邱國興 莫 林

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530001

在我國部分含侵蝕性CO2地下水地區(qū)，混凝土基礎(chǔ)受到侵蝕性CO2腐蝕，造成該環(huán)境條件下混凝土基礎(chǔ)的破壞，影響混凝土基礎(chǔ)的耐久性。目前，國內(nèi)外對(duì)含侵蝕性CO2地下水環(huán)境條件下混凝土碳化的研究并不多。Gerven[1]、郭高峰[2]通過在溶液中充入純CO2氣體模擬侵蝕性CO2地下水環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，侵蝕性CO2地下水導(dǎo)致混凝土中Ca2＋的加速溶出，降低了混凝土抗碳化性能。趙卓等[3]、王健[4]采用原位浸泡方法開展碳化試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，混凝土在侵蝕性CO2地下水環(huán)境下發(fā)生明顯碳化，混凝土水膠比越大，碳化深度越大。

混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型可根據(jù)混凝土的配合比和所處環(huán)境CO2含量建立，并據(jù)此確定基礎(chǔ)混凝土配合比。阿列克謝耶夫[5]、Papadakis[6-7]基于Fick第一定律推導(dǎo)建立了由CO2含量控制的經(jīng)典碳化理論模型，岸谷孝一[8]通過研究分析水灰比、外摻料等因素對(duì)碳化的影響建立了基于多種影響因素的碳化深度預(yù)測(cè)模型。牛建剛等[9]通過對(duì)不同水泥品種粉煤灰和礦粉取代量計(jì)算出混凝土的可碳化物質(zhì)并據(jù)此建立了碳化深度預(yù)測(cè)模型。然而，這些模型適用條件均為一般大氣環(huán)境。因此，有必要結(jié)合不同含量侵蝕性CO2地下水的工程實(shí)例，開展混凝土原位碳化試驗(yàn)，研究不同配合比因素與碳化深度間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)混凝土抗碳化年限，進(jìn)而指導(dǎo)該環(huán)境下的混凝土基礎(chǔ)施工。

1 工程概況

南寧市嶺秀一方項(xiàng)目地下3層，基礎(chǔ)埋深13.7 m，地下水位－7.6 m，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)加筏板，地勘報(bào)告顯示其地下水侵蝕性CO2含量為41.67 mg/L，工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a。南寧市婦幼保健院項(xiàng)目地下3層，基礎(chǔ)埋深17.9 m，地下水位－5.8 m，基礎(chǔ)形式為筏板形式，地下室外墻為地下連續(xù)墻，地勘報(bào)告顯示其地下水侵蝕性CO2含量為54.42 mg/L，工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a。梧州市嘉揚(yáng)國際三期項(xiàng)目地下2層，基礎(chǔ)埋深11.3 m，地下水位－6.1 m，基礎(chǔ)形式為筏板形式，地下室外墻為整體現(xiàn)澆，地勘報(bào)告顯示其地下水侵蝕性CO2含量為77.18 mg/L，工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a。經(jīng)后期送樣檢測(cè)，3個(gè)項(xiàng)目地下水侵蝕性CO2含量與地勘報(bào)告一致。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土碳化受自身材料組成和環(huán)境因素影響，在配合比方面，混凝土水膠比、粉煤灰摻量和礦渣摻量均能影響混凝土碳化；而在環(huán)境方面，本文著重以混凝土所處地下水中的侵蝕性CO2含量作為影響因素進(jìn)行研究。

因此，本文選擇水膠比（W/B）、粉煤灰摻量（FA）和礦渣摻量（SG）3個(gè)參數(shù)作為材料因素進(jìn)行混凝土制備，選取侵蝕性CO2含量（C）因素作為環(huán)境因素進(jìn)行原位浸泡，其中每個(gè)因素選取3個(gè)水平（表1）。

3 試驗(yàn)原材料

本文試塊制備工作在預(yù)拌混凝土供應(yīng)商攪拌站進(jìn)行。所用原材料為P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥（南寧海螺牌）和Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)礦渣（均為南寧國電生產(chǎn)）。粗骨料采用連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2 643 kg/m3，粒徑范圍為6.0～29.8 mm；細(xì)骨料采用機(jī)制砂，表觀密度為2 370 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.2。其中膠凝材料具體參數(shù)如表2～表4所示。

表2 水泥化學(xué)成分含量/%

表3 粉煤灰性能指標(biāo)

表4 礦渣性能指標(biāo)

