碳化深度对回弹法检测混凝土强度的影响

孟军涛

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

碳化深度对回弹法检测混凝土强度的影响

孟军涛

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

碳化深度对回弹法检测的混凝土强度推定值有很大影响。本文介绍了混凝土的碳化原理及混凝土碳化的影响因素，并通过模型试验研究碳化深度偏大对强度推定值准确性的影响，分析由于碳化修正引起强度推定值与钻芯法抗压强度相关性较差的原因。建议进一步研究碳化深度对高性能混凝土强度的影响，提高回弹法检测的可靠性。

混凝土强度；碳化深度；回弹法

回弹法作为检测混凝土强度的一种较普遍的方法，因其操作方便快捷且对结构无损害而大量被应用于工程结构混凝土检测中［1-3］。回弹法是通过检测混凝土表面硬度，然后结合碳化深度进行换算，最后通过统计学方法得到混凝土抗压强度推定值。随着高性能混凝土的大量应用，不但由于外部环境中的酸性气体和一次水化产物氢氧化钙等发生化学反应导致混凝土碳化，而且高性能混凝土中的掺合料也能消耗氢氧化钙，造成碳化深度加深。对于碳化深度在回弹法检测中的应用国内不少学者提出了质疑，在实际工程检测中经常出现因碳化深度过大导致混凝土强度推定值与钻芯试样抗压强度相关性较差，甚至出现使用回弹法对结构混凝土作出的评价与钻芯结果相悖的现象。碳化深度较大时，混凝土强度推定值修正前后差异较大，例如回弹值为48 MPa未碳化时强度推定值为60 MPa，但碳化深度平均值不小于6mm时强度推定值仅为36 MPa，两者相差40%。本文针对碳化深度对混凝土强度推定值的影响进行分析探讨。

1　混凝土的碳化原理

混凝土碳化是周围环境中的CO2等酸性气体与水泥石水化产物水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）、氢氧化钙（Ca（OH）2）等发生化学反应，生成碳酸盐导致混凝土中性化的现象。化学反应产生的碳酸钙溶解度为63×10-6，其溶液pH值为8.5，而1%酚酞溶液在pH值＞9.0时呈红色，＜9.0时呈无色，因此可通过测量变色分界面得到碳化深度值。

2　碳化深度的影响因素

混凝土碳化过程中，碳化深度随时间增长而变大。张令茂等［4］对自然碳化的试验研究表明，碳化深度与时间的幂函数成正比关系。除此之外，由于碳化主要是CO2溶于水后在混凝土孔隙内壁与碱性物质发生反应，因此碳化深度与施工时振捣养护、混凝土的密实性、含水率、自然环境中CO2浓度、水泥品种、用量、水灰比、骨料品种级配、掺合料、外加剂等有关。其中掺合料对其影响有2方面：①减小水泥用量使水化产物中的可碳物质减少，且发生二次水化反应，消耗水化产物中的氢氧化钙，导致碳化深度加大；②二次水化的填充效应提高了混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗碳化性能。

3　碳化深度试验研究

分别制作普通混凝土和高性能混凝土模型，尺寸均为250 cm×50 cm×40 cm。龄期28，56，90和180 d时在模型前后两面进行回弹试验以及碳化深度的测量，且在模型顶面钻取芯样进行抗压试验。

3.1碳化深度

碳化深度测量方法是：首先，采用适当的工具在测区表面形成直径15 mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度，清除孔洞中的粉末和碎屑，且不得用水擦洗；然后采用浓度为1%～2%的酚酞酒精溶液滴在空洞内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清晰时，采用碳化深度测量仪测量交界面到混凝土表面的垂直距离。

各龄期平均碳化深度统计结果见表1。可以看出，随着龄期变大碳化深度逐渐增大，且由于高性能混凝土掺合料集料填充效应，以及二次水化产物有效封闭了孔隙，密实性要比普通混凝土好，因此高性能混凝土碳化深度较普通混凝土小。但由于二次水化消耗氢氧化钙，导致后期碳化深度仍然较大。

3.2回弹强度推定值与抗压强度相关性

根据高性能混凝土与普通混凝土各龄期的回弹值和碳化深度可以换算碳化后的回弹强度推定值（表2和表3）。可见龄期180 d的回弹强度推定值比56 d的小，这与钻芯法得到的抗压强度变化规律相反。因此又按无碳化（即碳化深度为0）的情况进行换算，得到无碳化时回弹强度推定值。分别对各回弹强度推定值与钻芯法抗压强度作相关分析，见图1。可见，经碳化深度修正后回弹强度推定值随着龄期增加反而减小，导致与钻芯法抗压强度相关性较差，而按照无碳化情况推算两者相关性较好。

表1　各龄期碳化深度mm

表2　高性能混凝土各龄期回弹强度推定值与钻芯法抗压强度值对比MPa

表3　普通混凝土各龄期回弹强度推定值与钻芯法抗压强度值对比MPa

图1　混凝土碳化前后回弹强度推定值与钻芯法抗压强度的相关性

4　分析与探讨

4.1碳化深度测量的准确性

碳化深度测量最常用的方法为酚酞指示剂法，除此之外还有热分析法、X射线物相分析法、红外光谱法［5］。由于酚酞指示剂法较后几种方法简单、方便快捷，适合于现场检测，现行规范将其作为标准试验方法。但混凝土碳化是逐渐向内部扩散的，未碳化和完全碳化之间还存在碳化进行区域，导致指示剂变色分界面不明显，因此测量得到的碳化深度为近似值。

