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混凝土内部与外部环境因素对其碳化性能的影响

添加时间:2019-06-14 10:32 来源:未知 作者:优选论文网
  摘要:阐述了混凝土的碳化机理, 对比分析了现有荷载和加速碳化耦合的试验装置和方法, 综述了在不同状态应力作用下, 混凝土内部因素以及外部环境因素对混凝土碳化性能的影响。
  
  关键词:应力状态; 混凝土碳化; 耐久性; 耦合作用;
 
  
  0前言
  
  混凝土碳化致使钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素之一, 上海公路系统中的团港桥、内港河桥、医院桥、五灶港桥和六灶港桥均有不同程度碳化导致的混凝土破损[1];运用至今近60年的三门峡水利枢纽的栈桥、坝前拦污栅支撑结构等区域的碳化深度己大于或等于保护层厚度, 部分构件局部钢筋裸露并锈蚀[2].由此可见, 保证大型工程中的混凝土结构耐久性直接关系到人民的生命财产安全。
  
  混凝土保护层在一定程度保证了混凝土结构的耐久性, 但随环境中腐蚀性物质通过微孔隙侵入混凝土并引起钢筋锈蚀, 从而导致混凝土结构发生耐久性劣化。此外, 混凝土结构中的裂缝为外界腐蚀性物质开辟了直达混凝土内部和钢筋表面的通道[3], 尤其在中国的内陆地区, 因气候温湿、海洋环境影响较小的特点, 以混凝土碳化引起钢筋锈蚀为主[4].鉴于实际混凝土结构在外部复杂力学荷载作用下将产生裂缝, 使连续介质的混凝土材料变为非连续介质材料[5], 故有必要研究复杂应力下混凝土的抗碳化性能。一些学者研究发现拉应力和压应力作用下的混凝土, 其碳化速率有明显的加快或减缓趋势[6,7].Wan等[8]研究发现混凝土碳化深度在受压应力作用时存在阈值, 在0.35~0.65倍混凝土抗压强度标准值下, 其碳化深度最小。Tang等人[9]研究承受应力作用的再生混凝土抗碳化性能时也得到了相似的结论, 当施加应力大于0.2倍峰值压应力, 再生混凝土碳化深度随压应力增大而减小的趋势发生了改变。此外0.2倍混凝土的峰值压应力作为混凝土内部孔隙变化规律改变的临界值同样适用于循环荷载作用;Lei等[10]发现低于0.2倍峰值压应力的荷载作用下以有害孔 (孔径50~200 nm) 居多的低强度混凝土中有害孔的体积将显着减小;而以低危害孔 (孔径20~50 nm) 居多的高强度混凝土在总体孔隙及开孔孔隙上的变化则不太明显。以上结论表明, 若能在实际工程中控制混凝土承受的荷载在特定阈值范围内则能一定程度上提升抗碳化能力。
  
  研究不同应力状态作用对混凝土碳化的影响有利于完善混凝土结构设计标准, 及时维护工程结构从而提高工程结构的使用寿命。实际工程中以弯曲受荷最具代表性。故本文介绍了混凝土碳化机理以及弯曲受荷和快速碳化耦合作用的试验装置, 综述了裂缝、粉煤灰、骨料等因素对不同应力水平和形式作用下混凝土碳化性能的影响及机理。
  
  1 混凝土碳化机理
  
  未受损混凝土结构内部的碱性环境为内部钢筋钝化膜的生成提供了条件, 同时钝化膜中Si-O键排列形成的致密组织结构也能保护钝化钢筋[11].一旦构件受损开裂, 大气中CO2和H2O反应生成的碳酸加快了与水泥石中碱性物质[主要是Ca (OH) 2的中和反应, 随着外界侵入的CO2和H2O的持续消耗混凝土中的碱性物质, 导致pH值下降。其主要反应有:
 
  
  即便碳化区内仍可能含有大量的Ca (OH) 2, 但由于复合胶凝材料浆体中存在低钙硅易与CO2反应生成C-S-H凝胶, 然后浆体中以颗粒形式存在的Ca (OH) 2被C-S-H凝胶快速包裹或隔离, 这使得浆体中的Ca (OH) 2无法溶解到孔隙液中, 维持孔隙液的高碱性, 浆体表现出p H值下降的现象[12].随着上述反应进行, 最终导致钢筋脱钝并加速锈蚀, 混凝土加剧收缩, 脆性增大。
  
