【摘要】文章重點(diǎn)對(duì)混凝土凍融和碳化性能的研究現(xiàn)狀、研究的必要性及國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳化方面目前的系列研究成果做了論述。
【關(guān)鍵詞】?jī)鋈?；鋼纖維混凝土；碳化
一、混凝土抗凍融性能研究現(xiàn)狀及其研究的必要性
?。ㄒ唬┗炷羶鋈谄茐臋C(jī)理的研究
混凝土的凍融破壞機(jī)理研究始于20世紀(jì)30年代，1945年美國(guó)混凝土專家TC·Powers等人從混凝土亞微觀層次入手，分析了孔隙水對(duì)孔壁的作用，提出了靜水壓理論和滲透壓理論。TC·Powers等人的研究工作為凍融破壞機(jī)理莫定了理論基礎(chǔ)。目前提出的混凝土凍融破壞機(jī)理有以下幾種：水的離析層理論、靜水壓理論、滲透壓理論、充水系數(shù)理論、臨界飽水值理論和孔結(jié)構(gòu)理論，其中具有代表性的是靜水壓理論。
（二）混凝土抗凍性的主要影響因素
混凝土的抗凍性與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期、混凝土的強(qiáng)度等許多因素有關(guān)。而混凝土的孔結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度又取決于混凝土的水灰比、有無(wú)外加劑和養(yǎng)護(hù)方法等?；炷量箖鲂缘闹饕绊懸蛩赜校?nbsp;
1．水灰比:對(duì)于非引氣混凝土，隨著水灰比的增大，抗凍耐久性明顯降低。
2．含氣量：含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要影響因素，加入最佳量的引氣劑形成在砂漿中均勻分布的氣孔對(duì)提高混凝土的抗凍性尤為重要。
3．混凝土的飽水狀態(tài)：一般認(rèn)為含水量小于孔隙總體積的91.7%就不會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力。
4．混凝土的受凍齡期:混凝土的抗凍性隨其齡期的增長(zhǎng)而提高。
5．水泥品種：混凝土的抗凍性隨水泥活性增高而提高。
6．骨料質(zhì)量：混凝土骨料對(duì)混凝土抗凍性影響主要體現(xiàn)在骨料吸水率及骨料本身的抗凍性。吸水率大的骨料對(duì)抗凍性不利。
?。ㄈ┗炷羶鋈谛阅苎芯康谋匾院鸵饬x
中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)興建了大量的混凝土工程，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞問(wèn)題日益突出，這不僅影響正常的生產(chǎn)和工作，甚至危及到工程的安全運(yùn)行。
1985年水電部關(guān)于混凝土耐久性的調(diào)查總結(jié)報(bào)告中指出：水工混凝土的凍融破壞在三北地區(qū)（即東北、華北和西北）的工程中占100%。這些大型混凝土工程的運(yùn)行時(shí)間一般在30年左右，有的甚至不到20年，港口碼頭工程特別是接觸海水的工程受凍現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。這些工程中，北方港口混凝土受到的凍融破壞較華東地區(qū)更嚴(yán)重，破壞的結(jié)構(gòu)主要是防波堤、胸墻、碼頭和棧橋等。采用普通混凝土的部分結(jié)構(gòu)，經(jīng)十幾年的運(yùn)行就產(chǎn)生了凍融破壞以致不能發(fā)揮作用。地處寒冷地區(qū)的混凝土建筑，包括水電站、廠房、橋梁、路面等，接觸了雨水、蒸汽或受滲水作用的部分，也都會(huì)受到凍融破壞。由此可見(jiàn)，混凝土凍融破壞是引起混凝土結(jié)構(gòu)老化病害的主要原因之一，嚴(yán)重影響混凝土建筑物的長(zhǎng)期使用和安全運(yùn)行。為使這些建筑物繼續(xù)發(fā)揮作用，每年都會(huì)消耗巨額的維修費(fèi)用。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，混凝土安全使用期和維護(hù)使用期的比例是1:3～10，而維護(hù)使用期的費(fèi)用是建設(shè)期的1～3倍。因此，開(kāi)展對(duì)混凝土凍融領(lǐng)域的研究有其現(xiàn)實(shí)意義。
二、混凝土碳化性能研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代，國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，在混凝土碳化方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究及理論分析。首先，在混凝土碳化機(jī)理方面已經(jīng)取得了比較統(tǒng)一完整的認(rèn)識(shí)。其次，對(duì)于混凝土碳化影響因素、人工加速碳化以及碳化深度檢測(cè)方面也有了全面的了解。基于這些研究成果，各國(guó)工程界相繼都把碳化作為混凝土耐久性的一個(gè)主要方面納入了設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)際混凝土學(xué)術(shù)界已舉辦過(guò)多次有關(guān)混凝土碳化的學(xué)術(shù)討論會(huì)，國(guó)際水泥化學(xué)會(huì)議也報(bào)導(dǎo)了混凝土碳化研究的進(jìn)展，并且每次都有相當(dāng)數(shù)量關(guān)于混凝土碳化的論文發(fā)表，并從不同角度提出了碳化深度的計(jì)算模型。我國(guó)在混凝土碳化方面的研究起步較晚，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究混凝土碳化與鋼筋的銹蝕問(wèn)題，通過(guò)快速碳化試驗(yàn)、長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)以及實(shí)際工程調(diào)查，研究混凝土碳化的影響因素與碳化深度預(yù)測(cè)模型，并且取得了可喜的研究成果。
