孟軍濤

（中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

碳化深度對(duì)回彈法檢測混凝土強(qiáng)度的影響

孟軍濤

（中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

碳化深度對(duì)回彈法檢測的混凝土強(qiáng)度推定值有很大影響。本文介紹了混凝土的碳化原理及混凝土碳化的影響因素，并通過模型試驗(yàn)研究碳化深度偏大對(duì)強(qiáng)度推定值準(zhǔn)確性的影響，分析由于碳化修正引起強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差的原因。建議進(jìn)一步研究碳化深度對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響，提高回彈法檢測的可靠性。

混凝土強(qiáng)度；碳化深度；回彈法

回彈法作為檢測混凝土強(qiáng)度的一種較普遍的方法，因其操作方便快捷且對(duì)結(jié)構(gòu)無損害而大量被應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)混凝土檢測中［1-3］?；貜椃ㄊ峭ㄟ^檢測混凝土表面硬度，然后結(jié)合碳化深度進(jìn)行換算，最后通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到混凝土抗壓強(qiáng)度推定值。隨著高性能混凝土的大量應(yīng)用，不但由于外部環(huán)境中的酸性氣體和一次水化產(chǎn)物氫氧化鈣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致混凝土碳化，而且高性能混凝土中的摻合料也能消耗氫氧化鈣，造成碳化深度加深。對(duì)于碳化深度在回彈法檢測中的應(yīng)用國內(nèi)不少學(xué)者提出了質(zhì)疑，在實(shí)際工程檢測中經(jīng)常出現(xiàn)因碳化深度過大導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度推定值與鉆芯試樣抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差，甚至出現(xiàn)使用回彈法對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土作出的評(píng)價(jià)與鉆芯結(jié)果相悖的現(xiàn)象。碳化深度較大時(shí)，混凝土強(qiáng)度推定值修正前后差異較大，例如回彈值為48 MPa未碳化時(shí)強(qiáng)度推定值為60 MPa，但碳化深度平均值不小于6mm時(shí)強(qiáng)度推定值僅為36 MPa，兩者相差40%。本文針對(duì)碳化深度對(duì)混凝土強(qiáng)度推定值的影響進(jìn)行分析探討。

1　混凝土的碳化原理

混凝土碳化是周圍環(huán)境中的CO2等酸性氣體與水泥石水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、氫氧化鈣（Ca（OH）2）等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鹽導(dǎo)致混凝土中性化的現(xiàn)象。化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣溶解度為63×10-6，其溶液pH值為8.5，而1%酚酞溶液在pH值＞9.0時(shí)呈紅色，＜9.0時(shí)呈無色，因此可通過測量變色分界面得到碳化深度值。

2　碳化深度的影響因素

混凝土碳化過程中，碳化深度隨時(shí)間增長而變大。張令茂等［4］對(duì)自然碳化的試驗(yàn)研究表明，碳化深度與時(shí)間的冪函數(shù)成正比關(guān)系。除此之外，由于碳化主要是CO2溶于水后在混凝土孔隙內(nèi)壁與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此碳化深度與施工時(shí)振搗養(yǎng)護(hù)、混凝土的密實(shí)性、含水率、自然環(huán)境中CO2濃度、水泥品種、用量、水灰比、骨料品種級(jí)配、摻合料、外加劑等有關(guān)。其中摻合料對(duì)其影響有2方面：①減小水泥用量使水化產(chǎn)物中的可碳物質(zhì)減少，且發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣，導(dǎo)致碳化深度加大；②二次水化的填充效應(yīng)提高了混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土的抗碳化性能。

3　碳化深度試驗(yàn)研究

分別制作普通混凝土和高性能混凝土模型，尺寸均為250 cm×50 cm×40 cm。齡期28，56，90和180 d時(shí)在模型前后兩面進(jìn)行回彈試驗(yàn)以及碳化深度的測量，且在模型頂面鉆取芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

