混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳作用, 生成碳酸钙或其他物质的现象, 这是一个极其复杂的多相物理化学过程。根据现有的研究, 碳化使混凝土的抗压强度明显提高, 弹性模量略有提高, 混凝土脆性增大, 由于一般构件碳化深度较浅, 大致与混凝土保护层厚度相当, 故碳化引起的混凝土力学性能变化对构件受力性能的影响并不大。混凝土碳化使保护层混凝土的pH值降低, 钢筋钝化膜不再稳定甚至被破坏, 钢筋处于活化状态, 在水和氧气得到满足的情况下, 钢筋发生锈蚀, 故混凝土碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋锈蚀的诱因^[1]。

　　 混凝土抗碳化能力作为一个重要的耐久性指标, 一般用碳化系数代表碳化速率, 碳化系数越大, 钢筋抗碳化能力越低。对于新建工程, 只能在实验室通过加速碳化获得其碳化系数, 由于实验室加速碳化和工程自然条件碳化的环境条件存在差异, 其两者相关性如何, 目前研究开展较少。

　　 文献[2]通过10年时间的混凝土自然碳化和实验室加速碳化的试验研究, 对混凝土的碳化进程、孔结构和物相变化规律进行分析, 发现自然碳化和人工加速碳化之间存在相关性。文献[3]通过试验研究发现, 不同CO₂浓度下混凝土加速碳化试验结果存在一定差异, 低浓度 (3%) 碳化试验结果能很好反映理论规律, 高浓度 (20%) 碳化试验结果不能区分水胶比相同矿物掺合料不同的混凝土碳化差异。

　　 本文对北京地区室外自然暴露26年混凝土耐久性长观试件的碳化深度进行多次实测, 分析自然条件下的混凝土碳化规律;再从长观试件中截取中间未碳化混凝土制作成圆柱体试件, 在实验室条件下进行加速碳化, 分析其加速碳化规律;最后分析实验室加速碳化和工程结构自然碳化的相关性, 研究结果为结构耐久性评估提供参考依据。

　　 中国建筑科学研究院设计制作了一批长观试件用于普通室内环境和室外环境的混凝土碳化和钢筋锈蚀研究。试件于1986年12月成型, 1987年6月进行加荷, 1987年7月放置于暴露场, 暴露试件照片见图1。

　　 混凝土设计标号为400# (相当于强度等级C38) , 自然养护, 28d立方体试块抗压强度平均值为29.8MPa;采用琉璃河水泥厂425#矿渣硅酸盐水泥, 水泥用量为520kg/m³, 水泥化学成份分析结果见表1;砂子为昌平中砂, 石子为粒径5～15mm的南口豆石;混凝土配合比 (水∶水泥∶砂∶石子) 为0.40∶1.00∶0.86∶2.46;主筋为直径12mm的光圆钢筋, 箍筋为直径6mm的光圆钢筋;梁式试件总长度为2 000mm, 截面高度180mm, 试件两端为矩形截面, 中部为T形截面。

　　 从长观试件钻取混凝土芯样, 由于长观试件施加有荷载作用, 为避免荷载作用下受拉区和受压区混凝土碳化差异, 截取的混凝土芯样均为梁中和轴附近, 芯样直径为60mm, 沿梁腹板钻透。共钻取芯样16个, 其中, 两端矩形段4个芯样, 中间T形段12个芯样, 钻芯后的混凝土试验梁见图2, 芯样照片见图3。

　　 混凝土芯样洗净晾干, 每个芯样测试两个端面的碳化深度, 两端面均画“十”字测线, 一个端面测试4个数据, 每个芯样共测试8个碳化数据。滴上浓度为1%的酚酞酒精溶液, 经30s后, 用钢板尺测量各点碳化深度, 当测量点处刚好有粗骨料颗粒, 可取颗粒两侧碳化深度的算术平均值作为该点的碳化深度值, 碳化深度测量精确到0.5mm。

　　 留T形段代表性部位的3个芯样用于混凝土抗压强度试验, 其余13个用于混凝土加速碳化试验研究。用于强度试验的芯样加工处理成高径比1∶1试件, 两端用硫磺泥补平, 养护3d进行抗压强度试验。用于加速碳化的芯样, 将芯样两端已经碳化的混凝土切割掉, 仅留中间未碳化的混凝土, 并将芯样两端进行封腊处理, 使二氧化碳仅沿混凝土芯样圆周面往内部扩散。

　　 加速碳化试验前将芯样放在60℃下烘48h进行烘干处理。在芯样侧面沿圆周方向十等分, 用铅笔画出平行线, 作为预定碳化深度的测量点。加速碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) 执行, 试验步骤如下:

　　 1) 将经过处理的试件放入碳化箱内的支架上, 各试件之间的间距不应小于50mm。

　　 2) 试件放入碳化箱后, 将碳化箱密封, 开动箱内气体对流装置, 徐徐充入二氧化碳, 并测定箱内二氧化碳浓度, 逐步调节二氧化碳流量, 使箱内的二氧化碳浓度保持在 (20±3) %, 箱内相对湿度控制在 (70±5) %, 温度控制在 (20±2) ℃。

　　 3) 混凝土试件碳化到达7d, 14d和28d时, 取出试件破型测试混凝土的碳化深度。采用锯切法, 每次切除厚度约15mm, 切除后用石蜡将破型后试件的切断面封好, 再放入碳化箱继续碳化, 直到下一个试验期。

　　 4) 随后将切除所得的试件部分刷去断面上残存的粉末, 滴上浓度为1%的酚酞酒精溶液, 经30s后, 按原先在侧面标画的10个测量点用钢板尺测量各点碳化深度, 当测量点处刚好有粗骨料颗粒, 可取颗粒两侧碳化深度的算术平均值作为该点的碳化深度值, 碳化深度测量精确到0.5mm。