由于混凝土碳化变脆，导致碳化测量钻孔时出现孔口边缘不齐整，孔内可见粗骨料或者测量角度不同都会影响测量的碳化深度。

4.2碳化深度值的真实性

碳化深度与时间的幂函数成正比关系，根据混凝土保护层厚度可以预测混凝土的使用年限。实际检测中经常会出现龄期300 d以上的混凝土碳化深度值≥6 mm的现象，由此预测该混凝土使用年限远远小于设计年限，这一现象反证了碳化深度值偏大。

为了配制高性能、高耐久性混凝土，必须加入大量掺合料，如磨细矿粉、粉煤灰、硅灰等。这些掺合料在二次水化时会消耗大量的氢氧化钙，导致碳化深度偏大，甚至出现滴入酚酞试剂不变色现象。因此，测量得到的碳化深度值为外部环境和内部水化2方面共同作用的结果。模型试验中高性能混凝土和普通混凝土碳化修正后与抗压强度相关性较差，且不进行修正反而与抗压强度相关性较好，可以看出混凝土由于水化消耗氢氧化钙对碳化深度影响很大，而外部环境中CO2与混凝土中碱性物质发生化学反应引起碳化的这部分作用很小，甚至由于表面密实性好在短时间内不碳化。

4.3碳化修正的必要性

混凝土碳化后抗压强度提高，延性降低，其静力弹性模量的变化正比于强度的变化，具有明显的脆性。文献［6］和文献［7］分别从理论推导和试验得到完全碳化后混凝土的本构关系，均得出完全碳化后峰值应力有所增加，前者增加60%，后者增加10%～40%。基于上述结论，按现行规范碳化深度＞6 mm时的碳化修正可以认为混凝土表面完全碳化，且应比未碳化的混凝土强度提高40%。但由模型试验钻芯法抗压强度结果可以看出，高性能混凝土和普通混凝土在碳化深度值很大时，混凝土表面刚度并没有增加太多，不满足完全碳化的情况或者碳化前后混凝土实际抗压强度差异达不到40%，因此建议适当减小或者不进行碳化修正。

5　结论与建议

1）碳化深度过大时，利用现行规范修正导致回弹法混凝土强度推定值与钻芯法抗压强度相关性较差。

2）测量碳化深度值需要更细致，增加测量次数，避开脆性缺口或可见粗骨料的位置，减小测量误差，保证碳化深度值的准确性。

3）根据碳化深度与时间的关系，采用龄期对碳化深度值进行校核，得到真正引起混凝土表里强度差异的碳化深度值。

4）建议通过试验研究高性能混凝土回弹强度推定值与钻芯法抗压强度的关系，减小由于掺合料水化作用增大碳化深度值，导致回弹强度推定值不满足设计要求的误判现象。

5）建议进一步研究各种强度混凝土碳化深度值对强度的影响，确保回弹强度推定值的可靠性。

6）建议通过试验研究与现场检测相结合，对现有规范中通过碳化深度换算的强度推定值进行修订。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T 23—2011回弹法检测混凝土抗压强度技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］张智.钻芯法与回弹法在隧道衬砌强度检测中的应用分析［J］.铁道建筑，2014（5）：60-62.

［3］胡在良，李晋平，张佰战.混凝土强度钻芯法检测与评定的若干问题分析［J］.铁道建筑，2012（11）：131-135.

［4］张令茂，江文辉.混凝土自然碳化及其与人工加速碳化的相关性研究［J］.西安冶金建筑学院学报，1990，22（3）：207-214.

［5］徐飞，陈正，莫林.混凝土碳化试验与碳化深度测定方法的对比分析［J］.工程与试验，2013（4）：27-31.

［6］鲁莉，梁发云，刘祖华.砼碳化后的受压应力-应变关系［J］.住宅科技，1999（4）：28-30.

［7］徐善华，朱文治，崔焕平.完全碳化混凝土受压本构关系试验研究［C］//第22届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）.乌鲁木齐：中国力学学会结构工程专业委员会，2013.

（责任审编李付军）

Influence of Carbonization Depth on Concrete Strength Inspected with Rebound Method

MENG Juntao
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Carbonization depth has influence on estimation of concrete strength with rebound method.T he principle of the concrete carbonization and the relevant factors were introduced.Influence of over-estimated carbonization depth on estimation accuracy of concrete strength was studied through model experimental tests.T he poor correlation between the estimated value from carbonization depth and the measured coring concrete compressive strength was analyzed.It suggests a further study on the influence of carbonization depth on high performance concrete is required to improve the reliability of rebound method.

Concrete strength；Carbonization depth；Rebound method

TU317+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.35

1003-1995（2016）10-0133-03

2016-03-25；

2016-04-19

孟军涛（1983—），男，助理研究员。