?。ㄒ唬┗炷撂蓟挠绊懸蛩?nbsp;
從混凝土碳化的物理化學(xué)過(guò)程可以知道，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小。具體分析，影響混凝土碳化的因素可分為：材料因素、環(huán)境因素和施工因素三大類。材料因素包括水灰比、水泥品種和用量、骨料品種與級(jí)配、外加劑等，主要通過(guò)影響混凝土的堿度來(lái)影響混凝土碳化；環(huán)境因素包括環(huán)境相對(duì)濕度、溫度、壓力以及CO2濃度等，主要通過(guò)影響碳化反應(yīng)的發(fā)生條件來(lái)影響混凝土碳化速度的；施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)等條件的影響，主要通過(guò)影響混凝土密實(shí)性來(lái)影響混凝土碳化[1]。
?。ǘ┨蓟疃葴y(cè)定方法
碳化深度的測(cè)定有三種方法：X射線法、酚酞試劑測(cè)試法和彩虹指示劑法。X射線法要用專門的儀器，不僅能夠測(cè)到完全碳化的深度，還能測(cè)到部分碳化的深度，適用于試驗(yàn)室的精確測(cè)測(cè)量。酚酞試劑測(cè)試法只能測(cè)到完全碳化深度，但操作簡(jiǎn)單，適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。彩虹指示劑測(cè)試方法可以根據(jù)反應(yīng)的顏色判別不同的PH值（PH=5-13）。因而也可用來(lái)測(cè)定完全碳化和未完全碳化的深度。由此可見(jiàn)混凝土碳化的測(cè)定方法已比較成熟。
（三）碳化混凝土力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀
對(duì)碳化混凝土力學(xué)性研究結(jié)果表明，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，對(duì)抗震不利。同濟(jì)大學(xué)建筑改造加固研究所的一組試驗(yàn)結(jié)果明顯地表明了這種影響，給出了典型的碳化混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系對(duì)比曲線，對(duì)這一現(xiàn)象的解釋是碳化造成混凝土空隙率下降，提高了混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度提高。
?。ㄋ模┨蓟炷恋谋緲?gòu)關(guān)系
碳化混凝土的本構(gòu)關(guān)系目前研究較少。同濟(jì)大學(xué)范子彥采用室內(nèi)快速碳化制作了三組不同強(qiáng)度等級(jí)的試件，測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，通過(guò)碳化區(qū)域面積比α來(lái)考慮截面碳化部分的面積，并用系數(shù)β來(lái)反映混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響，得出部分截面碳化的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，但沒(méi)有反映出碳化混凝土下降段的特性。同濟(jì)大學(xué)李檢保進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，測(cè)出了應(yīng)力—應(yīng)變曲線的下降段，由試驗(yàn)結(jié)果得出考慮下降段的完全碳化混凝土的本構(gòu)關(guān)系。
（五）混凝土碳化對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響
碳化使混凝土的堿度降低，碳化后，完全碳化區(qū)的pH值由13左右降至9以下，鋼筋表面的鈍化膜可能發(fā)生破壞而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。鐵銹的體積一般要增長(zhǎng)2～4倍，對(duì)結(jié)構(gòu)造成三方面的不利影響:
1．鐵銹的生成造成鋼筋截面減小，構(gòu)件承載能力降低；
2．鐵銹體積膨脹，使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用；
3．鐵銹將破壞鋼筋與混凝土的粘結(jié)，鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力降低，甚至造成整個(gè)構(gòu)件失效。
由此可見(jiàn)，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響十分嚴(yán)重。通過(guò)研究碳化速度，估計(jì)出碳化至鋼筋表面所需要的時(shí)間，從而確定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性或保護(hù)層厚度。
【參考文獻(xiàn)】
[1]謝曉鵬．鋼纖維混凝土凍融和碳化性能試驗(yàn)研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2004，（6）．
[2]牛荻濤．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．
[3]李文偉，陳文耀．混凝土碳化深度預(yù)測(cè).第五屆全國(guó)混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C]．大連：混凝土耐久性專業(yè)委員會(huì)，2000．
[4]覃維祖．混凝土的碳化和耐久性.第五屆全國(guó)混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C]．大連：混凝土耐久性專業(yè)委員會(huì)，2000.
[5]魏寶明，儲(chǔ)煒，汪鷹，等．腐蝕科學(xué)與防腐蝕工程技術(shù)新進(jìn)展[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999．
