黄河中下游水闸混凝土碳化深度研究

张晓英 宋力 何岗忠

摘要：为得到黄河中下游水闸混凝土碳化深度的变化规律，并揭示其对混凝土强度的影响，利用43座水闸现场安全检测混凝土强度和相对应碳化深度的数据，通过统计分析方法研究了黄河中下游水闸不同构件的混凝土碳化深度以及不同地区、不同设计强度混凝土碳化深度与强度之间的关系。结果表明：黄河中下游水闸碳化深度自闸底板起随相对高程增加而变大；13～51a龄期内，混凝土强度等级为C18的混凝土比C13混凝土抗碳化能力强；黄河中下游不同地区的水闸混凝土强度增加量均随着碳化深度的增加先增大后减小。由此可见，混凝土强度等级越高，其抗碳化能力越强，且随着混凝土碳化深度的增加，混凝土强度增加量先增加后减小。

关键词：碳化深度；混凝土强度；龄期；水闸；黄河中下游

中图分类号：TV66 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.025

混凝土碳化深度是水闸安全鉴定现场检测中影响材料性能指标的重要因素之一，黄河中下游水闸常处在有水状态下，长期受到流水的冲刷，混凝土表面的沙子会被带走，混凝土与外界空气的接触面变大，混凝土更容易被碳化，对混凝土强度会产生影响。现有研究成果表明，混凝土强度等级越高，抗碳化能力越强[1-4]，环境与混凝土本身品质是混凝土碳化的主要因素；建立碳化深度与实际龄期混凝土抗压强度的关系模型比建立碳化深度与混凝土28d龄期抗压强度的关系模型更有意义[5]；颜承越[6]对混凝土碳化与强度的关系研究表明，混凝土碳化深度与抗压强度之间存在良好的相关性；李梦冉等[7]对混凝土碳化深度与强度关系的研究表明，随着碳化深度的增加，混凝土强度越来越低，这与本文对混凝土碳化深度与强度关系的研究结果不同。国内外对混凝土碳化深度与强度关系的研究多停留在个别工程或者实验室内，得到混凝土碳化深度与强度的关系也只能代表个别工程的规律，不能应用到其他工程上，缺乏对大量实际工程的相关研究。为研究混凝土碳化深度的变化规律以及混凝土碳化深度与强度的关系，本文以黄河中下游43座水闸现场安全检测混凝土强度和相对应碳化深度成果为依据，采用统计分析方法揭示黄河中下游水闸混凝土碳化深度的变化规律以及碳化深度与强度之间的关系。

1 现场检测采用方法

在黄河中下游水闸的安全鉴定中，混凝土强度的检测和混凝土碳化深度的检测同时进行，混凝土强度检测采用回弹法、钻芯法、钻芯修正回弹法和超声回弹综合法，检测的水闸主要构件有闸墩、闸顶板、闸底板、胸墙和涵洞侧墙、涵洞顶板、涵洞底板、闸门及机架桥梁、板、柱等。混凝土碳化深度检测依据规范[8]要求，采用锤子和钢钎在测区表面形成直径约15mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度，孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗，同时采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，测量不应少于3次，取其平均值。

2 黄河中下游水闸混凝土碳化深度的变化规律

2.1 水闸不同构件混凝土碳化深度的变化规律

对黄河中下游43座水闸的检测数据进行统计分析，水闸个别构件的混凝土碳化深度数据较少，这里只对水闸的涵洞底板、闸底板、闸墩、涵洞侧墙、闸顶板、涵洞顶板、胸墙以及机架桥混凝土碳化深度进行了统计，见图1。

