混凝土碳化性能及气体渗透性研究

【摘要】碳化作为评估混凝土耐久性的一个重要指标，主要是由于混凝土内部孔隙中进入二氧化碳而同其中孔隙水和氢氧化钙发生反应而形成碳酸钙，这意味着混凝土碳化性能和混凝土孔隙结构的气体渗透性可能具有一定联系性。本文以混凝土碳化性能和气体渗透性两个指标为研究对象，结合混凝土实验对二者进行深入探讨。

【关键词】混凝土；碳化性能；气体渗透性

碳化问题作为影响混凝土耐久性的一个重要指标，会使钢筋混凝土保护层受到破坏而诱发钢筋锈蚀和混凝土接触面裂缝等问题的出现，影响混凝土使用性能和耐久性，进而影响混凝土施工的整体质量。而碳化问题同气体渗透性之间可能具有一定相关性，所以为了更好地防范混凝土碳化问题，有必要对二者相关性进行针对性探讨。

1 混凝土试验试件制备

为了探讨混凝土碳化性能和混凝土本身的气体渗透性二者间的相关性，可以采取混凝土试验来进行。在进行混凝土试验之前需要科学地制作混凝土试件，具体混凝土原材料及配比选择和确定要点如下：（1）水泥：是构成混凝土的重要组成部分，也是决定其性能的关键成分。在本次试验中，主要以P · O 42.5R 级水泥（南京海螺水泥制）为主。（2）骨料：石子的粒径尺寸控制在5 ～ 16mm，表观密度和堆积密度分别控制在2800kg/m? 和1400kg/m?，含泥量控制在0.3%，压碎指标控制在6%；砂子的细度模数控制在2.7，表观密度和堆积密度分别控制在2550kg/m? 和1400kg/m?。（3）粉煤灰：选择Ⅰ级粉煤灰（青海桥头电厂生产）。

本次试验中选择了五种不同配合比进行混凝土配置，具体分别为水灰比控制于0.55/0.45/0.35 以及粉煤灰含量控制在30%、15% 和0，这种交叉的混凝土配合比可以直接探讨气体渗透性和混凝土碳化性能之间的相关性，具体配合比见表1。根据规定的混凝土标准试件制作工艺和步骤，在标准条件下进行60d 养护后，应用取芯套筒（内径尺寸为50mm）进行混凝土试件取芯操作，再取出混凝土钻芯控制在50mm 的高度，之后即可测定其碳化性和气体渗透性二者相关性。

2 混凝土试验方案

2.1 混凝土碳化试验

为了增强本次试验的对比性，在测定混凝土碳化性能时，采用圆柱形混凝土试件，利用隔离锡纸胶带隔离混凝土圆柱体试件的侧面，仅留置上下面与外界接触，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中关于混凝土碳化性试验探究的规定和要求，科学确定碳化箱的相对湿度、温度、二氧化碳浓度以及时间。对于不同的混凝土施工配合比，针对各个碳化时间段，均选择3 个混凝土试件来进行测试。

在测定混凝土碳化深度期间，先借助压力机对混凝土试件开展劈裂试验，之后向其中喷涂酚酞酒精溶液（浓度为1%），待静置30d 后顺着劈裂的混凝土面，每间隔1cm 测量一次读数，相应的精度控制在0.5mm。各个混凝土试件测定的碳化深度，均以全体测试试件全部测点碳化深度平均值为主。而各个混凝土施工配合比和碳化时间条件下的混凝土碳化深度，均由三个混凝土试件的平均值来计算求出。

2.2 混凝土气体渗透性试验

为了测试混凝土的气体渗透性， 本次试验中主要应用Cembureau 法气体渗透仪，之后基于达西定律的恒定流量法进行测定。这种测定混凝土气体渗透性的方法需要在进气口部位处控制好进气压，而出气口部位处需要将其和大气压进行连通，同时在测试过程中整个气体流动状态达到稳定状态时记录下相应的测定数据，这种测定数据的区间主要控制在10-16 ～ 10-19m2，可以满足本次试验的各种需求。

在实际的试验过程中，需要在该仪器内部搁置各种混凝土试件，期间为了扩大流体通过混凝土的面积，在试件的上下两个表面上分别搁置一个多孔的不锈钢薄片，并运用橡胶套对其周边进行箍筋束缚，以避免周边的液体渗入进试件中；测试渗透气压和围压分别控制在1MPa 和6MPa。针对各种混凝土施工配合比，本次试验中均采用3 个混凝土试件进行测试。

