含侵蚀性CO2地下水环境对混凝土碳化的影响

李宏强,吕 琳,徐峰光,李晨雁

(中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050227)

随着我国现代化城市的建设,以及城乡一体化进程的加快,各种混凝土建设项目数量激增。随之而来的混凝土腐蚀问题也受到更多人的关注,这与人们的生命财产安全联系密切。混凝土结构碳化是混凝土腐蚀的主要原因之一,随着温室效应的加剧,混凝土结构的碳化问题愈加严重。由于地下水中的CO2来源于空气和土壤,因此,过量的CO2会导致侵蚀性CO2的产生,进而对混凝土结构产生碳化影响。目前,我国针对含侵蚀性CO2地下水环境对混凝土结构碳化影响的研究相对较少,且更多集中在耐久性,钢筋腐蚀及防腐措施,混凝土碳化机理研究上。缺少地下水碳化环境对混凝土碳化具体影响的研究。而通过模拟侵蚀性CO2地下水环境,对混凝土碳化的具体影响进行研究,将有助于指导高性能混凝土配制和施工,提高地下水环境混凝土结构的耐久性和服役寿命。还可以其他学者的相关研究提供理论和实践参考。

1 混凝土碳化的机理和影响因素

1.1 混凝土碳化的机理

混凝土碳化是混凝土中的碱性物质和孔隙溶液,与进入混凝土孔隙中的CO2进行反应,从而导致混凝土碱性下降,化学成分发生转变的过程。其具体碳化的机理示意图如下图1所示。由于混凝土中的水泥水化产物和未水化的水泥成分的存在,使其呈现出强碱性。一般来说,新鲜混凝土的pH值在12～13之间。而对于混凝土中的钢筋而言,只有当混凝土的pH>11.5时,才能够在钢筋的表面形成一层完整的钝化膜,保护钢筋不易被锈蚀。因此,从某一种意义上来说,要想保护混凝土中的钢筋不被锈蚀,就是要保证钢筋周围混凝土不被碳化。

混凝土碳化的具体过程是,混凝土中的碱性物质和进入混凝土内部的CO2进行碳化反应。碱性物质包括:硅酸三钙(C3S),硅酸二钙(C2S),水化硅酸钙(3CaO·2SiO·3H2O)和氢氧化钙(Ca(OH)2)。当混凝土中的碱性物质和CO2进行反应时,会生成碳酸钙,虽然会降低混凝土的碱性,但是对于混凝土的空隙就较好的填充作用,在一定程度上阻碍了CO2的进入,减慢了混凝土碳化的过程。但是当混凝土处于高湿度和具有侵蚀性CO2的地下水环境时,侵蚀性的CO2产生的酸性物质和碳酸钙进一步的反应,生成碳酸氢钙(Ca(HCO3)2),碳酸氢钙溶于水后,又使混凝土的空隙变大,从而导致碳化过程持续进行。影响混凝土结构的耐久性,以及混凝土钢筋的硬度和粘结性。

1.2 混凝土碳化的影响因素

混凝土结构碳化的影响因素可以包括内部因素和外部因素。内部因素包括:水灰比,水泥用量,水泥品种和矿物外掺料等。外部因素包括:CO2浓度,环境湿度、温度,应力条件,施工质量,养护条件等。首先,从内部影响因素进行分析。水泥中水灰比的增大将会导致碳化速度加快。水泥标号越高的品种,抗碳化性能越好,按照不同类型水泥的抗碳化能力排列,硅酸盐水泥>普通硅酸盐水泥>粉煤灰水泥>矿粉水泥。此外,相关研究表明,混凝土结构的碳化速度会随着水泥用量的增加而减小。在矿物外掺料方面,粉煤灰或矿粉掺量越大,混凝土碳化的情况越差。其次,从外部环境分析,随着CO2浓度和相对湿度的增加,混凝土结构的碳化速度相应加快。外部应力环境影响主要表现为,随着压应力增加,混凝土结构的碳化速度减慢,随着拉应力增加,碳化速度加快。温度、施工条件和养护条件的影响表现为,随着温度的增加,碳化速度加快;施工质量越好,混凝土孔隙度越小,碳化程度越低;养护时间越长碳化速度越小。

2 地下水环境对混凝土碳化的影响研究

由于地下水中CO2的来自空气和土壤,因此,在相同的气压和温度条件下,地下水中的CO2含量更高。而当CO2含量超过一定限度时,就可以使地下水具有较强的侵蚀性,从而对地下水环境中的混凝土结构产生侵蚀,使其发生碳化。超出地下水平衡状态的CO2,称为侵蚀性CO2。

