王蕾，范新陽(yáng)，王劭琨

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006）

隨著中國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，高速公路建設(shè)不斷向西部多山地區(qū)延伸，公路隧道呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。雖然公路隧道的數(shù)量和里程逐年增加，但也有越來(lái)越多的隧道開(kāi)始帶病運(yùn)營(yíng)，其中鋼筋銹蝕是造成隧道襯砌劣化的最主要原因，而影響鋼筋銹蝕的顯著因素為碳化作用。碳化對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性有著非常嚴(yán)重的影響，為提高襯砌結(jié)構(gòu)的抗碳化性能，建立有效的碳化預(yù)防措施，對(duì)碳化成因的發(fā)掘和碳化深度的預(yù)測(cè)是不可或缺的，這2 個(gè)問(wèn)題同時(shí)也是碳化研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文首先對(duì)混凝土的碳化機(jī)理進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論了影響混凝土碳化的主要因素，同時(shí)針對(duì)公路隧道特殊的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有的碳化深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分析比對(duì)，以便選取更為適合公路隧道實(shí)際情況的碳化深度預(yù)測(cè)模型。

1 碳化機(jī)理

混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，是混凝土受到化學(xué)腐蝕后pH 值降低、化學(xué)成分改變的過(guò)程。混凝土是以水泥為主要膠凝材料，摻以砂、石、水、外加劑等組分，在攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，由于蒸發(fā)、收縮等原因會(huì)在內(nèi)部形成許多互相連通的毛細(xì)管和孔隙結(jié)構(gòu)，混凝土所處環(huán)境中的二氧化碳?xì)怏w通過(guò)這些孔隙結(jié)構(gòu)滲透進(jìn)入混凝土并在其內(nèi)部擴(kuò)散。而孔隙水中含有大量水泥水化過(guò)程中所產(chǎn)生的氫氧化鈣和水化硅酸鈣，其pH 值約為12～13，上述物質(zhì)與二氧化碳會(huì)發(fā)生系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，以致混凝土的pH 值不斷降低，最終降至8.5～9.0，主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

對(duì)于素混凝土來(lái)說(shuō)，碳酸鈣和二氧化硅的生成填充了原有的孔隙，減小了混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙比，提高了其密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，水泥水化后會(huì)形成一個(gè)高堿環(huán)境，在此環(huán)境下，鋼筋表面會(huì)形成一層鈍化膜，保護(hù)鋼筋不被銹蝕，然而當(dāng)混凝土pH 值下降時(shí)，鈍化膜將被破壞，無(wú)法保護(hù)鋼筋，最終影響到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，當(dāng)混凝土pH 值≥9.88 時(shí)，鋼筋表面開(kāi)始生成鈍化膜；當(dāng)pH 值≥11.5 時(shí)，鈍化膜完整生成，因此，為保證鋼筋不被銹蝕，混凝土pH 值必須不低于11.5。

2 碳化影響因素

相關(guān)理論分析和試驗(yàn)研究表明[3-5]，混凝土碳化主要受3 方面的影響：材料因素、環(huán)境因素和施工因素。

2.1 材料因素

2.1.1 水泥品種

不同品種的水泥，其化學(xué)成分和堿性物質(zhì)含量也有所不同，且水泥硬化后結(jié)構(gòu)的孔隙率也差異明顯，這些均會(huì)影響到混凝土的碳化速率和程度。不同品種水泥的碳化速率從小到大依次為：早強(qiáng)硅酸鹽水泥小于普通硅酸鹽水泥小于摻混合材的水泥，其中，摻混合材水泥的碳化速率隨混合材摻量的增大而增大。

2.1.2 水泥用量

水泥用量的多少?zèng)Q定堿性物質(zhì)含量的多少，同時(shí)增加水泥用量還可以改善混凝土結(jié)構(gòu)的和易性，增強(qiáng)。其密實(shí)度，所以對(duì)于同一種水泥而言，混凝土的碳化速率將隨水泥用量的增大而減小

2.1.3 水灰比

水灰比對(duì)混凝土的孔隙率影響極大，在混凝土凝結(jié)的過(guò)程中，水分蒸發(fā)后其所占有的空間將形成毛細(xì)管或孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)水灰比增大時(shí)，用水量會(huì)隨之增大，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙率也將進(jìn)一步增大，碳化速率自然而然會(huì)隨之增大。方璟等[6]發(fā)現(xiàn)水灰比小于0.65時(shí)，碳化深度與水灰比呈線性相關(guān)；水灰比大于0.65后，碳化深度將快速增大。蔣利學(xué)[7]指出高水灰比時(shí)碳化深度與水灰比呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2.1.4 摻合料