3 混凝土试验结果分析

3.1 混凝土气体渗透性

通过测定各个测试试件的气体渗透性，可得图1。考虑到本次试验研究中所涉及到的1 ～ 5 类型号混凝土的渗透性控制在10-17 ～ 10-18m2 之间，所以可知相应的混凝土本质上可以看作低渗透性材料。由图1（a）可知，在混凝土中所用粉煤灰含量控制在30% 的情况下，伴随着水灰比的增加，混凝土的气体渗透性5.17*10-18 逐步增加到8.61*10-18m2，这主要是混凝土水灰比的增加会在一定程度上减少混凝土中胶凝材料的占比，使得水化产物量有所减少，这样会增加混凝土内部孔隙率，进而会增加其内部的渗透性。但是在混凝土水灰比控制在0.45 的条件下，随着粉煤灰掺加量的增加，会使得混凝土内部结构更加密实，所形成的的孔隙也会愈发曲折，降低其气体渗透性（如图1（b），相应的混凝土气体渗透性从1.90*10-17 逐步降低到6.17*10-18m2）。

图1　不同混凝土配合比下混凝土的渗透性

3.2 混凝土碳化性能

通过借助酚酞酒精溶液（浓度为1%）的应用，那些没有发生碳化变化的混凝土区域会显示红色，反之碳化部位处的混凝土不会发生颜色改变。针对这种判定依据，结合劈裂试验的测定分析，可得各个施工配合比条件下的混凝土试件测定结果，具体表现为  在配合比为1 和3 的混凝土具有最小的碳化深度，2 和4 次之，配合比为3 的情况下具有最大的碳化深度，详见表2。

表2　不同配合比条件下混凝土的碳化深度（mm）

编号7d 14d 28d 60d

1 0.11 0.40 0.47 0.67

2 0.91 1.44 1.77 2.34

3 0.73 1.12 1.55 1.84

4 1.66 2.77 3.54 4.37

5 2.88 4.01 5.88 7.74

3.3 混凝土碳化性能和气体渗透性之间相关性

通过上述对混凝土碳化性能受到粉煤灰含量的影响，在伴随着其含量的增加，借助二次水化和填塞效应而增加所配置混凝土内部孔隙结构的密实性，降低混凝土内部气体的扩散率，也会降低同水泥发生水化反应的二氧化碳含量，减弱了其抵抗二氧化碳侵蚀的能力，进而增加了混凝土的碳化深度。通过对混凝土碳化深度同氢氧化钙、气体渗透性等之间关系进行试验分析，可以更好地明确影响混凝土碳化性能的各种关键因素。

通过试验结果表明，混凝土60d 的碳化深度和气体渗透性之间的关系，可知二者之间并没有显著的相关性，且可以基于线性拟合结果来反映出二者之间的关系甚微（相应的R2 仅仅为0.188），这表明混凝土气体渗透性和碳化性能之间并不存在显著关系。但是混凝土的单位体积水泥用量和其碳化深度之间呈现为显著的线性关系，具体表现为伴随着水泥用量的增大，会相应地降低其线性特性（相应的R2 为0.958），这表明混凝土的水泥用量同其碳化性能之间具有紧密联系。因此，相较于混凝土的气体渗透性，混凝土自身的碳化性能同水泥用量之间的关系更加密切。

但是该结论并不能排除气体渗透性影响混凝土碳化性能的可能性，这主要是由于本次试验研究中所采用的五种混凝土配合比的气体渗透变化不大。

4 结论

总之，混凝土的气体渗透性会受到混凝土配合比的影响，且随着水灰比的增加呈现为逐渐提升的变化态势，但是随着粉煤灰含量增加却会呈现为降低的变化态势，这意味着粉煤灰或水灰比均会对混凝土内部孔隙结构产生影响。而混凝土的碳化性能同样和粉煤灰含量以及水灰比相关，但是不同于气体渗透性能的影响情况，其会随着粉煤灰含量或水灰比的增加而呈现降低情况，这意味着无法应用气体渗透性来对混凝土的碳化性能进行表征。相比混凝土的气体渗透性，其碳化性能和混凝土内部碱性物质含量具有更强的相关性。

参考文献：

[1] 杨军. 混凝土的碳化性能与气渗性能研究[D]. 山东科技大学，2004.

[2] 张娟. 浅谈混凝土的碳化[J]. 建材与装饰，2017（51）：

146-147.