某供水工程混凝土表面碳化狀況調(diào)查分析

蔡杰龍,楊永民,2,張君祿(.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點(diǎn)科研基地,廣東 廣州 50635；2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 50640)

某供水工程混凝土表面碳化狀況調(diào)查分析

蔡杰龍1,楊永民1,2,張君祿1
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點(diǎn)科研基地,廣東 廣州 510635；
2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)

以廣東省內(nèi)某大型供水工程為背景,通過碳化深度測試、回彈法檢測混凝土性能,并結(jié)合各種微觀組成與結(jié)構(gòu)表征方法(TG/DSC、XRD、SEM和EDS)對(duì)現(xiàn)場鉆芯所取樣品進(jìn)行分析,從而綜合評(píng)價(jià)現(xiàn)場混凝土表面碳化現(xiàn)狀,以準(zhǔn)確把握現(xiàn)場建筑物混凝土表面碳化情況,同時(shí)為國內(nèi)同類工程混凝土表面碳化調(diào)查提供科學(xué)的參考依據(jù)。

混凝土；表面質(zhì)量；碳化；調(diào)查分析

1 概述

混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一,廣泛應(yīng)用在工業(yè)和民用建筑、交通設(shè)施和水利水電工程等領(lǐng)域中,其在確保建筑物安全有效運(yùn)行方面發(fā)揮極其關(guān)鍵的作用[1]。長期以來,混凝土材料以優(yōu)異的使用性能和良好的壽命見長,但本質(zhì)上是一種非均質(zhì)脆性材料,在自然環(huán)境下不可避免會(huì)受到水、二氧化碳、氯離子、硫酸鹽等介質(zhì)的侵蝕而老化、腐蝕,引起混凝土結(jié)構(gòu)劣化,使用壽命縮短[2-3]。

本供水工程輸水建筑物為混凝土結(jié)構(gòu),其混凝土表面已出現(xiàn)不同程度碳化、粉化等現(xiàn)象,并呈現(xiàn)逐漸劣化的趨勢。若任由碳化粉化和鋼筋銹蝕等缺陷進(jìn)一步發(fā)展,不僅工程整體外觀形象會(huì)受到損害,長此以往也將成為影響工程結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)行的潛在隱患。實(shí)際上,掌握混凝土結(jié)構(gòu)表面碳化情況,是判斷混凝土結(jié)構(gòu)是否進(jìn)一步劣化的關(guān)鍵。因此,鑒于本供水工程政治和經(jīng)濟(jì)方面的重要性,本文有必要對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)表面碳化情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià),為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除工程隱患,確保工程安全有效運(yùn)行提供重要的保障。

2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

2.1混凝土碳化深度

對(duì)現(xiàn)場不同部位的混凝土進(jìn)行鑿孔(直徑約為15 mm的孔洞,深度必須大于混凝土的碳化深度),除凈孔洞中的粉末和碎屑,采用濃度為1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞內(nèi)壁的邊緣處,當(dāng)已碳化與未碳化界限清楚時(shí),用游標(biāo)卡尺測量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離,每個(gè)側(cè)面測量不應(yīng)少于3次,取其平均值。每次讀數(shù)精確到0.1 mm。碳化深度測試具體方法參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.2混凝土抗壓強(qiáng)度

選取現(xiàn)場具有代表性的混凝土部位進(jìn)行檢測,每一個(gè)部位的測區(qū)(測區(qū)面積不宜大于0.04 m2)數(shù)不宜少于10個(gè),相鄰兩個(gè)測區(qū)間距不應(yīng)大于2 m,測區(qū)表面應(yīng)為混凝土原漿面。測量回彈值時(shí),回彈儀的軸線應(yīng)始終垂直混凝土檢測面,并應(yīng)緩慢施壓、準(zhǔn)確讀數(shù)、快速復(fù)位。每一個(gè)測區(qū)應(yīng)讀取16個(gè)回彈值,每一個(gè)測點(diǎn)回彈值讀數(shù)應(yīng)精確到1?；貜椏箟簭?qiáng)度具體方法參考標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.3混凝土面微觀組成與結(jié)構(gòu)分析

