混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究_牛荻涛

DOI：10.7521/j.issn.0454–5648.2013.08.11混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究牛荻涛1，孙丛涛2(1.西安建筑科技大学，结构工程与抗震教育部重点实验室，西安710055；2.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071)摘要：处于除冰盐环境和海洋大气环境中的混凝土结构将受到碳化和氯离子侵蚀的共同作用。

通过盐溶液浸泡与碳化交替方式，研究了碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响。

结果表明：碳化作用加快了混凝土中氯离子扩散速度，提高了混凝土中的氯离子含量，相对于混凝土碳化对结合氯离子的释放作用，碳化导致的混凝土微观结构重分布对氯离子扩散的加速作用占主导地位。

分析了碳化混凝土中的碳化钙分布和碳化深度，结果表明，用化学试剂法测试混凝土碳化深度时，碳化与未碳化交界处位于混凝土部分碳化区，交界处碳酸钙含量变化范围为5.4%～10.8%。

关键词：混凝土；碳化；氯离子；耦合作用；扩散中图分类号：文献标志码：文章编号：0454–5648(2013)08–1094–06网络出版时间：2013–08–0117:57:43网络出版地址：/kcms/detail/11.2310.TQ.20130801.1757.011.htmlStudy on Interaction of Concrete Carbonation and Chloride CorrosionNIU Ditao1，SUN Congtao2(1.Key Laboratory for Structural Engineering and Seismic Resistance of Ministry of Education,Xi’An University of Architecture andTechnology,Xi’an710055,China;2.Institute of Oceanology Chineseacademy of Sciences,Qingdao266071,Shandong,China) Abstract:The concrete structures in deicing salt environment and marine atmospheric environment will suffer the dual effect of carbonation and chloride corrosion.The influence of carbonation on chloride diffusion in concrete was investigated by alternation of immersion and carbonation.The results show that carbonation increases the speed of chloride diffusion and the content of chloride in concrete.The microstructure redistribution of concrete caused by carbonation dominates the acceleration of chloride diffusion compared with the release of binding chloride because of carbonation.The distribution of calcium carbonate and carbonation depth in concrete after carbonation was also analyzed.The results show that the boundary between carbonated zone and uncarbonated zone is in the half-carbonated zone of concrete,where the content of calcium carbonate ranges from5.4%to10.8%when the carbonation depth is tested by the law of chemical reagents.Key words:concrete;carbonation;chloride;coupled function;diffusion在二氧化碳浓度较高的城市和工业环境中，由碳化引起的钢筋锈蚀是混凝土结构破坏的主要原因，而处于除冰盐环境和海洋环境的混凝土结构，氯离子侵蚀是导致钢筋锈蚀的主要诱因。

处于海洋环境尤其是海洋大气环境中的混凝土结构，长期受到氯离子侵蚀和碳化的双重作用，虽然引起混凝土中钢筋锈蚀的主要原因是氯离子侵蚀，但是碳化作用一方面会改变混凝土微观结构，从而影响氯离子的扩散进程。

并且会使原来对钢筋无害的结合氯离子转化为对钢筋有害的自由氯离子，从而加速氯离子的扩散速度，缩短混凝土中钢筋发生锈蚀的时间。

针对碳化与氯离子侵蚀双重作用下混凝土中的氯离子扩散性能，金祖权等[1]、苏卿等[2]、张鹏等[3]收稿日期：2013–02–23。

修订日期：2013–05–26。

基金项目：国家杰出青年科学基金(50725824)；陕西省“13115”科技创新工程项目；“陕西省大型混凝土工程耐久性监测与安全保障技术研究”(2010ZDKG-55)；国家自然科学青年基金(51108442)。

第一作者：牛荻涛(1963—)，男，教授。

通信作者：孙丛涛(1979—)，男，博士。

Received date:2013–02–23.Revised date:2013–05–26. First author:NIU Ditao(1963–),male,Professor. Correspondent author:SUN Congtao(1979–),male,Ph.D. E-mail:sunct0830@通过将碳化混凝土浸泡到腐蚀溶液方式进行了研究，分析了碳化对混凝土中氯离子分布的影响。

但是上述研究是通过先将混凝土碳化，再进行氯离子扩散的方式来考察碳化作用对氯离子扩散的影响，而处于海洋大气环境中的混凝土结构长期受到氯离子侵蚀和碳化的共同作用。

Tumidajski等[4]和Chin-daprasirt等[5]通过将混凝土浸泡在充入二氧化碳气体的腐蚀溶液方式进行了试验研究，分析了碳化作用对氯离子扩散的影响，但这又与混凝土碳化的气体腐蚀特征不符。