4 試件制備與試驗(yàn)開展

4.1 試件制備與養(yǎng)護(hù)齡期

根據(jù)表1中3種材料因素及對(duì)應(yīng)3種水平按正交設(shè)計(jì)制備9組不同配合比混凝土，每組配合比包含3個(gè)試塊（表5）。混凝土制備采用高性能混凝土攪拌方法[10]，先將水泥、粉煤灰、礦渣與河砂投入攪拌機(jī)，干拌30 s；再往干拌均勻后的混合料中加入約80%的水和減水劑的混合液，拌90 s；最后加入碎石和剩余水與減水劑的混合液攪拌90 s。

表5 混凝土碳化試件正交配合比

采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的試模成型長方體混凝土試件，1 d后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20 ℃±2 ℃，濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)26 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，利用烘干設(shè)備對(duì)試塊進(jìn)行烘干，烘干溫度60 ℃，烘干時(shí)間2 d。

4.2 原位侵蝕試驗(yàn)

對(duì)烘干后試件的2個(gè)長端面進(jìn)行環(huán)氧樹脂密封，剩下4個(gè)表面暴露不處理。9組別試件每組取一塊對(duì)應(yīng)放置于一個(gè)項(xiàng)目的含侵蝕性CO2地下水坑中進(jìn)行浸泡。浸泡過程在同一時(shí)段進(jìn)行，同時(shí)對(duì)浸泡溫度和侵蝕性CO2含量持續(xù)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示3個(gè)項(xiàng)目浸泡溫度基本一致，各項(xiàng)目侵蝕性CO2含量與表1一致。浸泡齡期達(dá)28 d后取出各試塊，參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，用圖像法[11]測(cè)定各試塊碳化深度（表6）。

表6 各項(xiàng)目混凝土28 d碳化深度/mm

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 關(guān)系分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得碳化深度與侵蝕性CO2含量、水膠比、粉煤灰摻量及礦渣摻量關(guān)系（圖1～圖4）。

圖1 碳化深度與侵蝕性CO2含量的關(guān)系

圖2 碳化深度與水膠比的關(guān)系

圖3 碳化深度與粉煤灰摻量的關(guān)系

圖4 碳化深度與礦渣摻量的關(guān)系

由圖可知，在含侵蝕性CO2地下水環(huán)境條件下，各個(gè)水膠比水平下的混凝土28 d碳化深度基本隨著侵蝕性CO2含量的增大而增大，在41.67～54.42 mg/L濃度區(qū)間，由于濃度變化幅值較小，碳化深度增長并不明顯；而在侵蝕性CO2含量從54.42 mg/L增加到77.18 mg/L時(shí)，各水膠比水平下的混凝土碳化深度均有明顯的增加。

碳化深度基本隨水膠比的增大而增大。在2個(gè)較低的侵蝕性CO2含量水平中，粉煤灰摻量為15%的混凝土碳化深度隨水膠比先增大后減小，但整體呈增大趨勢(shì)。碳化深度均隨粉煤灰摻量的增大而增大。碳化深度隨礦渣摻量的變化并無一致規(guī)律，當(dāng)混凝土水膠比為0.4時(shí)，各侵蝕性CO2含量水平下碳化深度隨礦渣摻量的增大而增大；當(dāng)混凝土水膠比為0.5時(shí)，各侵蝕性CO2含量水平下碳化深度先隨礦渣摻量的增大而減小，后隨礦渣摻量的增大而增大；當(dāng)混凝土水膠比為0.6時(shí)，各侵蝕性CO2含量水平下碳化深度先隨礦渣摻量的增大而增大，后隨礦渣摻量的增大而減小。

5.2 預(yù)測(cè)分析

參考已有混凝土碳化服役預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚12]，對(duì)含侵蝕性CO2環(huán)境下的混凝土抗碳化年限進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果如表7所示。由表7可見，針對(duì)3個(gè)實(shí)際工程，本文所用9組配合比制備的混凝土抗碳化年限均大于50 a，耐久性中的抗碳化指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)使用年限。

6 結(jié)語

本文對(duì)含侵蝕性CO2地下水環(huán)境中的混凝土碳化進(jìn)行了研究分析，研究了水膠比、粉煤灰摻量、礦渣摻量和侵蝕性CO2含量對(duì)混凝土碳化深度的影響。研究結(jié)果表明，水膠比、粉煤灰摻量和礦渣摻量均對(duì)碳化深度有顯著影響，混凝土28 d碳化深度隨侵蝕性CO2含量的增大而增大，隨水膠比的增大而增大，隨粉煤灰摻量的增大而增大；而對(duì)于礦渣摻量，碳化深度并未隨其摻量變化顯示一致規(guī)律。根據(jù)28 d碳化深度預(yù)測(cè)所得的混凝土抗碳化年限能夠滿足設(shè)計(jì)使用年限。本文研究可以用于指導(dǎo)實(shí)際工程中含侵蝕性CO2地區(qū)的混凝土基礎(chǔ)施工。

表7 各項(xiàng)目混凝土抗碳化年限/a