利用鉆機(jī)對(duì)現(xiàn)場具有代表性的混凝土表面進(jìn)行鉆孔取樣(鉆孔深度50 mm,芯樣直徑70 mm),現(xiàn)場芯樣標(biāo)記后進(jìn)行密封保存并送回室內(nèi)制樣,進(jìn)行下列相關(guān)微觀組成與結(jié)構(gòu)的分析。

2.3.1綜合熱分析

定量分析混凝土中碳化區(qū)與未碳化區(qū)的CaCO3和Ca(OH)2含量,表征現(xiàn)場混凝土面微觀組成成分變化情況。綜合熱分析包括差示掃描量熱法(DSC)和熱重法(TG)。

2.3.2X射線衍射分析

定量分析混凝土面碳化與未碳化層微觀礦物組成,采用荷蘭PANalytical公司X’Pert Pro型X-Ray衍射儀,Cu靶,石墨單色器,電壓為35 kV,狹縫寬度為0.3 mm,掃描速度為10 min,掃描范圍為5°～90°,波長為0.154 18 nm,電流為40 mA。

2.3.3掃描電鏡和能譜分析

用于觀察腐蝕后水化產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成變化,定性分析混凝土表面碳化與未碳化區(qū)微觀結(jié)構(gòu),能譜分析主要配合掃描電鏡分析結(jié)果進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)中的元素定量分析。采用德國ZEISS EVO 1,Germany掃描電鏡分析儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1混凝土碳化深度

分別選取本工程中3個(gè)具有代表性區(qū)域?qū)?yīng)的不同工程部位上的混凝土進(jìn)行碳化深度的檢測,利用混凝土碳化深度來表征混凝土表面碳化程度,檢測結(jié)果見表1所示。

表1 混凝土表面碳化深度測定記錄

根據(jù)檢測結(jié)果可知,3個(gè)代表性區(qū)域主體結(jié)構(gòu)的混凝土碳化程度較輕,碳化深度均在3.0 mm以內(nèi),而墩柱混凝土碳化深度則分別為4.4 mm、6.8 mm和7.4 mm,過渡段混凝土碳化深度分別為12.6 mm、7.2 mm和12.5 mm。3個(gè)代表性區(qū)域中,混凝土碳化深度最大可達(dá)12.6 mm。檢測結(jié)果表明,不同區(qū)域的混凝土碳化程度不同,且每個(gè)區(qū)域混凝土各部位的碳化粉化情況也并不一致。每一個(gè)區(qū)域中的混凝土碳化程度均是過渡段最為嚴(yán)重,墩柱次之,主體結(jié)構(gòu)最低。各個(gè)區(qū)域的主體結(jié)構(gòu)碳化基本一致,碳化程度較輕。墩柱混凝土碳化程度為區(qū)域③最為嚴(yán)重,區(qū)域②次之,區(qū)域①最低,而過渡段則區(qū)域①與③基本一致,區(qū)域②最低。

不同工程部位混凝土碳化程度不同,究其原因,除了與混凝土自身質(zhì)量有關(guān)(已建建筑物混凝土自身質(zhì)量已定,本文不再討論),主要取決于混凝土的使用環(huán)境。槽身雖同樣曝露大氣環(huán)境中,但受雨水淋灑洗刷較少,而且整體陽光輻射量相較其它部位要少,因此在混凝土碳化過程中,氫氧化鈣與二氧化碳反應(yīng)生成的覆蓋于混凝土表面的碳酸鈣溶蝕流失較慢,即碳化速率相對(duì)較慢,碳化深度較?。欢罩m同樣受到雨水淋洗及陽光輻射,而墩柱和過渡段不僅面臨較多的雨水和陽光,而且其上方積累的大量雨水對(duì)其進(jìn)行的沖刷,加速了整個(gè)碳化過程。

