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干燥环境下粉煤灰混凝土表面假性碳化研究

文摘   2024-10-09 07:04   河南  
混凝土作为一种工程中广泛运用的材料，从19世纪出现起，就成为了土木工程行业中最主要的材料之一。目前工程中使用回弹法进行混凝土强度的检测最为普遍，由于混凝土表面的碳化，JGJ/T23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》规定要对混凝土碳化深度进行测量。JGJ/T23-2011中规定，碳化测量要测在已碳化与未碳化的清晰界面上。因此，准确测量碳化深度，对于使用回弹法准确推定混凝土强度具有重要意义。
在碳化深度的测量过程中，童寿兴发现用废机油或酸性脱模剂成型的混凝土，其表层存在假性碳化现象，该现象是碱性混凝土受到酸性脱模剂所产生的中性化反应。其表层并未发生碳化现象，故规范在使用过程中存在检测强度评判的误区。
常新伟等认为准确测量回弹强度可能受到装修层、环境温度、湿度和CO2含量等多方面的影响。但其未对各种影响因素可能造成的影响进行具体研究。

牛荻涛对碳化试件由外向内钻取粉样，绘制CaCO3含量分布曲线，将碳化分为表层、完全碳化区、不完全碳化区、未碳化区。
王青等认为利用酚酞测试混凝土碳化深度值介于完全碳化和未完全碳化深度之间，其值约为完全碳化区长度的2倍。
混凝土中掺合料的使用，将显著降低混凝土的造价，带来巨大的经济效益。然而，掺入的掺合料对混凝土的碳化也有一定的影响。杜晋军等研究了低水胶比的混凝土，粉煤灰掺量在小于30%和大于30%时对混凝土碳化的影响。刘继状等认为混凝土碳化深度值和碳化速率均随粉煤灰掺量增加而增加，混凝土碳化深度值随水胶比增加而增大。李斌等认为随着粉煤灰掺量的增大，混凝土碳化的深度也越来越大，而且由于粉煤灰掺量增大，混凝土碳化的速度也变得越快，但增长趋势随着时间的增加变得越来越平缓。    

