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魏 宇，陈 庞，张桂林，戎 贤，赵文忠
(1.河北工业大学，土木与交通学院，天津 300401；
2.国网河北省电力有限公司,石家庄 050000)
清水混凝土是一次浇筑成型,不做任何外装饰,直接采用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面的混凝土[1]。清水混凝土直接暴露于外部环境中，空气中CO2容易渗透到混凝土内部与碱性物质发生碳化反应生成碳酸盐和水，从而降低混凝土碱性，破坏混凝土中钢筋表面的钝化膜，引发钢筋锈蚀膨胀，降低钢筋与混凝土界面的黏结性能，导致结构力学性能退化，甚至引发建筑结构灾难性破坏[2-4]。碳化对混凝土耐久性能的影响至关重要，为此诸多学者对混凝土的抗碳化性能做出了研究。Shah等[5]利用混凝土的弯曲度和水泥含量推导出抗碳化系数来测量混凝土抗碳化性能，为繁琐和耗时的碳化试验提供了一种替代方法。Cai等[6]通过对比试验，找出了清水混凝土在不同配合比下抗碳化性能的差异。Lollini等[7]研究了超过12年养护龄期的不同黏结剂、水胶比和养护条件下的混凝土碳化情况，研究表明黏合剂类型和水胶比对碳化深度的影响有着关键的作用。Huy等[8]研究了不同气候对混凝土抗碳化性能的影响，结果表明降雨天数相较于气候对碳化深度的影响更为显著。此外，碳化会影响清水混凝土表面色差，从而影响清水混凝土的美观。李刚等[9]采用图像灰度标准差来描述碳化前后的清水混凝土表面色差情况，探究了混凝土强度等级和碳化时间对清水混凝土表面色差的影响。
提高清水混凝土的抗碳化性能并保持美观的主要手段就是对清水混凝土表面涂刷清水混凝土保护剂[10]，因此开展清水混凝土保护剂对清水混凝土抗碳化性能影响的研究至关重要。目前市场上广泛使用的保护剂种类有丙烯酸类和有机硅类[11]，他们在增加清水混凝土抗碳化性能方面均有效果，但缺乏实验数据的量化分析。
为精确确定清水混凝土保护剂对清水混凝土抗碳化性能的影响，首先，以C40混凝土作为基准试件，研究了市场上两种常见的清水混凝土保护剂的类型、保护剂厚度、碳化时间、养护龄期对清水混凝土抗碳化性能的影响。其次，提出了修正的清水混凝土碳化深度计算模型，该模型考虑了清水混凝土保护剂类型和厚度的影响，进而能为涂抹保护剂的清水混凝土碳化深度预测提供依据。
1.1 试验材料
水泥选用冀东牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；
细骨料选用河砂，细度模量为2.6，容重为2 480 kg/m3；
粗骨料选用5～20 mm连续级配碎石；
试验用水为天津市自来水；
外加剂为聚羧酸高效减水剂。混凝土强度按C40配制，水灰比为0.5，具体配合比如表1所示。
表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)
1.2 试验设计
试验考虑了养护龄期、碳化时间、保护剂类型、保护剂厚度对清水混凝土碳化深度的影响。养护龄期设定为7 d、14 d和28 d三档，碳化时间设定为7 d、14 d、21 d和28 d四档，保护剂类型为成膜型保护剂、渗透型保护剂和两种保护剂复合使用三档，保护剂厚度为0层、1层和2层。具体试验方案设计如表2所示。表中编号由3部分组成：养护龄期-碳化时间-保护剂类型和厚度，以Ct7-Et28-Fi1为例，其含义为清水混凝土养护龄期为7 d，碳化时间为28 d，采用成膜型保护剂，保护剂涂抹厚度为1层。
表2 试验方案Table 2 Test project
续表
1.3 试验准备
试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体，为了不影响清水混凝土表面保护剂的涂抹以及对试件抗碳化性能的影响，在浇筑时模具中不涂刷脱模剂[12]。试验用清水混凝土保护剂为丙烯酸类成膜型保护剂和水溶性有机硅类渗透型保护剂。
试块拆模后放入标准养护室养护(温度20 ℃、相对湿度95%)，到达相应养护龄期时将试件从标准养护室中取出，然后在60 ℃温度下烘干48 h[13]，取出试件准备涂刷清水混凝土保护剂，步骤如下：
(1)选取养护烘干完成的混凝土试件中相对较好的两个对面作为碳化面，对其表面进行打磨，避免出现蜂窝、孔洞和棱角等缺陷，清理干净准备下一步试验。
(2)留下打磨好的两个对面，对其余4个面采用加热石蜡密封处理，待石蜡干燥之后开始进行清水混凝土保护剂涂刷，石蜡密封处理后的试件如图1所示。
图1 石蜡密封处理后的试件Fig.1 Specimens sealed with paraffin