根据统计结果可知，黄河中下游穿堤建筑物水闸混凝土有长期水下、水下和水上交替变化及完全水上三种使用环境，可以把水闸分成三类构件：第一类构件为闸底板和涵洞底板；第二类构件为闸墩、闸顶板、涵洞侧墙、胸墙和涵洞顶板；第三类构件为机架桥。闸底板和涵洞底板处在淤泥之下，混凝土与空气中的CO2隔离，不能发生碳化反应，所以闸底板和涵洞底板混凝土碳化深度比较小。水闸内的水长期处在流动状态，水闸的闸墩、涵洞侧墙和顶板混凝土长期受到流水的冲刷，构件混凝土表面的沙子被带走，另外季节交替变化，使混凝土表面受到冻融循环的影响变得疏松，加大空气中的CO2进入混凝土中尚未完全充水的毛细孔，在潮湿的环境下，有利于与混凝土中的Ca（OH）2发生碳化反应，因此其混凝土碳化深度相对比较大。但不同的第二类构件碳化深度也不同，可根据水位变化区来划分混凝土碳化深度的变化，水位变化区以下、水位变化区、水位变化区以上的碳化深度逐渐变大。黄河中下游水闸所处的位置一般在野外，受风吹、日晒等恶劣环境的影响，水闸的机架桥和胸墙混凝土腐蚀很快，混凝土表面的孔洞比较多，加大了与空气中CO2的接触面积，另外水分的蒸发使得水闸周围空气中的水分含量比较大，在此环境下混凝土中的Ca（OH）2将发生快速的碳化反应，因此水闸的机架桥和胸墙混凝土碳化深度往往非常大。分析可知，黄河中下游水闸的碳化深度自闸底板起随相对高程增加而变大。

2.2 不同强度等级的水闸混凝土碳化深度与龄期的关系

黄河中下游水闸混凝土强度等级一般为C13和C18，根据统计结果可知，13～51a龄期内，C13水闸混凝土碳化深度比C18水闸混凝土碳化深度大，表明C18水闸混凝土比C13混凝土抗碳化能力强。混凝土的抗压强度是混凝土最基本的性能指标，它与混凝土的水灰比、水泥用量等有关。水灰比基本上决定了混凝土的孔隙结构，水灰比越大，混凝土在硬化中失去的水分就越多，产生的毛细孔就越多，加大了CO2在混凝土中的扩散速度，因此水灰比越大混凝土碳化就越快。水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量，因此对混凝土碳化速度有一定影响，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化越慢，从而说明混凝土强度等级越高，其抗碳化能力越强。

3 水闸混凝土碳化深度與强度变化的关系

3.1 黄河中下游不同地区的水闸混凝土碳化深度与强度的关系

对黄河中下游河南段和山东段的水闸检测数据进行统计分析，得到不同地区水闸混凝土碳化深度与强度增加量关系曲线，见图2。

根据统计结果可知，黄河中下游河南段和山东段水闸的混凝土强度增加量随着碳化深度的增加先增大后减小。混凝土发生水化反应，内部水分蒸发，混凝土内部会产生毛细孔，混凝土在碳化作用下生成了碳酸物质，填补了混凝土的毛细孔，当混凝土的碳化深度比较小时（一般为1～2mm），在一定程度上增加了混凝土的强度，所以随着混凝土碳化深度的增加，混凝土强度增加量会先增大后减小。

3.2 不同强度等级的水闸混凝土碳化深度与强度增加量的关系

不同强度等级的水闸混凝土碳化深度与强度增加量的关系见图3。可见，随着碳化深度的增加，混凝土强度增加量先增大后减小，C13混凝土强度增加量比C18混凝土强度增加量大。

4 结论

通过对黄河中下游水闸强度以及相应碳化深度的检测数据进行统计分析，得出以下结论：

（1）黄河中下游水闸混凝土碳化深度随相对高程的增加而逐渐变大。

（2）13～51a龄期内，C18混凝土比C13混凝土的抗碳化能力强，表明混凝土强度等级越高，其抗碳化能力越强。

（3）通过对不同地区、不同强度等级的黄河中下游水闸混凝土碳化深度与强度关系的分析可知，随着碳化深度的增加，混凝土强度增加量先增大后减小。

参考文献：

[1]张东伍，栗潮.不同强度等级混凝土的碳化行为分析[J].河南建材，2013（5）：42-43，45.

[2]孙荣荣.不同强度等级混凝土碳化深度随龄期变化分析[J].平顶山学院学报，2006，15（4）：6-7.

[3]吴丽，卜贵贤.混凝土碳化的影响因素及碳化深度预测模型[J].防渗技术，2002，8（3）：10-12.

[4]赵根田，安淑华，季仲禹，等.在役钢筋混凝土构件碳化深度和强度[J].工程力学，2002（增刊1）：652-655.

[5]杜应吉，梁正平.韦水倒虹工程混凝土碳化深度预测研究[J].水利水电科技进展，2005，25（3）：48-50.

[6]顏承越.砼碳化与强度关系的建立与应用[J].混凝土与水泥制品，1993（6）：19-21.

[7]李梦冉，杨超，余晓彦，等.碳化深度对混凝土强度影响的研究[J].湖北工业大学学报，2015，30（1）：103-105，114.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程JGJ/T23-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011：11-12.