环境气候条件下混凝土碳化速度研究

摘　要:主要侧重于环境气候条件(温度、相对湿度) 对混凝土的碳化速度规律进行研究，并提建立了考虑环境温、湿度气候条件的混凝土碳化模型。

关键词：环境；气候条件；混凝土；碳化速度

1 　实验方案

     考虑的混凝土碳化影响因素主要为环境气候因素，即环境温度、相对湿度，另外加上混凝土的水灰比共三种因素，每种因素取6 个水平。为加快混凝土碳化速度，环境CO2浓度统一设定为20 % ，混凝土碳化时间统一设定为240h。

      考虑到自然界中混凝土的碳化是一个相对较为缓慢的物理、化学过程，为节约实验时间，同时能够达到实验的目的，本实验同样采用“均匀设计”法来设计实验方案。根据加速碳化试验所考虑的因素数和水平数，选择均匀设计表中的U6 (64 ) 表进行试验设计，总共只需6 组实验即可以达到预期的目的。具体的人工气候条件组合如表1 所示。

2 　实验过程与实验方法

      水泥采用淮南矿务局水泥厂生产的普通硅酸盐水泥R325 ， 砂采用河砂，石子采用碎石，粒径10～20mm。混凝土采用6 种配合比，如表2 所示。

表2 　混凝土配合比表

编号配合比(C ∶S ∶G∶W)

A 1 ∶0. 85 ∶1. 89 ∶0. 35

B 1 ∶1. 12 ∶2. 26 ∶0. 42

C 1 ∶1. 75 ∶2. 98 ∶0. 55

D 1 ∶1. 90 ∶3. 53 ∶0. 59

E 1 ∶2. 21 ∶4. 28 ∶0. 63

F 1 ∶2. 94 ∶5. 53 ∶0. 74

　　试件采用100 ×100 ×100mm3 试块，每种配合比试件制作6 组，每组3 块，在表1 所示每种气候条件6 种配合比试件各放1 组。碳化实验室里根据设定目标自动控制环境的温度、相对湿度、CO2浓度三项指标，温度控制范围0～60 ℃，偏差±1 ℃，相对湿度控制范围40 %～95 % ，偏差±2 % ，CO2 浓度0～50 %(体积浓度) ，精度±0. 1 %。

　　混凝土人工气候加速碳化的具体过程如下：①试件脱模后即放入标准养护室( T = 20 ℃±3 ℃、RH ≥95 %) 内养护28 天；② 试件养护完毕后即取出放在室内自然环境，任取6 种配合比试件各1 组放入105 ℃烘箱内烘干48h ，冷却至常温，保留试件成型时的相对两侧面，其余各表面采用石蜡密封；③将试件放入按表1 设定好温湿度气候条件、CO2 浓度的碳化室内进行碳化，在碳化过程中每24h 检查一次碳化箱内CO2浓度，并随时进行补充以保证CO2的浓度在20 % ±1 %；④碳化240h 后将试件取出，采用压力机沿碳化面劈裂，将试块一分为二，然后用1 %酚酞乙醇指示液喷于断裂面，从试件表面到变色边界每边采用钢尺量测三处混凝土碳化深度，以其算术平均值作为该试块的碳化深度，取3 块试件的算术平均值作为该组试件的碳化深度。⑤其余每组人工气候条件的混凝土加速碳化均重复以上②～ ④过程。

3 　基于混凝土碳化机理的混凝土碳化模型建立

      采用1 %酚酞乙醇指示液喷洒后的某一人工气候条件下的6 种试件断面混凝土碳化深度显示(部分) 的典型照片如图1 所示。同时，6 种人工气候条件下的混凝土试件碳化深度实测结果如表3 所示。

　　从表3 可以看出，虽然碳化时间、碳化箱内CO2浓度均相同， 但是6 种人工气候条件下的混凝土碳化深度存在明显的差异。首先对于同一种气候条件，6 种水灰比的试件其碳化深度存在差异，随着混凝土水灰比的增大混凝土碳化深度存在明显增大的趋势，这与人们常规的认识是吻合的；其次对于同一种混凝土水灰比的试件，6 种气候条件下的混凝土碳化深度各不相同。由于本文采用的是均匀设计实验方案，故混凝土碳化深度随气候条件的变化规律不能直接看出，需要通过回归分析获得。根据混凝土碳化的理论模型式、通用混凝土碳化公式：

w/ c ———混凝土水灰比。

对回归方程(8) 的显著性统计检验(方差分析) 结果如表4 所示。

　　从表4 可以看出，回归方程(8) 的显著性统计量F = 344. 74 > F(3 ，32) (0. 01) = 4. 40 ，故方程(8) 在显著性水平α= 0. 01 下是可信的。

对回归方程(8) 的回归系数的显著性检验如表5 所示：

　　从表5 可以看出，回归方程(8) 各影响因素的回归系数均是非常显著的，显著性水平均在α= 0. 01 以上。同时从各因素的T 值可以看出，环境温度对单位时间的混凝土碳化速度影响最大；混凝土水灰比次之次之；环境相对湿度影响相对较小。