3.1碳化深度

碳化深度測量方法是：首先，采用適當(dāng)?shù)墓ぞ咴跍y區(qū)表面形成直徑15 mm的孔洞，其深度應(yīng)大于混凝土的碳化深度，清除孔洞中的粉末和碎屑，且不得用水擦洗；然后采用濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液滴在空洞內(nèi)壁的邊緣處，當(dāng)已碳化與未碳化界線清晰時(shí)，采用碳化深度測量儀測量交界面到混凝土表面的垂直距離。

各齡期平均碳化深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1?？梢钥闯?，隨著齡期變大碳化深度逐漸增大，且由于高性能混凝土摻合料集料填充效應(yīng)，以及二次水化產(chǎn)物有效封閉了孔隙，密實(shí)性要比普通混凝土好，因此高性能混凝土碳化深度較普通混凝土小。但由于二次水化消耗氫氧化鈣，導(dǎo)致后期碳化深度仍然較大。

3.2回彈強(qiáng)度推定值與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

根據(jù)高性能混凝土與普通混凝土各齡期的回彈值和碳化深度可以換算碳化后的回彈強(qiáng)度推定值（表2和表3）?？梢婟g期180 d的回彈強(qiáng)度推定值比56 d的小，這與鉆芯法得到的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相反。因此又按無碳化（即碳化深度為0）的情況進(jìn)行換算，得到無碳化時(shí)回彈強(qiáng)度推定值。分別對(duì)各回彈強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度作相關(guān)分析，見圖1。可見，經(jīng)碳化深度修正后回彈強(qiáng)度推定值隨著齡期增加反而減小，導(dǎo)致與鉆芯法抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差，而按照無碳化情況推算兩者相關(guān)性較好。

表1　各齡期碳化深度mm

表2　高性能混凝土各齡期回彈強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度值對(duì)比MPa

表3　普通混凝土各齡期回彈強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度值對(duì)比MPa

圖1　混凝土碳化前后回彈強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性

4　分析與探討

4.1碳化深度測量的準(zhǔn)確性

碳化深度測量最常用的方法為酚酞指示劑法，除此之外還有熱分析法、X射線物相分析法、紅外光譜法［5］。由于酚酞指示劑法較后幾種方法簡單、方便快捷，適合于現(xiàn)場檢測，現(xiàn)行規(guī)范將其作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。但混凝土碳化是逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散的，未碳化和完全碳化之間還存在碳化進(jìn)行區(qū)域，導(dǎo)致指示劑變色分界面不明顯，因此測量得到的碳化深度為近似值。

由于混凝土碳化變脆，導(dǎo)致碳化測量鉆孔時(shí)出現(xiàn)孔口邊緣不齊整，孔內(nèi)可見粗骨料或者測量角度不同都會(huì)影響測量的碳化深度。

4.2碳化深度值的真實(shí)性

碳化深度與時(shí)間的冪函數(shù)成正比關(guān)系，根據(jù)混凝土保護(hù)層厚度可以預(yù)測混凝土的使用年限。實(shí)際檢測中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)齡期300 d以上的混凝土碳化深度值≥6 mm的現(xiàn)象，由此預(yù)測該混凝土使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)年限，這一現(xiàn)象反證了碳化深度值偏大。

為了配制高性能、高耐久性混凝土，必須加入大量摻合料，如磨細(xì)礦粉、粉煤灰、硅灰等。這些摻合料在二次水化時(shí)會(huì)消耗大量的氫氧化鈣，導(dǎo)致碳化深度偏大，甚至出現(xiàn)滴入酚酞試劑不變色現(xiàn)象。因此，測量得到的碳化深度值為外部環(huán)境和內(nèi)部水化2方面共同作用的結(jié)果。模型試驗(yàn)中高性能混凝土和普通混凝土碳化修正后與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差，且不進(jìn)行修正反而與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較好，可以看出混凝土由于水化消耗氫氧化鈣對(duì)碳化深度影響很大，而外部環(huán)境中CO2與混凝土中堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起碳化的這部分作用很小，甚至由于表面密實(shí)性好在短時(shí)間內(nèi)不碳化。