　　 根据耐久性专题研究计划, 定期对长观试件进行数据采集, 采集工作按专题组1986年制定的《钢筋混凝土耐久性长观试件破型技术规定 (试行) 》要求进行, 其中混凝土碳化深度x_c是测试指标之一。根据本课题研究需要, 整理了1992年10月碳化测试数据^[4]和2011年9月碳化测试数据^[5], 以及本次芯样碳化测试数据 (2013年8月) , 测试结果见表2, 表中选取的都是放置在上层的长观试件。

　　 采用理论公式$x{}_{\text{c}}=k\sqrt{t}$计算碳化系数k, 计算结果见表2。根据平均碳化系数拟合碳化曲线, 散点图和拟合曲线见图4。由图可见, 基于理论分析的碳化模型形式与实测碳化规律基本吻合。

　　 混凝土芯样抗压强度试验结果见表3, 强度平均值为57.2MPa, 较28d抗压强度 (29.8MPa) 有较大幅度增长。

　　 加速碳化7d时, 混凝土几乎未碳化, 平均碳化深度均小于0.5mm;加速碳化14d和28d时, 混凝土碳化深度测试结果见表4。加速碳化28d碳化深度测试照片见图5。其中, 芯样3-1内部混凝土异常, 在碳化规律统计分析时, 将剔除该芯样碳化数据。

　　 不同加速碳化周期下, 芯样碳化深度及碳化系数计算结果见表5。芯样加速碳化时间与碳化深度的散点图及拟合关系曲线见图6。

　　 根据菲克扩散定律的理论分析结果, 不同二氧化碳浓度下混凝土碳化深度符合下列关系^[6]:

　　 $\alpha {}_1\sqrt{C{}_{1}t{}_1}=\alpha {}_2\sqrt{C{}_{2}t{}_2}(1)$

　　 式中:C₁和C₂为两种不同环境的CO₂浓度;t₁和t₂为在不同CO₂浓度环境下要达到相同碳化深度需要的时间;α₁和α₂为模型不确定系数。

　　 若假设α₁=α₂, 则式 (1) 等效为C₁t=C₂t, 考虑大气中CO₂浓度C₁和碳化箱内CO₂浓度C₂的实际大小, 可推求碳化箱内加速碳化试验时间与自然碳化时间之间的换算关系, 从而可将加速碳化时间转化为一般大气环境下的碳化时间。

　　 大气中的二氧化碳浓度约为0.03%, 加速碳化试验箱内的二氧化碳浓度为20%, 加速碳化时间与自然碳化时间转换结果见表6。由表可见, 按标准规定条件加速碳化28d, 理论上约等效于自然碳化51年。

　　 根据表6中的转换关系, 将加速碳化时间转换为自然碳化时间, 并根据加速碳化深度计算加速碳化系数的换算值, 计算结果见表7。

　　 由表7可见, 考虑CO₂浓度的影响对时间进行转换后, 碳化系数换算值 (2.54 mm/$\sqrt{\text{年}}$) 与表2中自然条件下碳化系数均值 (2.68 mm/$\sqrt{\text{年}}$) 基本接近。

　　 根据长观试件自然条件下的碳化系数 (2.68mm/$\sqrt{\text{年}}$) , 按照$x{}_{\text{c}}=k\sqrt{t}$计算50年的碳化深度值为19.0mm, 该数值与28d加速碳化深度均值 (19.3mm) 很接近。

　　 本次试验中加速碳化28d的实测碳化深度和推算50年自然碳化深度高度相关, 这可能是巧合, 也与公式 (1) 中假设α₁=α₂有关。经过26年, 混凝土抗压强度值从当时29.8MPa增长到57.2MPa, 增幅接近一倍, 随着混凝土强度大幅增长, 其密实性也会大幅提高, 若在强度值为29.8MPa时对该混凝土试件进行加速碳化, 其加速28d碳化深度应该比本次试验结果大很多。混凝土碳化系数不是一个常数, 应该是一个与混凝土龄期、周围环境条件相关的随机变量, 理论上, 随着混凝土强度增长, 其抗碳化能力在提高。因此, 在实际工程中, 将28d龄期混凝土试块的加速碳化深度作为耐久性设计或者评估的依据应该属于偏于保守的做法。

　　 中国建筑科学研究院耐久性课题组对长观试件进行了数次碳化深度测试, 根据实测碳化深度计算试验梁碳化系数平均值为$2.68\text{m}\text{m}/\sqrt{\text{年}}$, 推算长观试验梁50年碳化深度值为19.0mm。截取长观试验梁中间未碳化混凝土芯样, 进行实验室加速碳化试验, 加速碳化28d混凝土碳化深度平均值为19.3mm。

　　 若考虑实验室加速碳化CO₂浓度的差异, 依据式 (1) 将实验室加速碳化时间 (d) 等效为自然环境CO₂浓度下的碳化时间 (d) , 加速碳化28d大致等效于自然环境碳化51年, 由此计算加速碳化的碳化系数换算值为2.54mm/$\sqrt{a}$, 该碳化系数与长观试件实测碳化系数基本接近。由于混凝土的强度随着龄期增长而有所增加, 混凝土的抗碳化能力也有所提高, 而本次试验梁混凝土强度较28d强度增长了接近一倍, 其加速碳化28d的碳化深度与实测自然碳化深度推算出的50年碳化深度基本接近, 故采用龄期28d混凝土试块的加速碳化试验结果作为混凝土耐久性设计或者评估的依据应该是偏于保守的做法。