摘 要:通过对现场同条件养护试块力学性能、碳化性能和抗氯离子渗透性能的测试，评价车站混凝土结构在碳化环境下的耐久性能，并对车站顶板、底板和侧墙混凝土结构进行了使用寿命预测。结果表明:现场同条件养护试块的抗压强度和抗渗透性能满足设计要求，电通量值处于较低水平; 不同配合比的混凝土抗碳化性能有一定差别，随着龄期的增长混凝土的碳化速度系数呈逐渐降低的趋势; 碳化环境下地铁工程车站混凝土能满足 100 年的设计使用寿命。

关键词:碳化 耐久性 碳化速度系数 同条件养护 车站混凝土

 

      混凝土碳化是大气中的二氧化碳向混凝土内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙反应，生成碳酸盐或其他物质，使混凝土原有的强碱性( pH = 12. 5 ～ 13. 5) 降低，进而造成钢筋表面的钝化膜破坏而发生锈蚀。

      的混凝土发生碳化可能性更大，原因是地下车站环境相对封闭、人流密集，车站内部空气中二氧化碳的浓度较高，温湿度相对比较恒定。对于本研究的依托工程宁波轨道交通工程来说，地下车站运营期间的平均温度预计为 25 ℃ ～28 ℃，平均相对湿度为 40% ～80%，处于碳化最容易发生的温湿度范围。因此有必要对地铁工程混凝土碳化环境下的使用寿命进行评估。

      研究表明，影响碳化的主要因素有环境相对湿度、温度、CO₂浓度、水灰比、水泥用量、矿物掺合料和养护条件等。以上研究大多都是在室内试验基础上得出，所用材料和碳化环境与实际工程有较大差别。因此本研究采用现场留样同条件养护试块进行模拟试验来对碳化环境下地铁车站混凝土的使用寿命进行评估。

 

      本研究以宁波轨道交通工程为依托，在某地下车站混凝土施工时对车站底板、侧墙和顶板混凝土现场随机取样，制成150 mm ×150 mm ×150 mm 试块，各取样 12 组，其配合比见表 1。为模拟现场构件的服役环境，将所取的试块与现场构件采用相同的早期养护，养护结束后放置于施工现场暴露，并标记好暴露面，到规定龄期后对试块进行抗压强度、抗渗透性能和碳化深度测试。

      混凝土抗压强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081—2002) 测试。混凝土抗渗透性能测试采用电通量法，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》( GB/T 50082—2009) 测试。混凝土碳化深度按照《建筑结构检测技术标准》( GB/T 50344—2004) 测试，即将混凝土垂直于暴露面劈开后滴定酚酞溶液，在碳化最为严重的面上选取 10个点，取平均值作为该试块的碳化深度。

 

      现场同条件养护试块在 28 d、180 d、360 d、450 d和 540 d 龄期分别进行了抗压强度测试，试验结果见表 2。由表 2 可知，28 d 抗压强度大于设计强度，并有一定富余。随着龄期的增长，混凝土抗压强度总体呈上升趋势。由于离散性，个别试块的抗压强度增长较小，甚至略微降低。试块配合比中掺入了 30% ～37%的矿物掺合料，随着龄期的增长，掺合料后期水化效应发生，混凝土抗压强度较 28 d 龄期会有一定增长。

      现场暴露试块碳化深度见表 3。由表 3 可知，各组的碳化深度与混凝土强度等级有一定的关系，顶板混凝土( C40P8) 在相同龄期碳化深度均低于底板和侧墙混凝土( C35P8) ; 同时，随着龄期的增长，混凝土的碳化深度逐渐增大。两种结构碳化深度的差异可能是由于水胶比和掺合料用量不同所致，顶板混凝土水胶比和掺合料用量均低于底板和侧墙混凝土。

 

 

      现场暴露试块电通量测试结果见表 4。由表 4 可见，所有试块不同龄期的电通量值均 ＜1 000 C，处于较低水平，表明混凝土密实性较好。两组配合比在相同龄期的电通量值有一定差别，总体上顶板混凝土( C40P8) 略低于底板和侧墙混凝土( C35P8) ，主要是由于两者的水胶比有一定差异，水胶比相对较小的配合比电通量值较低。

      混凝土内部的孔结构和孔隙率与其强度和渗透性等有直接关系。文献［1-2］指出，混凝土的渗透性是由其微观结构决定的，如混凝土的孔隙率、孔径分布，以及骨料—基体界面区的矿物组成等。混凝土中不同孔径的孔对其渗透性的作用不同，一般认为，混凝土的毛细孔越大，其强度越低，渗透性也越大。为了更好地分析现场同条件养护试块性能的差异，取样进行了孔结构测试。测试采用 AUTOPORE 9500 IV 型压汞仪，在经过暴露试验试样的未碳化区域提取直径为5 ～10 mm 的砂浆颗粒，测量不同孔径的进汞量，计算出其总孔隙率。

