TU525 文献标识码:A 文章编号:1008 - 5696(2007) 01 - 0005 - 03
混凝土碳化是空气中的CO2 通过扩散进入混凝土,在空隙液相中与可碳化物质反应生成CaCO3 的过程。这一缓慢的过程,涉及到材料本身的因素和环境因素。属于材料本身的因素,如水灰比、水泥品种与用量、骨料品种与粒径、外掺加剂、养护方法与时间等;属于环境条件的因素,如CO2 浓度、相对湿度、温度、应力状态、表面覆盖层等。国内外许多学者对混凝土碳化的影响因素进行了研究,取得了一定的成果,但目前尚未见到阳光照射对混凝土碳化速度影响的研究成果。因此,本文结合实际工程调查,研究光照对混凝土碳化的影响情况,为建立混凝土碳化预测模型提供科学依据。
1 混凝土碳化影响因素研究成果
1. 1 混凝土品质的影响
1. 1. 1 水灰比对碳化速度的影响
水灰比基本上决定了混凝土的孔结构,水灰比越大,混凝土内部的孔隙率就越大。由于CO2 扩散是在混凝土内部的气孔和毛细孔中进行的,因此,水灰比在一定程度上决定了CO2 在混凝土中的扩散速度,水灰比越大,混凝土碳化速度也就越快。
1. 1. 2 水泥品种的影响
南京水科院选用了5 种水泥进行快速试验,结果表明,早强型普通硅酸盐水泥混凝土碳化速度最慢,矿渣水泥混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土碳化速度基本相同。由于水泥品种不同,水泥水化产物中碱性物质的含量及混凝土的渗透性不同,故对混凝土碳化速度有一定影响。
1. 1. 3 水泥用量的影响
水泥用量直接影响混凝土吸收CO2 的量,因此对混凝土碳化速度有一定影响。混凝土吸收CO2 的量取决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 混凝土掺合料对碳化的影响
在普通水泥混凝土中,掺加粉煤灰后,由于水泥中的熟料量相应地减少了,致使混凝土吸收CO2 的能力降低,同时,由于粉煤灰混凝土的早期强度低,孔结构差,加速了CO2 的扩散速度,从而使碳化速度加快。根据对文献[ 2 ,3 ]的研究,当粉煤灰掺量小于10 %时,可不考虑粉煤灰的影响;当粉煤灰掺量超过20 %时,则必须考虑粉煤灰对碳化的影响,并应控制粉煤灰掺量(不超过30 %) 。
1. 1. 5 混凝土抗压强度的影响
混凝土抗压强度是混凝土最基本的性能指标,也是衡量混凝土品质的综合参数,它与混凝土的水灰比有非常密切的关系,并在一定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度、骨料品种、外加剂、施工质量与养护方法等对混凝土品质的影响,混凝土强度高,其抗碳化能力强。研究结果表明,混凝土碳化深度与抗压强度的倒数成正比。
1. 1. 6 施工质量及养护对碳化的影响
混凝土施工质量对混凝土的品质有很大影响,混凝土浇注、振捣不仅影响混凝土的强度,而且直接影响混凝土的密实性,因此,施工质量对混凝土碳化有很大影响。实际调查结果表明,在其他条件相同时,施工质量好,混凝土强度高,密实性好,其抗碳化性能强;施工质量差,混凝土表面不平整,内部有裂缝、蜂窝、孔洞等,增加了CO2 在混凝土中的扩散路径,使碳化速度加快。混凝土养护状况对混凝土碳化也有一定影响。混凝土早期养护不良,水泥水化不充分,使表层混凝土渗透性增大,碳化加快。除此之外,混凝土表面的覆盖层对混凝土碳化也有一定的延缓作用。
1. 2 环境条件对碳化速度的影响
1. 2. 1 CO2 浓度的影响
由于碳化反应是一种化学反应,与此有关的物质浓度对碳化速度有很大影响,CO2 浓度越高,碳化速度越快。一般认为,碳化速度与CO2 浓度的平方根成正比。
1. 2. 2 环境温度的影响