4.3碳化修正的必要性

混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度提高，延性降低，其靜力彈性模量的變化正比于強(qiáng)度的變化，具有明顯的脆性。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］分別從理論推導(dǎo)和試驗(yàn)得到完全碳化后混凝土的本構(gòu)關(guān)系，均得出完全碳化后峰值應(yīng)力有所增加，前者增加60%，后者增加10%～40%?；谏鲜鼋Y(jié)論，按現(xiàn)行規(guī)范碳化深度＞6 mm時(shí)的碳化修正可以認(rèn)為混凝土表面完全碳化，且應(yīng)比未碳化的混凝土強(qiáng)度提高40%。但由模型試驗(yàn)鉆芯法抗壓強(qiáng)度結(jié)果可以看出，高性能混凝土和普通混凝土在碳化深度值很大時(shí)，混凝土表面剛度并沒有增加太多，不滿足完全碳化的情況或者碳化前后混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度差異達(dá)不到40%，因此建議適當(dāng)減小或者不進(jìn)行碳化修正。

5　結(jié)論與建議

1）碳化深度過大時(shí)，利用現(xiàn)行規(guī)范修正導(dǎo)致回彈法混凝土強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差。

2）測量碳化深度值需要更細(xì)致，增加測量次數(shù)，避開脆性缺口或可見粗骨料的位置，減小測量誤差，保證碳化深度值的準(zhǔn)確性。

3）根據(jù)碳化深度與時(shí)間的關(guān)系，采用齡期對(duì)碳化深度值進(jìn)行校核，得到真正引起混凝土表里強(qiáng)度差異的碳化深度值。

4）建議通過試驗(yàn)研究高性能混凝土回彈強(qiáng)度推定值與鉆芯法抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，減小由于摻合料水化作用增大碳化深度值，導(dǎo)致回彈強(qiáng)度推定值不滿足設(shè)計(jì)要求的誤判現(xiàn)象。

5）建議進(jìn)一步研究各種強(qiáng)度混凝土碳化深度值對(duì)強(qiáng)度的影響，確?；貜棌?qiáng)度推定值的可靠性。

6）建議通過試驗(yàn)研究與現(xiàn)場檢測相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)有規(guī)范中通過碳化深度換算的強(qiáng)度推定值進(jìn)行修訂。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］張智.鉆芯法與回彈法在隧道襯砌強(qiáng)度檢測中的應(yīng)用分析［J］.鐵道建筑，2014（5）：60-62.

［3］胡在良，李晉平，張佰戰(zhàn).混凝土強(qiáng)度鉆芯法檢測與評(píng)定的若干問題分析［J］.鐵道建筑，2012（11）：131-135.

［4］張令茂，江文輝.混凝土自然碳化及其與人工加速碳化的相關(guān)性研究［J］.西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，22（3）：207-214.

［5］徐飛，陳正，莫林.混凝土碳化試驗(yàn)與碳化深度測定方法的對(duì)比分析［J］.工程與試驗(yàn)，2013（4）：27-31.

［6］魯莉，梁發(fā)云，劉祖華.砼碳化后的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［J］.住宅科技，1999（4）：28-30.

［7］徐善華，朱文治，崔煥平.完全碳化混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究［C］//第22屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第Ⅱ冊）.烏魯木齊：中國力學(xué)學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)委員會(huì)，2013.

（責(zé)任審編李付軍）

Influence of Carbonization Depth on Concrete Strength Inspected with Rebound Method

MENG Juntao
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Carbonization depth has influence on estimation of concrete strength with rebound method.T he principle of the concrete carbonization and the relevant factors were introduced.Influence of over-estimated carbonization depth on estimation accuracy of concrete strength was studied through model experimental tests.T he poor correlation between the estimated value from carbonization depth and the measured coring concrete compressive strength was analyzed.It suggests a further study on the influence of carbonization depth on high performance concrete is required to improve the reliability of rebound method.

Concrete strength；Carbonization depth；Rebound method

TU317+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.35

1003-1995（2016）10-0133-03

2016-03-25；

2016-04-19

孟軍濤（1983—），男，助理研究員。