  2 弯曲受荷和快速碳化耦合作用试验方法
  
  2.1 加速碳化原因及控制条件
  
  为探究应力和碳化作用间的关系, 解决实际工程碳化腐蚀问题, 国内外学者在实验室中进行了大量与应力相关的碳化试验。其中, 绝大部分混凝土碳化试验考虑到自然碳化速度缓慢 (CO2扩散系数约为10-8cm2/s) [13], 而采用加速碳化法研究碳化影响因素及其影响程度。但提高CO2浓度对混凝土碳化的影响有:
  
  (1) CO2浓度 (20%) 约为自然环境中CO2浓度的1 500倍以上, 硬化浆体内部碳化产物的快速积累使碳化速率随时间而衰减[14].
  
  (2) “人工”与“自然”这两种不同的碳化条件下混凝土所处的龄期差别极大, 这将导致碳化产物在物相和结构上产生较大差异。尤其是自然碳化混凝土随着龄期的增加, 混凝土内少量晶体在外部环境影响下析出, 导致其总孔隙率呈上升趋势[15].
  
  (3) 在高浓度CO2条件下混凝土会发生强烈碳化收缩现象, 裂缝将沿着钢筋和砂浆界面开展, CO2通过新裂缝继续侵蚀混凝土, 这将高估应力损伤引起的碳化腐蚀区域体积[16].为避免上述影响对试验结果造成干扰, Auroy[17]提出3%CO2浓度是实验条件下的最佳碳化浓度, 混凝土内部矿物质、孔隙结构、保水性和裂缝开展状态接近自然长期碳化结果, 其碳化状态可以代表自然条件下混凝土长期碳化状态。
  
  综上所述, 在研究弯曲受荷作用下的混凝土碳化规律时, 因CO2浓度较高 (为20%) 得出的碳化结果可能跟自然条件碳化的结果差异大。因此, 研究CO2浓度为3%的弯曲受荷混凝土的碳化作用更具实际意义[18].
  
  2.2 弯曲受荷与碳化作用耦合的试验装置
  
  学者们在试验研究弯曲受荷与碳化耦合作用时涉及试验加载装置与快速碳化装置的设计制造, 试验装置的控制状况将对试验结果产生显着影响。以往绝大多数的试验采取先对试件持荷一段时间后卸载, 再放入碳化箱碳化的试验顺序。实际工程中的混凝土建筑从施工阶段就开始受到应力作用, 并且直到投入使用其应力水平在不断变化;同时外界CO2在不断侵蚀建筑物。所以在实验室中, 试件在受力与碳化作用的时间顺序, 与实际工程相差较大。此外, 如图1和图2所示, 不同加载方式所得研究成果的可对比性较差。如图3所示, 这类能在长3.5 m、宽2.5 m和高2 m的大型碳化实验箱中用液压伺服实验机对试件精确加载并实时监控的装置在国内较少见, 该装置能保证试验精度且获得出可信的试验结果。
  
  3 影响混凝土应力与碳化耦合作用的因素
  
  3.1 裂缝的影响
  
  裂缝作为CO2渗透至混凝土内部的重要通道, 对混凝土碳化腐蚀有着重要影响。田浩[7]发现, 荷载作用下混凝土表面裂缝宽度大于0.2 mm时, 对CO2的渗透加速作用愈发显着;当裂缝宽度大于0.4 mm时, 裂缝表面的一小部分区域会出现类似于混凝土角部区域的二维碳化现象。Ghantous[3]认为混凝土 (无加载应力作用) 表面0.5 mm宽的裂缝不会引起危险的碳化腐蚀情况, 且欧标EN 1992-1-1-2010《混凝土结构设计》中规定:加载状态下XC4类混凝土结构的最大裂缝宽度为0.3 mm.以上成果说明, 当裂缝宽度超过一定界限将加速混凝土碳化。此外, 裂缝的形状和深度也是外界腐蚀物质的入侵的主要影响因素之一。混凝土梁的保护层厚度将一定程度上决定了裂缝的开展形状, 弯曲受荷下混凝土保护层越厚, 易形成V形裂纹;越薄则易形成平行状裂纹[20].V形裂纹在钢筋处的裂缝宽度要小于混凝土表面裂缝宽度, 与平行线状的裂纹相比, 相同的表面裂缝宽度下, V形裂纹下钢筋的锈蚀程度将更轻[20].因此, 对建筑物裂缝进行监测并及时修补利于延缓混凝土的碳化。
  