综上，假性碳化、不完全碳化以及掺合料都会对混凝土碳化产生影响。在中国西北等干燥地区，现场检测粉煤灰混凝土碳化深度的测量上，出现了诸多假性碳化现象。为此，本文从宏观上将假性碳化深度对强度的影响结合微观上混凝土所产生的化学反应进行说明，为工程环境中的混凝土回弹法检测提供一定的参考。
1试验方法
本文采用对干燥环境下不同龄期的粉煤灰混凝土的标准试块以及现场实体墩柱进行检测，同时设置标准养护下的试块作为对照，以反映不同龄期的混凝土碳化深度及强度的变化。本文选取新疆某地公路工程项目某桥梁墩柱进行试验，该墩柱使用粉煤灰混凝土。该地区环境湿度较低，属于温带干旱气候，夏季环境湿度处于8%～50%。
粉煤灰混凝土墩柱配合比见表1。其中，混凝土设计强度为C40，浇筑方式为非泵送，水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用F类域级粉煤灰，细集料选用域类机制砂，粗集料选用5～31.5mm连续级配碎石，水为地下水，外加剂选用引气型减水剂。    
本次试验共设置3组混凝土试块以及2个现场实体墩柱。3组混凝土试块分别为标养组（共3个试块）、烘干组（共3个试块）、干燥组（共6个试块），现场墩柱（A、B）。墩柱A和墩柱B为桥梁同里程桩号2根桥墩，桥墩直径为160cm，墩柱高度为700cm。2根墩柱同时浇筑。在墩柱浇筑时，预留好试验所需试块，共计12个试块，编号为标养BY1-BY3、烘干HG1-HG3、干燥GZ1-GZ6。试块于24h后脱模，试块图片如图1所示。
将脱模后的标养组试块BY1-BY3及烘干组试块HG1-HG3，放入标准养护室中进行标准养护。养护室温度（20±2）℃，湿度大于95%。在第4天将烘干组试块放入101-3A电热鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度设置为105℃。将脱模后的干燥组试块放入拥有CS-06B恒温恒湿机的室内进行养护，温度控制在20℃，湿度控制在30%。养护时，将试块浇筑顶面翻转180°朝下进行养护。
将烘干组3个试块分别在24、48和72h之后取出，待冷却后进行碳化深度测量。本次试验用的酚酞酒精溶液浓度为1%。标养组试块、干燥组试块分别在14、28、42和56d时对除顶面及底面外的其余任一试块面进行碳化深度测量，现场墩柱在同一时刻选取同一高度6个测区进行试验。    
2试验结果
2.1烘干状态下混凝土的碳化深度
不同烘干时间作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度试验结果见表2。
表2给出了不同烘干时间作用下粉煤灰混凝土的假性碳化深度值。在凿开的碳化测试坑中，在喷上酚酞酒精溶液后，混凝土产生了明显的分界线，表2为产生明显分界线时测量产生的碳化深度值。经过7min左右的时间，分界线已无法找寻，在“碳化区”显现了浅粉色，且浅粉色区域的颜色还在逐步加深。
不同烘干时间下重复上述试验步骤，“碳化区”均逐步变成未碳化区，正是因为假性碳化带来的试验现象。若此时不开凿测试坑，仅在试块表面喷洒酚酞酒精溶液，在多次喷洒后，也会使得试块表面逐步变为红色。此时，将喷洒溶液换成纯净水且保证测试面在喷洒过程中保持湿润但不流淌，在喷洒后等待测试面干燥，重复数次，待时间过去10min后，喷酚酞酒精溶液，试块表面马上变为红色。由表2的试验结果以及产生的试验现象可知，假设烘干组试块为现场实体构件，检测人员在分界线清晰显现时，进行碳化深度值的测量，就会误将假性碳化深度当成碳化深度记录。表2的结果与王海潮等的结果相互印证。    
2.2干燥环境下混凝土碳化深度
图2为使用酚酞酒精法测量56d干燥组及现场墩柱碳化深度的典型照片。由图2可知，混凝土表层碳化深度在刚开始时显示较深，可看出明显的分界线。在7min时，原先“碳化区”显示出浅粉色，随着时间的增长，“碳化区”颜色逐步和“未碳化区”颜色一致，显示出明显的假性碳化特征。在经历30min过后，测量此时碳化深度分界线，得出真实的碳化深度值。
图3为不同试验条件下碳化深度值随龄期的变化曲线。由图3可知，随着龄期的增长，混凝土的真实碳化深度都有不同程度的增加。其中，干燥组试块的碳化深度值在同龄期中最低，混凝土过早地减缓了水化反应，且将混凝土中的Ca（OH）2结晶析出。干燥组的真实碳化深度值最低，这是因为试验室干燥情况更为恒定，混凝土的水化反应速率被限制。现场墩柱的真实碳化深度值最高，是因为受现场湿度随时间波动变化以及现场施工过程中空气中CO2浓度较高的影响。    
图4为不同试验条件下假性碳化深度值随龄期的变化曲线。由图4可知，随着龄期的增长，混凝土的假性碳化深度值逐渐增大。这是因为混凝土表层在碳化后会产生细小孔洞，进一步加剧内部混凝土水分的流失，约束水化反应和谈碳化反应，导致假性碳化值逐渐增大。
3粉煤灰混凝土的碳化机理
粉煤灰混凝土中的水泥成分，主要为4种熟料矿物，分别是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、铁相固溶体4CaO·Al2O3·Fe2O3。水化反应公式分别如式（1）～式（4）所示
2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2，（1）    
2（2CaO·SiO2）+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2，（2）
3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O，（3）
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O。（4）
由式（1）—式（4）可知，水泥水化需要消耗大量的水分，所以，在干燥环境中，水泥的水化反应被限制。粉煤灰的主要成分也是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，但是粉煤灰本身并无胶凝性能，粉煤灰在混凝土中的作用最重要的是火山灰反应效应，火山灰反应效应是粉煤灰中的Al2O3、Fe2O3等材料和Ca（OH）2发生反应，生成C-S-H凝胶。由于大量掺入粉煤灰，导致水泥熟料成分大量减少，水化生成物Ca（OH）2的含量减少，粉煤灰的活性未完全激发出来，28d的水化还不完全，粉煤灰混凝土的二次水化会消耗大量的Ca（OH）2，使粉煤灰混凝土的碱储备降低。另外，粉煤灰混凝土的孔隙率明显大于普通硅酸盐混凝土，导致碳化有更多的气孔通道，使CO2能够通过气孔进入，水分能够通过气孔流失，加剧了碳化深度的发展。
由于Ca（OH）2所携带的OH-是酚酞酒精溶液变色的关键，而Ca（OH）2是微溶于水的，在特别干燥的时候，Ca（OH）2将结晶析出。这一反应是假性碳化现象的根本原因。在CO2的作用下，混凝土碳化的化学反应式如式（5）～式（8）所示
Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，（5）    
3CaO·2SiO2·3H2O+3CO2=3CaCO3·2SiO2·3H2O，（6）
3CaO·SiO2+3CO2+γH2O=SiO2·γH2O+3CaCO3，（7）
2CaO·SiO2+2CO2+γH2O=SiO2·γH2O+2CaCO3。（8）
由式（5）～式（8）可知，Ca（OH）2变成CaCO3会产生水，而水同时也会和CaO·2SiO2·3H2O、3CaO·SiO2、2CaO·SiO2发生反应，若水分缺失，会在一定程度上限制着Ca（OH）2的碳化。
4讨论与分析
混凝土的碳化本质上是指混凝土中Ca（OH）2反应生成CaCO3的现象。利用回弹法检测混凝土强度时，碳化深度的准确测量影响着混凝土强度的推定。随着经济社会的发展，除了脱模剂种类对混凝土表面碳化测量会产生影响，环境干湿度也会对正确测量混凝土的碳化深度产生一定的挑战。同时，混凝土的掺合料组成影响着混凝土内部微观化学反应，反应产生的产物也变得更加复杂，仅用Ca（OH）2反应生成CaCO3来反应表面刚度的变化不够全面客观。而目前回弹法在工程中运用依然最为广泛，所以，为更准确测定混凝土的强度值，规范中对于混凝土碳化深度的测量有待于进一步的精确化规定。
5结论
通过对干燥环境下粉煤灰混凝土表面出现的假性碳化的研究，得出以下几条结论。
1）混凝土在烘干状态下，混凝土表面将严重失水，出现假性碳化现象。在混凝土表面重新喷水润湿后，碳化现象消失。
2）干燥环境下的混凝土在碳化测试过程中，刚开始会出明显的分界线，随着时间的推移，碳化深度值逐渐降低，出现假性碳化现象，假性碳化深度值随着龄期的增大而增大。    
3）干燥环境下粉煤灰混凝土中碳化受三方面的影响，一是由于水泥熟料占比减少，产生的Ca（OH）2减少，二是由于粉煤灰的二次水化消耗了Ca（OH）2，三是干燥环境会进一步的影响水泥的水化反应及碳化，导致Ca（OH）2的结晶析出。

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