3.2混凝土抗壓強(qiáng)度

利用回彈法對(duì)代表性區(qū)域進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測,檢測結(jié)果如表2所示。其中,測區(qū)混凝土強(qiáng)度根據(jù)3.1節(jié)所測混凝土碳化深度值進(jìn)行換算。

表2 回彈法測得混凝土抗壓強(qiáng)度推定值

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出,3個(gè)代表性區(qū)域混凝土強(qiáng)度均保持良好,仍能滿足設(shè)計(jì)要求。其中強(qiáng)度推定值以區(qū)域①最高,區(qū)域②次之,區(qū)域①最低,但相差甚微。

3.3混凝土表面組成及微觀結(jié)構(gòu)分析

3.3.1混凝土物相組成分析

分別取3個(gè)代表性區(qū)域芯樣各1組,根據(jù)現(xiàn)場測得的碳化深度,按照碳化區(qū)和非碳化區(qū)分別磨粉取樣,對(duì)樣品進(jìn)行測試,得到的XRD圖譜如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場混凝土X射線衍射圖分析

通過對(duì)圖1進(jìn)行分析,可以得到3個(gè)代表性區(qū)域混凝土的碳化區(qū)和未碳化區(qū)的水泥水化產(chǎn)物如表3所示。

表3 混凝土表面水泥水化產(chǎn)物

根據(jù)檢測結(jié)果可知,3個(gè)代表性區(qū)域碳化區(qū)都能觀察到明顯的方解石峰(CaCO3),說明混凝土表面經(jīng)過10多年的運(yùn)行時(shí)間,表面至里一定深度范圍內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物與CO2發(fā)生反應(yīng),碳化生成方解石。而未碳化區(qū)中能看到常規(guī)的水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2、水化硅酸鈣(C-S-H)和少量二水石膏,說明此區(qū)域未出現(xiàn)碳化,與現(xiàn)場所測得的碳化深度結(jié)果較為吻合。

3.3.2混凝土組成成分分析

利用TG-DSC綜合熱分析法可以定性、定量分析不同深度處的CaCO3和Ca(OH)2含量,以表征混凝土未碳化區(qū)和已碳化區(qū)組成成分的變化情況,所得到結(jié)果如圖2所示。

(a)碳化區(qū) (b)非碳化區(qū)

(1)代表性區(qū)域①

(a)碳化區(qū) (b)非碳化區(qū)

(2)代表性區(qū)域②

(a)碳化區(qū) (b)非碳化區(qū)

(3)代表性區(qū)域③

圖2 混凝土表面碳化區(qū)與未碳化區(qū)綜合熱分析對(duì)比

通過對(duì)圖2進(jìn)行分析,可以得到3個(gè)代表性區(qū)域混凝土的碳化區(qū)和未碳化區(qū)的水泥水化產(chǎn)物如表4所示。

表4 混凝土的CaCO3與Ca(OH)2含量對(duì)比分析

根據(jù)3個(gè)代表性區(qū)域混凝土綜合熱分析結(jié)果可知,在200 ℃以下有一個(gè)DSC吸熱峰和TG質(zhì)量失重區(qū)域,這個(gè)區(qū)域主要是水分的蒸發(fā)；在400 ℃～500 ℃之間有一個(gè)DSC吸熱峰和TG質(zhì)量失重區(qū)域,這個(gè)區(qū)域主要為Ca(OH)2晶體受熱分解,釋放水蒸氣；在 400 ℃～500 ℃之間有一個(gè)DSC吸熱峰,這個(gè)區(qū)域主要為石英晶體受熱發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,具體為β-SiO2向α-SiO2轉(zhuǎn)變；在600 ℃～800 ℃之間有一個(gè)DSC吸熱峰和TG質(zhì)量減小區(qū)域,這個(gè)區(qū)域主要為CaCO3晶體受熱分解,釋放CO2氣體。