  图1 混凝土碳化压弯加载示意图[6

  
  图2 混凝土三点弯曲加载[5]

  
  图3 混凝土四点弯曲加载[19]

  
  3.2 粉煤灰掺合料的影响
  
  粉煤灰作为一种有着优异经济效益和环保特色的矿物掺合料, 已广泛应用到工程领域。然而在水泥中掺入粉煤灰势必影响混凝土的抗碳化性能。有试验结果表明, 混凝土碳化现象在碳化后期更加显着, 水泥材料一般选用有粉煤灰掺合料的水泥[14].Wang等[21]研究了相同水胶比下普通硅酸盐水泥、掺和粉煤灰水泥、粒状高炉矿渣水泥制备的混凝土在弯曲拉应力和弯曲压应力以及无应力三种作用状态下的抗碳化性能, 结果表明, 三类混凝土在这三种应力状态下的抗碳化性能排序为:掺和粉煤灰混凝土<粒状高炉矿渣水泥混凝土<普通硅酸盐混凝土。水泥中加入矿物掺合料会导致混凝土内部的碱性储备减少, 尤其是粉煤灰混凝土, 随水泥的逐步水化, 粉煤灰的二次水化反应也相应进行, 使混凝土中吸收CO2的碱性物质减少[22].另外粉煤灰的火山灰反应会产生细化孔隙结构的水化C-H-S凝胶, 使孔隙液中的自由钙离子减少, 电子传导将取代离子传导, 宏观表征为混凝土的电阻率上升, 且粉煤灰取代率越大效果越明显[23].但粉煤灰火山灰反应生成C-S-H凝胶对抗碳化的有利作用有限, 总体而言, 掺加粉煤灰降低了硅酸盐水泥混凝土的抗碳化性能。
  
  3.3 骨料的影响
  
  由于应力作用对混凝土的孔隙结构产生影响, 故在混凝土骨料选择上宜选用坚实的天然骨料[24].但为解决环境和资源问题, 人们意识到可以利用再生骨料混凝土降低碳排放, 建造绿色建筑[25].然而再生粗骨料对于再生混凝土的抗碳化能力有削弱和增强两个方面作用[26]:
  
  (1) 再生粗骨料在破碎过程中, 对原基质结构造成破坏, 相较于天然骨料, 自身的孔隙和微裂缝较多[27].
  
  (2) 再生粗细骨料的表面附着一层老砂浆, 这提高了再生混凝土的含碱量, 有利于提升抗碳化能力。有学者认为25%再生骨料取代率不会影响混凝土强度[25], 而70%和20%的再生粗/细骨料取代率能满足再生混凝土耐久性需求, 可将再生骨料缺陷的劣势降到最低, 老砂浆提高混凝土碱性储备的优势提到最高[28].此外对再生骨料进行碳化处理也能显着提升再生骨料品质, 以碳化再生骨料制备的再生混凝土的峰值应力、峰值应变、弹性模量等力学性能更接近天然骨料混凝土[29,30].此外, 由于碳化再生骨料混凝土有较低的吸水率, 其骨料表面形成的水膜将更薄, 提高了新老砂浆的界面过渡区强度, 宏观上增强了早期混凝土的抗压强度[29], 水化后期附着砂浆内的水释放出来, 促进水化, 改善混凝土后期强度[31].综上可知, 再生骨料对混凝土的抗碳化性能影响显着, 在配置再生混凝土时需选择合适的再生骨料取代率。
  
  3.4 应力状态的影响
  
  碳化期间混凝土吸收CO2的能力主要取决于水泥的用量和类型, 而在应力作用下则会改变混凝土内部的孔隙结构并影响CO2在混凝土中的扩散[32].其宏观表现为弯曲梁拉应力区的混凝土碳化深度平均值大于相应压应力区的碳化深度。
  