      组别为 CD 和 DB 混凝土在 60 d 和 360 d 龄期时的孔结构对比见表 5 和图 1。由表 5 可知，在相同的龄期，CD 混凝土的总孔隙率均大于 DB 混凝土。同时，随着龄期的增长，混凝土内部未水化胶凝材料继续水化，混凝土中孔径细化，CD 混凝土的总孔隙率由 60d 龄期的 16. 0% 降至 360 d 龄期的 14. 3% ; DB 混凝土总孔隙率由 13. 4% 降至 10. 8%。这验证了随着龄期的增长两种混凝土的抗碳化性能和抗渗透性能提高。

      由图 1 可见，在 60 d 龄期设计强度为 C35 和 C40的混凝土孔隙率差别较大，CD 混凝土中仍存在有较多的大孔; 而 DB 混凝土平均孔径明显低于 CD 混凝土，孔径1 000 nm 以上的大孔基本消失。360 d 龄期时，两种混凝土的大孔数量都相对较大的下降，而 CD 混凝土内部的大孔和毛细孔总体高于 DB 混凝土，这也正是 DB 混凝土抗碳化性能和抗渗透性能优于 CD 混凝土的原因所在。

 

      碳化环境下钢筋锈蚀的前提条件是钢筋表面因混凝土保护层碳化而脱钝，因此混凝土中钢筋开始锈蚀时间常常被确定为碳化深度到达钢筋表面的时间。本研究以“从混凝土结构开始暴露于碳化环境中至碳化引发钢筋开始腐蚀所经历的时间”为使用寿命。

      本研究采用基于 Fick 第一定律建立的理论模型( 式 1) 来进行碳化环境下的使用寿命预测，考虑不同配合比对碳化速度系数的影响，碳化速度系数随时间的变化以及施工过程中保护层厚度的偏差。

 

式中，X( t) 为碳化深度，mm; k 为碳化速度系数，是反映碳化速度快慢的综合参数，mm·年^{－ 1/2}; t 为碳化时间，年。

      根据表 3 中现场预留试块不同龄期的碳化深度，按照式( 1) 进行每个龄期即时碳化速度系数与时间曲线的拟合，结果见图 2。由图 2 可知，随着龄期的增长，即时碳化速度系数均呈降低趋势，这与文献［3-4］中的结论一致。碳化速度系数的大小受到正负两方面的影响，“负作用”表现为掺合料的二次水化会消耗掉部分 Ca( OH)₂，导致混凝土内部碱度降低，混凝土抗碳化性能减弱; “正作用”表现为掺合料的二次水化会细化孔结构，降低孔隙率，前述的孔结构分析就验证了这一点。当“正作用”大于“负作用”时就表现为碳化速度系数随着龄期而降低。

      考虑碳化速度系数会随龄期增长而降低，本研究取较长龄期( 540 d 龄期) 的即时碳化速度系数来进行寿命预测，将侧墙、底板和顶板混凝土 540 d 龄期的即时碳化速度系数分别取为 3. 10 和 2. 78，这会使预测结果具有一定的安全裕度。考虑目前龄期下混凝土已经有部分发生碳化，同时根据设计资料，侧墙、底板和顶板背土面保护层厚度均为 40 mm，考虑施工水平和现场施工过程中存在 8% 的偏差，保护层厚度均取36. 8 mm，按照式( 2) 进行使用寿命预测。

t = ［( c － ΔX) / k］²    ( 2)

式中，c 为保护层厚度，mm; ΔX 为已知龄期下的碳化深度，mm; t 为剩余使用寿命，年。

      对于侧墙和底板的混凝土剩余使用寿命 t₁=［( 36. 8 －3. 8) /3. 10］²= 113. 3 年; 对于顶板混凝土剩余使用寿命 t₂= ［( 36. 8 － 3. 4) /2. 78］²= 144. 3 年。

      因此，地铁车站侧墙、底板和顶板在碳化环境下的使用寿命可满足 100 年的设计使用要求。

 

      1) 现场预留同条件养护车站混凝土试块抗压强度和抗氯离子渗透性能满足设计要求，电通量值处于较低水平。

      2) 不同配合比的车站混凝土抗碳化性能有一定差别，但随着龄期的增长其碳化速度系数均呈现逐渐降低趋势。

      3) 经对现场同条件养护试块的测试数据预测，该车站混凝土侧墙、底板和顶板混凝土在碳化环境下的使用寿命可满足 100 年的设计使用要求。

 

［1］STEICHER P E，ALEXANDER M G． A chloride conduction test for concrete［J］． Cement and Concrete Research，1995，25( 6) :1284-1294．

［2］李淑进，赵铁军，吴科如． 混凝土渗透性与微观结构关系的研究［J］． 混凝土与水泥制品，2004( 4) : 6-8．

［3］郭文山，刘建忠． 混凝土暴露于自然环境的介质渗透性演变规律研究［J］． 混凝土与水泥制品，2009( 4) : 54-57．

［4］陈树东，孙伟，张云升，等． 粉煤灰混凝土二维、三维碳化深度的预测［J］． 东南大学学报: 自然科学版，2007，37( 4) : 646-650．