　　从表1 任取一环境气候条件(温度40 ℃、相对湿度30 %RH) 同时取CO2 浓度20 %、碳化时间240h ，利用所建立的回归方程(8) 可获得混凝土水灰比- 混凝土碳化深度的对比关系曲线如图2 所示。

　　已有的研究成果[1 ] 表明:混凝土的水灰比决定着混凝土的孔隙率，从而决定着混凝土这种多孔介质材料的抗渗能力。一般来讲，混凝土水灰比越大，则混凝土内部的孔隙率越大，从而液体或气体在混凝土内部的扩散系数越大；反之混凝土水灰比越低， 则混凝土内部的孔隙率越低，从而液体或气体在混凝土内部的扩散系数越小。从图2 可以看到，混凝土的碳化速度同混凝土的水灰比的关系正是反映了这种规律，即随着混凝土水灰比的增大，混凝土的碳化速度显著提高。比如随着混凝土的水灰比从0. 35 增大到0. 74 ，混凝土的碳化深度提高了约2. 8 倍。根据已建立的混凝土碳化深度预测模型(8) 可以对环境气候条件对混凝土碳化速度影响的规律进行研究。比如，环境CO2浓度均保持20 %不变，碳化时间240 小时，混凝土水灰比取0. 55 ， 分别固定环境相对湿度而改变环境温度即可以获得混凝土碳化深度- 环境温度的变化曲线如图3 所示；同理可以获得混凝土碳化深度- 环境相对湿度的变化曲线如图4 所示。

　　从图3 和图4 可以看出，环境温湿度气候条件对混凝土的碳化速度具有明显的影响，而且环境温度对混凝土碳化速度的影响高于环境相对湿度。环境相对湿度不变，随着环境温度的升高，混凝土的碳化速度显著增大，比如，对应70 %RH ，环境温度从10 ℃提高到50 ℃，混凝土的碳化速度提高了近3 倍；而环境温度不变，随着环境相对湿度的增大，混凝土的碳化速度显著减小， 比如对应20 ℃，环境相对湿度从50 %增大到90 % ，混凝土的碳化速度降低了约22 %。

     由混凝土的碳化机理过程可知混凝土的碳化速度由以下几个步骤所控制：CO2 从外部环境进入混凝土内部的扩散速度；CO2与混凝土内部可碳化物质的化学反应速度；可碳化物质[ 主要为Ca (OH) 2 ]的迁移速度。以上3 个环节中每个过程速度的提高均有助于混凝土碳化速度的提高，反之，则有助于混凝土碳化速度的降低。环境温度、相对湿度对混凝土碳化速度的影响主要体现在：

      随着环境温度的升高，CO2 的扩散速度提高，混凝土碳化的化学反应速度提高，可碳化物质的迁移速度也在提高；而随着环境相对湿度的提高，混凝土内部的孔隙水饱和度将增大，这将阻碍CO2在混凝土内的扩散速度，同时由混凝土碳化的化学反应方程可知，混凝土的碳化反应是一个释放水的反应，故随着混凝土内部水分的增多，也将影响混凝土碳化化学反应的进行。故随着环境相对湿度不变而环境温度升高，混凝土的碳化速度将增大；而随着环境温度不变环境相对湿度增大，混凝土的碳化速度将降低。

      虽然本文所进行的是人工气候条件下的混凝土碳化速度研究，即恒定温湿度气候条件下混凝土碳化速度的研究，而自然气候条件下环境的温湿度气候条件是瞬时多变的，从这一点讲，人工气候与自然气候存在着不同。但是根据已有的对两种气候条件下碳化后混凝土的物相分析、微观孔结构分析研究结果表明：两种气候条件下的混凝土碳化产物、碳化后混凝土微观孔结构变化都是非常一致的，从而可以认为两种气候条件下混凝土的碳化机理是相同的，人工气候条件下混凝土的碳化同自然气候条件下混凝土的碳化存在相关关系。因此利用人工气候条件所获得的混凝土碳化速度预测模型可以适用于自然气候条件下混凝土的碳化深度预测。

3 　结论

     通过本实验研究与回归分析可以得到如下结论：

　　(1) 环境的温度对混凝土的碳化速度具有重要影响，二者近似呈正比关系。在10 ℃～60 ℃的环境温度范围，随着环境温度的升高，混凝土的碳化速度明显增大；反之，随着环境温度的下降，混凝土的碳化速度明显降低。

　　(2) 环境相对湿度对混凝土的碳化速度也具有重要影响，二者近似呈反比关系。在45 %～95 %RH 的环境相对湿度范围，随着环境相对湿度的增大，混凝土的碳化速度降低；反之，随着环境相对湿度的减小，混凝土的碳化速度增大。

　　(3) 混凝土的碳化速度同混凝土的水灰比成正比。随着混凝土水灰比的增大，混凝土碳化速度显著提高；反之，随着混凝土水灰比的下降，混凝土的碳化速度明显降低。

　　(4) 在基于混凝土碳化机理的基础上，通过回归分析建立了考虑环境温湿度气候条件的混凝土碳化模型：

参考文献：

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