  3.4.1 弯曲梁拉应力影响
  
  现已有大量实验证明拉应力大小对混凝土的碳化反应速率有直接影响。由于混凝土抗压能力强、抗拉能力弱的材料特性是导致弯曲受荷状态下的混凝土梁拉应力区的微裂缝发展、贯通至混凝土表面并加快混凝土碳化速率的直接原因[22,33].尤其是混凝土拉应力区极不均匀的应力分布将导致裂缝快速发展。卢向雨等[34]认为弯曲受荷下混凝土梁拉应力区的应力梯度大, 最大拉应变是轴拉试件的2~4倍。而吴向豪[35]从微观角度分析认为, 拉应力对碳化反应的作用相当于增加化学反应中的活化能, 这样混凝土中的水化产物分子内部的每个化学键都要承担一小部分外加拉应力, 分子的化学键将更容易在碳化反应中断裂, 从而促进碳化腐蚀。同时, 弯曲梁外侧拉应力作用下微裂缝主要会沿着粗骨料和砂浆间的界面过渡区发展[36].随后CO2的渗透将在混凝土的界面过渡区因碳化生成的CaCO3固体颗粒填充孔隙并且整个碳化过程将促进未水化的水泥颗粒水化[37].但上述这一有利于修补孔隙的变化对拉应力产生的裂缝收效甚微。故控制混凝的应力水平, 提高混凝土的强度才能有效预防拉应力造成的加速碳化。
  
  3.4.2 弯曲梁压应力影响
  
  受弯混凝土梁压应力区混凝土内部及表面的微裂缝及贯通孔隙在压力作用下变小甚至闭合, 从而阻碍了外界CO2和水的渗透[22].而随着时间的推移, 混凝土表层的水泥水化产物不断在CO2和水侵蚀渗透作用下发生碳化反应, 生成的碳化产物将填充表面的孔隙, 增加表面混凝土的密实度, 进一步阻碍CO2和水的渗透。外界的CO2和水不能及时渗透到混凝土内部, 使得内部CO2的渗透扩散速率超过部分碳化区里的混凝土碳化反应速率, 外部渗透进的少量CO2和水将和碱性浓度高的未碳化区混凝土反应, 而那部分未完全碳化的混凝土宏观表现就是混凝土部分碳化区宽度增大。另外相较拉应力区混凝土, 压应力区混凝土无贯通裂缝, 钢筋脱钝后不产生固定的阳极和阴极, 从而发生了锈蚀相对均匀的微电池腐蚀[38].同时伴随着钢筋中铁成分和O2、H2O反应生成钢筋锈蚀产物渗入混凝土毛细孔隙内, 使得钢筋与混凝土界面及混凝土内部更加致密, 从而提高了钢筋混凝土复合材料的弹性模量;而随锈蚀进一步发展, 锈蚀产物[主要为Fe (OH) 3, 即红铁锈]的体积膨胀 (其锈蚀钢筋体积约为原来钢筋体积的2~6倍[39]) 导致钢筋周边混凝土环向受拉, 混凝土微裂缝开展, 甚至混凝土表面宏观裂缝开展, 弹性模量降低, 构件整体刚度退化[40].另外钢筋的电化学腐蚀模式也从微电池腐蚀向宏电池转变。同时, 环境中的有害介质经锈胀裂缝直接侵入到钢筋表面, 钢锈蚀速度将会加剧, 从而进一步加剧裂缝的扩展严重影响钢筋混凝土结构耐久性[41].
  
  4 结语
  
  本文对比分析了现有荷载和加速碳化耦合的试验装置和方法, 阐述了裂缝、粉煤灰、骨料等因素对不同应力水平和形式作用下混凝土碳化性能影响及机理, 但仍存在以下问题需进一步研究:
  
  (1) 大型多因素耦合作用设备的开发, 便于模拟真实环境下各类因素对混凝土结构碳化的影响。
  
  (2) 不同荷载形式作用对于如梁、板、柱等不同类型混凝土构件碳化产生的影响, 以利于研究现实工程结构中混凝土实际的碳化腐蚀状态。
  
  (3) 混凝土加速碳化如何更真实有效地反映自然碳化进程, 以便得出切合工程实际的研究成果。
  
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