綜合熱分析定量分析結(jié)果表明,未碳化區(qū)內(nèi)CaCO3的含量很少,表明未碳化區(qū)域內(nèi)并未發(fā)生碳化反應(yīng),或碳化反應(yīng)較微弱；完全碳化區(qū)內(nèi)CaCO3含量較高,表明碳化程度較大,生成大量的CaCO3。同時(shí),對(duì)比同一區(qū)域中混凝土碳化區(qū)與未碳化區(qū),未碳化區(qū)在400 ℃～500 ℃之間的吸熱峰都比碳化區(qū)的要大,這是Ca(OH)2晶體分解結(jié)構(gòu)水的吸熱峰,表明未碳化區(qū)的Ca(OH)2含量明顯多于碳化區(qū)的,Ca(OH)2未與CO2發(fā)生反應(yīng)。

3.3.3混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)不同區(qū)域混凝土碳化深度測試結(jié)果,對(duì)混凝土現(xiàn)場取回芯樣表面碳化區(qū)和內(nèi)部新鮮斷層進(jìn)行取樣后進(jìn)行掃描電鏡分析,觀察碳化區(qū)與未碳化區(qū)的結(jié)構(gòu)和微觀形貌的變化。

圖3、5和7分別為代表性區(qū)域①、②和③混凝土未碳化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和形貌；圖4、6和8分別表示代表性區(qū)域①、②和③混凝土已碳化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。

圖3 區(qū)域①未碳化區(qū)(1 000 x)

圖4 區(qū)域①已碳化區(qū)(1 000 x)

圖5 區(qū)域②未碳化區(qū)(1 000 x)

圖6 區(qū)域②已碳化區(qū)(1 000 x)

圖7 區(qū)域③未碳化區(qū)(1 000 x)

圖8 區(qū)域③已碳化區(qū)(1 000 x)

根據(jù)表征結(jié)果可知,區(qū)域①混凝土未碳化區(qū)域較碳化區(qū)域結(jié)構(gòu)致密,碳化區(qū)域已出現(xiàn)疏松多孔結(jié)構(gòu),如圖3和圖4所示。究其原因,這與現(xiàn)場混凝土運(yùn)行年限有關(guān)?，F(xiàn)場混凝土運(yùn)行至今10多年,混凝土已進(jìn)行充分的水化反應(yīng),內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的水泥石的孔洞較少且細(xì)小,C-S-H凝膠基本將六方片狀Ca(OH)2晶體包裹,凝膠與晶體間構(gòu)成的微界面及內(nèi)部大量微空隙均被填實(shí),形成較為密實(shí)的連續(xù)體。而混凝土表面的碳化區(qū)總體比較疏松多孔,主要源于混凝土中水化產(chǎn)物Ca(OH)2與大氣環(huán)境中過量的CO2反應(yīng),首先生成不溶于水的碳酸鈣使結(jié)構(gòu)致密,由于表面碳化區(qū)域長期受外界環(huán)境的侵蝕,包括酸雨、酸性氣體和溫濕交替循環(huán)等,CaCO3在有水的情況下繼續(xù)與CO2進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)生成可溶性的Ca(HCO3)2,其在雨水沖刷下逐漸發(fā)生鈣質(zhì)流失,導(dǎo)致混凝土表面逐漸變得疏松多孔并逐漸粉化。同樣,區(qū)域②和③的混凝土也呈現(xiàn)相同的規(guī)律,其中,區(qū)域②的混凝土表面碳化區(qū)域溶蝕孔洞直徑可達(dá)5 μm。其檢測對(duì)比結(jié)果如圖5和圖6、圖7和圖8所示。

為進(jìn)一步分析3個(gè)代表性區(qū)域的混凝土表面碳化區(qū)域形貌特征,又在放大5 000倍的電鏡下對(duì)表面微觀形貌進(jìn)行觀察。

圖9 區(qū)域①碳化區(qū)(5 000 x)

圖10 區(qū)域②碳化區(qū)(5 000 x)

圖11 區(qū)域③碳化區(qū)(5 000 x)