2.1 试验装置的研发

2.1.1 侵蚀性CO2溶液的配制

1)配制原理

侵蚀性CO2溶液的配制,需要依据一定的配制原理。首先需要在标准大气压和温度条件下融入足够的CO2,而达到饱和状态的CO2溶解度1.449 g/L。此外,依据《岩土工程勘察规范》可知,当CO2浓度处于30～60 mg/L时,可以对混凝土产生中度腐蚀,超过60 mg/L时,产生严重腐蚀,为确保混凝土碳化速率,需要配制浓度超过60 mg/L的CO2溶液。本实验利用碳酸氢钠(NaHCO3)和醋酸(CH3COOH)制备CO2,根据反应式计算,得到碳酸氢钠和醋酸的用量。在制取过程中,可以通过调节反应物用量,获取不同浓度的侵蚀性CO2溶液。但是在配制侵蚀性CO2溶液时,要放入足够的碳酸氢钠,保证醋酸充分反应,避免醋酸和混凝土中的碱性物质发生反应,同时注意监测溶液中CO2的浓度。

2)配制过程和CO2浓度测定

依据侵蚀性CO2溶液的配制原理,本实验共需要配制三种浓度的侵蚀性CO2溶液。具体步骤如下:(1)准备不同浓度侵蚀性CO2溶液的配料,冰醋酸和碳酸氢钠的用量分别为:0.5 ml+2 g,1 ml+3 g,2 ml+4 g,每一种浓度下的冰醋酸和碳酸氢钠各三份。(2)配制基础反应溶液,将上述9份冰醋酸和9份碳酸氢钠,共18份试剂溶于500 ml蒸馏水。(3)将基础反应溶液至于冰箱,降温到0℃～3℃。(4)取出基础反应溶液,使不同浓度下的碳酸氢钠和醋酸进行反应,并静置室内。(5)分别测定第3、5、10天,不同反应物浓度下的CO2浓度。通过实验测定得到以下的CO2浓度测定结果如图2所示。

图2 不同反应物量产生CO2浓度变化情况

2.1.2 地下水环境下混凝土碳化装置的研发

在现实环境中,地下水中混凝土碳化需要满足两个基本条件。首先需要使水中含有足够的侵蚀性CO2,其次,需要使水体具有流动性。通过,不同浓度侵蚀性CO2溶液的配制可以满足第一个条件,而如何使水体具有流动性,成为模拟地下水环境条件最关键的环节。为了解决水体流动性的问题,设计了如下的地下水混凝土碳化装置,如图3所示。

图3 模拟地下水环境的混凝土碳化反应装置

如图3所示,反应装置主要由三个箱体和分层架组成。分别为放置在最上层的鲜液箱,放置在中间层的浸泡箱,放置在底端的废液箱。其中,鲜液箱中加入新鲜的侵蚀性CO2溶液,并用一根带有流量控制器的导水管与浸泡箱上端连接,浸泡箱中放入混凝土试块,并使浸泡液充满浸泡箱。在浸泡箱底端两侧分别设置两个带有流量控制器的导管,将废水排入废液箱。为确保浸泡箱中的混凝土不同部位均发生碳化反应,需要控制好鲜液箱进入浸泡箱和浸泡箱流入废液箱的流速,保持浸泡箱中的流入、流出量一致,从而模拟含有侵蚀性CO2的流动性地下水环境。

2.2 含CO2地下水环境下的混凝土碳化试验

2.2.1 混凝土试件的准备

本试验制备混凝土试件的配合比尺寸为:100×100×300 mm,每组配制三个试块。每组配合比所需要的混凝土体积为0.009 m3。在进行混凝土试件制备时,每一组的配合比按照15 L的体积下料,提前将所需的沙晒干,确保含水量为0%。九组混凝土试件的材料用量如表1所示,混凝土的塌落度如图4所示。

表1 九组混凝土试件的材料用量表

图4 九组混凝土试件的塌落度

2.2.2 含CO2地下水环境下的混凝土碳化试验

1)试验准备

依据不同反应物量产生CO2浓度的变化情况,随着反应物量的增加,CO2浓度相应增加,随着溶液静置时间延长,CO2浓度逐渐减小。在浸泡箱中的侵蚀性CO2溶液会与混凝土结构发生碳化反应中降低CO2浓度,因此,在模拟含侵蚀性CO2地下水对混凝土碳化影响的试验中,需要控制好鲜液箱侵蚀性CO2溶液流入、流出的流速,将CO2浓度维持在一个稳定的水平。

为了加快鲜液箱碳化反应的速率,参考先前配制侵蚀性CO2溶液的反应物用量,将最低、中间、最高的反应物水平设置为:2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g醋酸和碳酸氢钠。将上述不同反应物水平的反应物进行充分反应,静置一天后移入鲜液箱。根据浸泡箱中放入混凝土试件的数量和大小,选择600×460×380 mm体积的容器。每天将50 L的侵蚀性CO2溶液放入鲜液箱,保证鲜液箱CO2溶液浓度的稳定。将鲜液箱和浸泡箱之间导管的平均流速设置为34.7 ml/min,将浸泡箱底端两侧导管的平均流速设置为17.35 ml/min。