实际结构发生碳化时，环境中的二氧化碳气体先是通过孔隙进入混凝土内部，然后在有水分存在条件下发生碳化反应。

为更好模拟实际海洋大气环境，本研究采用盐溶液浸泡与碳化交替方式，通过测试混凝土中不同深度处的氯离子含量，研究碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响，并分析碳化混凝土中碳酸钙分布状况，为准确预测混凝土结构使用寿命奠定基础。

1实验1.1制备水泥为黑龙江省宾州水泥有限公司生产的虎鼎牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为青岛鲁青粉煤灰公司生产的Ⅱ级粉煤灰，细集料为细度模数2.62的河砂，粗集料为5～20mm的碎石。

混凝土配合比及抗压强度见表1。

表1混凝土配合比及抗压强度Table1Mix proportions and compressive strength of concrete Mix proportion/(kg·m–3)Compressive strength/MPa Cement Fly ash Sand Stone Water28d56d90d 303130602117019538.8847.9855.33按表1配合比制备尺寸为100mm×100mm×300mm的混凝土试件。

试件成型24h后拆模，放入标准养护室养护28d，然后置于自然环境中养护至90d，随后将试件2个正方形截面和3个长方形截面用环氧树脂涂刷密封，只留出一个长方形侧面作为渗透面。

将密封好的试件在3.5%氯化钠溶液中浸泡7d，取出用布擦除试件表面水分，置于50℃烘箱中烘2 d，取出冷却至室温后，将试件置于碳化箱中[二氧化碳浓度为(20±3)%，温度为(20±5)℃，湿度为(70±5)%]进行快速碳化。

试件C1、试件C2、试件C3分别碳化2、3、4d后取出，置于自然环境中分别晾3、2、1d，为1个循环，共进行10个循环，其中每2个循环取出相应试件测试其碳化深度、碳酸钙含量和氯离子含量，同时更换NaCl溶液。

切取试件中间100mm区段，沿渗透面用混凝土打磨机逐层磨取粉末，深度在0～10mm范围内每1mm取1个试样，深度大于10mm后每2mm 取1个试样，每个试样均要通过0.63mm的筛，然后置于(105±5)℃烘箱中烘2h，取出后放入干燥器中冷却至室温备用。

1.2测试1.2.1碳化深度按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)[6]中的方法测试试件的碳化深度。

1.2.2氯离子和碳酸钙含量按照《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270—98)[7]分别测试计算试样中自由氯离子和总氯离子占混凝土的质量百分比。

用碳酸钙含量数字压力分析仪(德国GMH3150)测试试样中的碳酸钙含量。

2结果与讨论2.1碳化混凝土中碳酸钙含量分析图1为不同循环制度下混凝土中碳酸钙含量随深度分布图，图2为混凝土中碳酸钙含量随深度分布示意图。

从图1可以看出，混凝土中的碳酸钙含量随着深度的增加而降低，其分布曲线可分为4个区段，如图2所示。

第一区段即表面浮浆层，碳酸钙含量随深度增加而急剧降低，这主要是因为混凝土表面浮浆层中的氢氧化钙含量相对于基体混凝土较高，碳化后生成的碳酸钙含量较高，由表及里随着浮浆量的减少，碳酸钙含量也随之降低，最终接近基体混凝土完全碳化时的碳酸钙含量；第二区段即基体混凝土完全碳化区，基体混凝土完全碳化区长度较小，但随着碳化时间的延长呈增大趋势，此区段碳酸钙的含量基本保持恒定，其值约为10.5%；第三区段即基体混凝土部分碳化区，部分碳化区的长度约为7～10mm，此区段碳酸钙含量随深度的增加而降低；第四区段即混凝土未碳化区，此区段中碳酸钙属于基体混凝土中原有的，碳酸钙含量基本恒定，其值约为3.5%。

总体上看，碳化时间对混凝土的影响主要体现在基体混凝土完全碳化区的长度变化上。

2.2混凝土碳化深度采用化学试剂法对混凝土碳化深度进行测试，测试结果见表2。

图3为混凝土碳化深度对比图。

图1混凝土中碳酸钙含量分布Fig.1Distribution of calcium carbonate content in concrete Samples C1-C3are concretes with the same mix proportions,carbonated for2,3,4d,respectively;–1,–2,–3,–4,–5represents2,4,6,8,10cycles,respectively.图2混凝土中碳酸钙含量分布图Fig.2Distribution of calcium carbonate content inconcrete图3混凝土碳化深度对比图Fig.3Comparison chart of carbonation depth in concrete表2混凝土的碳化深度Tabel2Carbonation depth of concreteSpecimenNo.Depth/mm2cycles4cycles6cycles8cycles10cyclesC18.337.528.5811.1512.05C2 5.288.8310.3113.6310.59C38.3511.447.9612.0513.66从图3可以看出，混凝土碳化深度随循环次数及碳化时间的增加呈增大趋势。