目前常用的摻合料為粉煤灰，一方面，粉煤灰中含有一定的活性物質(zhì)，和水泥中的堿性物質(zhì)相遇后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另一方面，粉煤灰的使用降低了水泥的用量，進(jìn)一步減少了混凝土中的堿性儲(chǔ)備。因此粉煤灰等量取代水泥越多，其碳化速率越快。

2.1.5 骨料

骨料的粒徑大小對(duì)混凝土的凝結(jié)有很大影響，由于輕骨料氣泡多、透氣性好，所以碳化速率高于普通混凝土，而采用粗骨料會(huì)影響與水泥漿的結(jié)合，采用細(xì)骨料增大了接合面面積，均增大了碳化速率，所以應(yīng)選擇合適粒徑的骨料。

2.1.6 外加劑

減水劑和引氣劑是常用的外加劑。減水劑可以減少用水量，提高混凝土的密實(shí)度，引氣劑能使混凝土中的毛細(xì)管形成互不連通的孔隙，抑制二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散，選擇優(yōu)質(zhì)的外加劑可以降低碳化速率。

2.1.7 混凝土保護(hù)層

保護(hù)層是指從混凝土表面到鋼筋外邊緣的混凝土結(jié)構(gòu)，增加保護(hù)層厚度和提高保護(hù)層密實(shí)度都可提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 環(huán)境因素

2.2.1 二氧化碳濃度

二氧化碳直接參與混凝土碳化的全過(guò)程，其對(duì)碳化的影響是不言而喻的。二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散是由濃度梯度所控制的，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量就越大，碳化速率也就越快。相關(guān)研究表明[8]，混凝土的碳化深度與二氧化碳濃度的平方根呈正相關(guān)。

2.2.2 溫度

溫度會(huì)影響到氣體的擴(kuò)散系數(shù)，溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)增大，碳化速率也會(huì)隨之升高；溫度還會(huì)影響到二氧化碳和氫氧化鈣在水中的溶解，其溶解度與溫度成正比。清華大學(xué)[9]提出的溫度對(duì)碳化的影響公式如下：

2.2.3 相對(duì)濕度

環(huán)境介質(zhì)的相對(duì)濕度直接影響混凝土的孔隙水含量。當(dāng)相對(duì)濕度較小時(shí)，碳化反應(yīng)因缺少水分速率降低；當(dāng)相對(duì)濕度過(guò)大時(shí)，孔隙中的水會(huì)在一定程度上減緩二氧化碳的擴(kuò)散蔓延，從而降低混凝土的碳化速率。清華大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[9]，碳化速率與相對(duì)濕度為拋物線關(guān)系，環(huán)境濕度處于40%～60%時(shí)碳化速率較高，王建強(qiáng)[10]指出當(dāng)相對(duì)濕度為53%時(shí)，碳化深度最大。

2.3 施工因素

施工和養(yǎng)護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響混凝土的密實(shí)程度，施工質(zhì)量不好或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙率增大，甚至出現(xiàn)裂縫、蜂窩、空洞等，加速了碳化反應(yīng)。

3 公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)碳化深度預(yù)測(cè)模型比選

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了眾多碳化深度預(yù)測(cè)模型[11-13]，這些模型對(duì)混凝土的碳化研究具有重要的參考和借鑒意義，但多數(shù)模型是基于建筑物或公路、橋梁推導(dǎo)而來(lái)，對(duì)公路隧道特殊的運(yùn)營(yíng)環(huán)境而言，是否適用尚待進(jìn)一步驗(yàn)證，如何在眾多繁雜的預(yù)測(cè)模型中選擇適合公路隧道特點(diǎn)的模型，對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化耐久性設(shè)計(jì)影響巨大[14]。根據(jù)肖佳等[15]的研究成果，應(yīng)優(yōu)先考慮基于碳化試驗(yàn)所建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｒ虼?，本文選取代表性的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)實(shí)例計(jì)算對(duì)不同模型進(jìn)行比選。

萬(wàn)小梅模型[18]公式為：

以某隧道碳化深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[20]，分別采用上述4 種預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1 所示，將計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖1 所示。

圖1 碳化深度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

表1 不同模型碳化深度計(jì)算值結(jié)果

由圖表可知，4 種模型的預(yù)測(cè)效果都比較好，相對(duì)而言，萬(wàn)小梅模型和武海榮模型的誤差更小一些，考慮武海榮模型的離散性更小，推薦武海榮模型作為公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化深度預(yù)測(cè)模型。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化耐久性開(kāi)展研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)對(duì)材料、環(huán)境、施工等影響因素的深入分析推動(dòng)了襯砌結(jié)構(gòu)抗碳化性能的進(jìn)一步提升。在對(duì)不同碳化深度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化深度預(yù)測(cè)時(shí)，武海榮模型的整體誤差和離散性更小一些。下一步將重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)碳化的環(huán)境影響因素，以期為公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化耐久性設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。