2)试验步骤

模拟含侵蚀性CO2地下水环境对混凝土碳化影响的试验,具体步骤如下。(1)对进行碳化反应的混凝土试块进行养护、烘干和密封处理,并将处理完的混凝土试块竖立放置在三个不同侵蚀性CO2浓度水平的浸泡箱中。(2)在每一个侵蚀性CO2浓度水平的浸泡箱中共放置9个混凝土试块,每个混凝土试块对应不同的配合比。(3)依据确定好的生成不同侵蚀性CO2浓度溶液的反应物用量,配制侵蚀性CO2溶液,每天配制三种浓度水平的侵蚀性CO2溶液各50L,在室内静置一天后,放入对应鲜液箱中。(4)将鲜叶香和浸泡香之间的流量控制在34.7 ml/min,将浸泡箱底端两侧流入废液箱的导管流速控制在17.35 ml/min。(5)每天测定浸泡箱中侵蚀性CO2溶液的浓度,确保侵蚀性CO2浓度维持在一个稳定水平。(6)待浸泡箱中的混凝土试块碳化反应达到28天后,依据混凝土碳化深度测定标准,对混凝土结构碳化的深度进行测定。

3 结果与分析

3.1 试验结果

在侵蚀性CO2溶液和混凝土结构进行碳化反应28 d中,监测不同侵蚀性CO2浓度水平下每天的CO2浓度,并计算平均值。经过计算得到以下结果:醋酸和碳酸氢钠反应量为2 ml+4 g,4 ml+8 g,6 ml+12 g的侵蚀性CO2溶液,28 d平均浓度分别为:C=113.66 mg/L,C=89.54 mg/L和C=85.65 mg/L。依据混凝土结构碳化深度的标准测定方法,对不同侵蚀性CO2浓度水平下,9块混凝土试块的碳化深度进行了测定,结果如表2所示。

表2 不同侵蚀性CO2浓度下混凝土碳化深度

3.2 结果分析

通过以上实验结果可以发现,在侵蚀性CO2溶液配制的过程中,随着醋酸和碳酸氢钠反应物用量的增加,生成的侵蚀性CO2溶液,平均浓度呈现出逐渐下降的趋势。其中,当醋酸和碳酸氢钠的反应物量为2 ml+4 g时,侵蚀性CO2溶液在28天的平均浓度最高,为113.66 mg/L。这说明超过一定限度后,醋酸和碳酸氢钠反应物用量的增加,会导致侵蚀性CO2溶液平均浓度的降低。

通过对不同侵蚀性CO2浓度下混凝土碳化深度结果的分析可以发现。当混凝土的水胶比低于0.5时,在不同侵蚀性CO2溶液浓度水平下,随着粉煤灰掺量和矿粉掺量会的增加,混凝土结构的碳化深度相应增加。当混凝土水胶比为0.6时,在不同侵蚀性CO2浓度水平下,随着粉煤灰和矿粉掺量的增加,混凝土结构碳化深度呈现先降低后增加的趋势。在同一种侵蚀性CO2浓度水平下,混凝土结构的水胶比增加,混凝土结构的碳化深度增加。侵蚀性CO2溶液的平均浓度越高,混凝土结构的碳化深度越深。

4 结论和建议

4.1 结论

通过含侵蚀性CO2地下水环境对混凝土碳化的影响研究得到以下主要结论。(1)利用醋酸和碳酸氢钠配制侵蚀性CO2溶液,醋酸和碳酸氢钠反应物用量为2 ml+4 g时,侵蚀性CO2的平均浓度最高,对混凝土结构的碳化作用最明显。生成的侵蚀性CO2溶液在室内静置,其CO2浓度会呈现逐渐下降的趋势,其中,醋酸和碳酸氢钠反应物量为2 ml+4 g的侵蚀性CO2溶液,CO2浓度下降速率最快。(2)通过利用分层架,鲜液箱,浸泡箱,废液箱,以及连接上述三个箱体的带有流量控制器的导管,可以有效地模拟含侵蚀性CO2的连续地下水环境,环境的设置更加贴切实际。(3)在侵蚀性CO2溶液配制的过程中,当醋酸和碳酸氢钠反应物用量超过2 ml+4 g时,生成的侵蚀性CO2溶液浓度会有所下降。(4)当混凝土的水胶比为0.4和0.5时,在不同侵蚀性CO2溶液浓度水平下,粉煤灰和矿粉掺量的增加会导致混凝土结构碳化深度的加深。当混凝土的水胶比为0.6时,粉煤灰和矿粉掺量的增加会使混凝土结构的碳化深度呈现先降低后增加的趋势。(5)在不同侵蚀性CO2溶液浓度水平下,随着水胶比的增加,混凝土结构碳化深度增加,并且侵蚀性CO2溶液的浓度越高,碳化的深度越深。

4.2 建议

由于研究内容有限,只研究了连续地下水碳化环境对混凝土碳化的影响,缺少针对连续高湿度地下水环境对混凝土结构碳化的影响研究。缺少基于以上两个研究内容,建立相应的多因素模型,对不同配合比条件下的混凝土结构耐久性和使用寿命,进行预测分析。此外由于研究时间有限,本文在探究含侵蚀性CO2地下水环境对混凝土结构碳化影响的过程中,为加快碳化速率,选择了高侵蚀性的CO2溶液进行碳化反应,反应的时间为28 d。因此,获得的结果精度并不是很高,为获得更加准确的碳化结果,需要设置与真实地下水碳化环境相近的侵蚀性CO2溶液,并展开更长时间的碳化实验。