裂缝宽度对混凝土碳化的影响

雷 涛

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

混凝土结构在建设和服役期间会不可避免地出现裂缝，成为有害介质(和水)侵入混凝土内部的通道，加速保护层混凝土的失效进程，进而降低混凝土耐久性。为了保证混凝土结构使用寿命达到设计要求，各国都对混凝土裂缝宽度进行了限制[1]。

碳化是影响混凝土耐久性的重要因素。研究表明，环境湿度对混凝土碳化速率的影响系数呈“钟形”分布[2]，因此，对于环境湿度低(20%左右)的干旱环境，混凝土碳化进程放缓，在该类地区开展铁路混凝土工程建设，如果仍按标准规定的裂缝宽度0.2 mm限值进行验收，可能会对工程建设造成不必要的资源浪费。虽然对于完好混凝土碳化的研究已经较为成熟[3]，开裂混凝土碳化方面也有少量研究[4-7]，但对于干燥环境下开裂混凝土碳化规律的研究较少。本文通过三点加荷诱导混凝土开裂，研究不同宽度裂缝混凝土试件在模拟环境下的碳化进程，为干燥碳化环境下混凝土结构裂缝控制提供依据。

1 试验

1.1 原材料

水泥为金隅P.O42.5，比表面积342 m2/kg，化学成分见表1。细骨料为河北遵化河砂，细度模数2.8，含泥量1.9%，表观密度2 610 kg/m3;粗骨料为天津蓟县5～10 mm，10～20 mm两级配碎石，压碎值5.4%，含泥量0.3%，表观密度2 780 kg/m3，紧密空隙率40%;减水剂为河北金舵聚羧酸高性能减水剂。

表1 水泥的化学成分%

1.2 配合比

为了加速试验进程，采用高水灰比混凝土，其配合比见表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1)裂缝的模拟

成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，在需预制裂缝试件内放置2根φ8钢筋，标养28 d后，采用三点弯曲的方法在预制裂缝试件内预埋钢筋侧制造裂缝，利用加力架装置控制裂缝宽度为0.1～0.2 mm，0.2～0.3 mm，＞0.3 mm 和 ＜0.1 mm 4种，并保持裂缝的稳定性。利用电子设备对预制裂缝试件的裂缝进行扫描拓片，精确计算各试件裂缝的平均宽度，并对裂缝深度进行测量。

2)碳化试验

将裂缝试件放入湿度为(20±3)%、二氧化碳浓度为(20±3)%、温度为(20±2)℃的碳化箱内，试验至规定龄期时取出，将试件两端各切除100 mm，将剩下部分垂直裂缝方向劈开，使用酚酞溶液对预制裂缝试件及未损伤基准试件破型断面的碳化区域进行显色。

3)pH值测试

采用6 mm冲击钻沿裂缝深度方向每隔10 mm钻取约2 g粉体(见图1)，采用化学滴定法测定pH值，通过裂缝试件及未损伤基准试件破型断面不同区域pH值的变化，对混凝土裂缝区域中性化程度进行判断和分析。

图1 pH滴定试验取样方法

2 结果与讨论

2.1 酚酞显色和碳化深度

将28 d碳化龄期的预制裂缝试件沿垂直裂缝方向破型。利用酚酞溶液对预制裂缝试件破型断面的碳化区域进行显色，对破型断面裂缝区域的碳化情况进行观测。为便于直观表达碳化区域范围，利用Photoshop软件对破型断面碳化区域进行拓片，通过计算单位长度碳化区域面积，比较分析了预制裂缝试件开裂侧裂缝区域距表层不同深度及开裂对侧区域距表层不同深度混凝土的碳化情况。典型断面碳化区域拓片见图2，开裂侧裂缝区域与开裂对侧相应区域平均碳化深度测量结果见表3。

图2 不同宽度裂缝混凝土试件碳化拓片

表3 平均碳化深度测量结果 mm

从图2可以看出，在试验控制裂缝宽度内，混凝土一旦开裂就会沿着裂缝界面产生碳化，且碳化深度会直达裂缝前端。从表3可以看出，试验控制裂缝宽度范围内的混凝土裂缝区域、开裂面对侧相应区域以及裂缝处的平均碳化深度无明显差异。可见，采用显色及碳化深度虽直观，但不能精确反映不同宽度裂缝混凝土的碳化规律。

2.2 pH值

对不同宽度裂缝混凝土不同深度处的pH值作图分析，见图3。从图3可以看出，未开裂混凝土pH值的演变存在3个区域，即完全碳化区(深度为0～2.0 cm，pH值较低)、半碳化区(pH值线性增加段)和未碳化区(pH值高且稳定段)，pH曲线呈近似对称形态(以距离开裂面5 cm等位线为中轴)。当裂缝宽度＜0.21 mm时，随着裂缝宽度的增加，裂缝处相同深度混凝土pH值呈下降趋势，但与未开裂混凝土相同位置pH值相比下降不明显，且整个pH值曲线仍呈对称形态。说明在本试验测试条件下，当裂缝宽度＜0.21 mm时，相同深度混凝土碳化程度随裂缝宽度增加有变大趋势，但变化不明显，裂缝宽度对混凝土的碳化影响较小。当裂缝宽度＞0.32 mm时，与未开裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值下降较明显，尤其是当裂缝宽度为0.45 mm时，与未开裂混凝土相比在相同深度混凝土pH值急剧下降，且整个pH值曲线呈不对称状态，开裂侧混凝土pH值明显低于开裂对侧。

图3 不同宽度裂缝混凝土pH值随深度的变化

现场结构混凝土保护层厚度一般为35 mm。根据图3中不同宽度裂缝混凝土裂缝深度35 mm处pH值绘制pH值与裂缝宽度的关系曲线，见图4。从图4可见，随着裂缝宽度的增加，该深度处混凝土pH值呈下降趋势。当开裂混凝土的裂缝宽度＜0.25 mm时，pH值均＞12.0，说明裂缝对混凝土碳化影响较小;而当裂缝宽度＞0.25 mm时，裂缝对混凝土碳化影响程度急剧增加，具有明显的碳化趋势。

图4 混凝土裂缝深度35 mm处pH值随裂缝宽度变化曲线

3 结论

1)开裂混凝土沿着裂缝界面产生碳化，碳化深度会直达裂缝前端，碳化深度与裂缝宽度关系不大。

2)干燥碳化环境下裂缝宽度＞0.25 mm时，保护层位置处混凝土pH值才会显著降低，建议干燥碳化环境下混凝土裂缝宽度限值放宽至0.25 mm。

[1]屈文俊，车惠民.裂缝对混凝土桥梁耐久性影响的评估[J].铁道学报，1997，19(4):90-97.

[2]刘志勇，孙伟.多因素作用下混凝土碳化模型及寿命预测[J].混凝土，2003(12):3-7.

[3]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社，2003.

[4]金祖权，侯宝荣，赵铁军.收缩裂缝对混凝土氯离子渗透及碳化的影响[J].土木建筑与环境工程，2011，33(1):7-11.

[5]成立，余其俊，殷素红，等.混凝土碳化及氯离子渗透试验[J].铁道建筑，2007(6):104-106.

[6]朱元祥，候应武，屈文俊.混凝土结构裂缝处的碳化分析[J].西北建筑工程学院学报，1998，12(4):34-38.

[7]秦明强，刘松，占文，等.基于碳化环境下地铁车站混凝土性能评估与寿命预测[J].铁道建筑，2013(2):106-108.