气体的扩散速度和碳化反应受温度影响较大,因此,随温度升高碳化速度加快。试验研究表明CO2 浓度10 %、相对湿度80 %条件下,温度40 ℃的碳化速度是20 ℃的2 倍;CO2 浓度5 %、相对湿度60 %条件下,温度30 ℃的碳化速度是10 ℃的1. 7 倍。
1. 2. 3 环境相对湿度的影响
环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小,湿度较小时,混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态,虽然CO2 气体的扩散速度较快,但由于碳化反应所需水分不足,故碳化速度较慢;湿度较高时,混凝土的含水率较高,阻碍了CO2 气体在混凝土中的扩散,故碳化速度也较慢。研究表明,在相对湿度为40 %～60 %时,碳化速度较快,50 %时达到最大值。相对湿度在50 %～70 %时,混凝土碳化速度最快。
1. 2. 4 外界风压
这主要是由于空气中的CO2 不仅通过一般的扩散,并且当风突发时,由于压力的变化而进入混凝土孔隙中,因此,CO2 在正风压区域的扩散速度比负风压区域的扩散速度快。
由于是混凝土品质、环境条件等均相同的同一建筑物,因此,实测混凝土碳化深度的统计特征值能较好地反映出光照对混凝土碳化的影响程度。拱肋、吊杆、系杆的阳光照射面和背光面实测混凝土碳化深度统计特征如表1 所示,碳化深度的频率分布如图2 所示。
从表1 和图2 实测统计碳化深度特征值和频率分布图看出,阳光照射对混凝土碳化深度有一定的影响,阳光照射面的统计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,南北吊杆南立面是北立面的1. 05 倍,南系杆南立面是北系杆北立面的1. 15倍。调查结果表明,阳光照射面的混凝土碳化速度比背光面混凝土碳化速度快,这主要是由于当其它条件相同时,阳光照射面的温度高于背光面,构件内部存在温度梯度。温度高气体的扩散速度加快,混凝土碳化速度也加快,碳化深度也越深。
1. 2. 5 应力状态
在实际的桥梁结构中,不同部位的混凝土处于不同的应力状态,它承受压应力或拉应力,在拉应力作用下,加速了混凝土微裂缝的开展与延伸,使得各微裂缝连接贯通,这样增大了混凝土的孔隙率,降低了混凝土抗渗性,从而削弱了混凝土的抗碳化能力。在无筋混凝土试件中(水灰比0. 47) ,当拉应力为0. 7 f t ( f t 为混凝土抗拉强度设计值) 时,二氧化碳气体的有效扩散系数增加1～2数量级,而当混凝土受压时,当压应力为0. 7 f c ( f c 为混凝土抗压强度设计值) 时,则降低一个数量级。有关调查显示,钢筋的锈蚀引起的混凝土崩裂都发生在受拉区,而受压区则安然无恙,这种情况正好反映了碳化和应力状态之间的关系。
2 光照对混凝土碳化的影响
为了分析阳光照射对混凝土碳化的影响,我们以实际工程———江苏宝应运河大桥主跨系杆拱结构进行分析研究。宝应运河大桥结构形式如图1 所示。该桥主跨系杆拱结构,使用至今已44 年多,并出现了严重的耐久性损伤,为了研究光照对混凝土碳化的影响程度,分别对系杆拱的拱肋、吊杆、系杆的南立面(阳光照射面) 和北立面(背光面) 混凝土碳化深度进行了大量的实测。检测方法采用冲击电钻打孔,浓度为1 %的酚酞酒精溶液均匀地喷洒在孔洞内壁,然后用游标卡尺量取混凝土的碳化深度值。
3 结 论
以上实测的统计资料研究表明,阳光照射对混凝土碳化速度有一定的影响,影响程度如用统计平均值来考察,光照面大致是背光面的1. 1 倍左右。
由于实际工程问题的复杂性以及实际调查资料、试验资料的缺乏,光照强度、光照时间等对混凝土碳化速度的影响有待进一步研究。
参考文献
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