圖9～圖11是通過掃描電子顯微成像分析得到的碳化區(qū)的顯微形貌。由檢測結(jié)果可知,3個(gè)代表性區(qū)域的混凝土表面均能明顯觀察到呈棱柱狀或柱狀型的方解石晶體,而且其大量積聚在一起,覆蓋在整個(gè)結(jié)構(gòu)的表面。這是因?yàn)樘蓟０l(fā)生在混凝土的空隙區(qū),CO2通過混凝土的孔隙由表及里擴(kuò)散,并在擴(kuò)散的過程中與混凝土中的水化產(chǎn)物(主要是Ca(OH)2)發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3。隨著齡期的不斷延長,CaCO3不斷積聚并最終大量覆蓋在結(jié)構(gòu)表面,這表明混凝土已出現(xiàn)明顯碳化。

為證明渡槽混凝土碳化區(qū)域化學(xué)組成成分為CaCO3,本試驗(yàn)選取圖10中某一代表性特征點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,得到該點(diǎn)的元素組成,結(jié)果如圖12及表5所示。由表征結(jié)果可知,Ca、C、O的原子百分比組成接近1∶1∶3,與CaCO3原子比例一致,說明所觀察到的微觀形貌為方解石(CaCO3)。

圖12 能譜分析(EDS)結(jié)果

元素COMgAlSiKCaFe總量質(zhì)量百分比/%13.2550.040.412.715.410.4526.621.12100原子百分比/%21.0659.730.321.923.680.2212.680.38/

4 結(jié)語

1) 本供水工程3個(gè)代表性區(qū)域的混凝土表面均存在不同程度的碳化,其中過渡段最嚴(yán)重,墩柱次之,主體結(jié)構(gòu)(槽身)最輕,過渡段碳化深度最大達(dá)到了12.6 mm。

2) 本工程混凝土運(yùn)行已超過10 a,但是主體結(jié)構(gòu)(槽身)的混凝土抗壓強(qiáng)度保持較好,滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 混凝土表層結(jié)構(gòu)能觀察到明顯的方解石峰(CaCO3),說明現(xiàn)場混凝土經(jīng)過10多年的運(yùn)行,表面至里一定深度范圍內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物與CO2發(fā)生反應(yīng),碳化生成方解石。

4) 混凝土未碳化區(qū)較碳化區(qū)結(jié)構(gòu)致密,其中碳化區(qū)結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)疏松多孔的現(xiàn)象。

[1] 蔡杰龍,楊永民,陳澤鵬，等.混凝土表面防護(hù)材料應(yīng)用分析[J].廣東水利水電,2014(11)：67-71．

[2] 柳俊哲.混凝土碳化研究與進(jìn)展(1)——碳化機(jī)理及碳化程度評(píng)價(jià)[J].混凝土,2005(10)：10-13．

[3] 謝東升.高性能混凝土碳化特性及相關(guān)性能的研究[D].南京：河海大學(xué),2005．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Investigation Analysis on the Concrete Surface Carbonation of A Water-providing Engineering

CAI Jielong1,2, YANG Yongmin1,2,3, ZHANG Junlu1,2

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower;2.Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangzhou 510635, China;3.South China University of Technology, School of Materials Science and Engineering, Guangzhou 510640, China)

On the background of the large hydraulic project in Guangdong Province, carbonation degree test and kick-back compressive strength test are carried out to check the performance of concrete in the paper. Besides, all kinds of microanalysis methods(TG/DSC, XRD, SEM and EDS) are taken for the coresample to comprehensively analyze and evaluate the condition of concrete surface carbonation in the engineering. All the tests above not only exactly evaluate the condition of concrete surface Carbonation but also provide scientific lesson and reference for the similar project.

concrete; surface quality; carbonation; investigation analysis

2016-08-03;

2016-09-07

蔡杰龍(1987)，男，碩士，工程師，主要從事水泥混凝土及外加劑等建筑材料研究。

TU528