(3)对未封蜡面涂刷清水混凝土保护剂，试验中保护剂的厚度不宜控制，所以用保护剂涂抹层数替代保护剂厚度以定性分析保护剂对清水混凝土碳化深度的影响，依据产品使用说明，单层清水混凝土保护剂涂刷300 g/m2，保证涂刷均匀且不遗漏。第二层清水混凝土保护剂涂刷时，确保第一层保护剂已经干燥，不影响后续涂刷。复合涂刷为先涂刷渗透型保护剂，再涂刷成膜型保护剂，第二层保护剂同样涂刷300 g/m2。涂刷保护剂之后的试件如图2所示，左侧为涂刷渗透型保护剂的试件，右侧为涂刷成膜型保护剂的试件，可见渗透型保护剂可以快速渗入到试件内部，而成膜型保护剂干燥缓慢。
图2 涂刷保护剂的试件Fig.2 Specimens coated with protective agent
(4)清水混凝土试件表面的石蜡和清水混凝土保护剂全部涂刷完毕后，放置干燥环境中待清水混凝土保护剂和石蜡完全干燥后备用。
1.4 混凝土碳化试验
根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[14]进行碳化试验，具体试验步骤如下：
(1)每种编号准备3块混凝土试件设置为一组，在未封蜡处理的对面上用笔以10 mm为间距画出平行线，作为预定碳化深度的测量点[15]。
(2)把试件放入混凝土碳化试验箱中，各试块间距大于50 mm，控制混凝土碳化试验箱参数，CO2浓度为(20±3)%，相对湿度为(70±5)%，温度为(20±5) ℃。
(3)到达预定碳化时间取出相应的混凝土试块，垂直提前画好的平行线并在试块中部劈开，测定其碳化深度，一个试块只做一次检验，在切开的混凝土裸露部分喷洒1%浓度的酚酞乙醇溶液，30 s后用钢尺测量出各测量点的碳化深度，精确至0.5 mm，喷洒酚酞之后的试件如图3所示。
图3 喷洒酚酞之后的试件Fig.3 Specimens sprayed with phenolphthalein
(4)平均碳化深度按式(1)计算。
(1)
2.1 涂层类型对清水混凝土碳化深度的影响
清水混凝土涂层类型对清水混凝土碳化深度的影响如图4所示，图中试件的涂层厚度均为1层，养护时间均为28 d。可以看出清水混凝土保护剂可有效降低清水混凝土碳化深度，成膜型保护剂比渗透型保护剂降低碳化深度更为有效，基准件与涂抹保护剂试件的碳化深度均随着碳化时间的延长而增加。碳化时间为7 d时，涂渗透型保护剂的试件和涂成膜型保护剂的试件碳化深度分别为基准件的81%和28%。碳化时间为28 d时，涂渗透型保护剂试件和涂成膜型保护剂试件碳化深度分别为基准件的85%和41%。其原因是成膜型清水混凝土保护剂主要成分为丙烯酸，当涂到试块表面时会形成一层致密的保护膜，属于物理防护，而渗透型清水混凝土保护剂本质上为硅烷，渗透到混凝土内部时与混凝土内的水反应从而水解为以Si—O—Si为主链的憎水层，属于化学防护[16]。相较于憎水层，致密的保护膜可以更加有效地阻止空气中CO2以及水分的进入，从而降低CO2的碳化作用，故成膜型保护剂的抗碳化效果优于渗透型保护剂的抗碳化效果。
图4 涂层类型对清水混凝土碳化深度的影响Fig.4 Effect of coating type on carbonation depth of fair-faced concrete
2.2 涂层厚度对清水混凝土碳化深度的影响
图5为清水混凝土涂层厚度对清水混凝土碳化深度的影响，图中所有试件养护龄期均为28 d，碳化时间均为28 d，复合涂抹试件为先涂抹渗透型保护剂1层，再涂抹成膜型保护剂1层。如图所示，涂抹2层清水混凝土保护剂试件碳化深度均小于1层涂抹的试件，多层涂抹渗透型保护剂对降低清水混凝土碳化深度效果更为显著。清水混凝土复合涂抹渗透型保护剂和成膜型保护剂效果介于单独涂抹2层渗透型保护剂和单独涂抹2层成膜型保护剂之间，其原因为涂抹成膜型保护剂抗碳化效果优于渗透型保护剂，因此复合涂抹2层保护剂抗碳化效果优于2层单刷渗透型保护剂，同理复合涂抹2层保护剂效果低于2层单刷成膜型保护剂，即复合涂抹2层保护剂的效果介于两者中间。涂抹2层成膜型保护剂碳化深度为1层涂抹试件的85%，抹2层渗透型保护剂碳化深度为1层涂抹试件的65%。
图5 涂层厚度对清水混凝土碳化深度的影响Fig.5 Effect of coating thickness on carbonation depth of fair-faced concrete
2.3 碳化时间对清水混凝土碳化深度的影响
碳化时间对清水混凝土碳化深度的影响如图6所示，图中所有试件养护龄期均为28 d，涂抹清水混凝土保护层厚度均为1层。可以看出，混凝土碳化深度随碳化时间的增加而增加，碳化时间为28 d时，基准件、涂成膜型保护剂的试件、涂渗透型保护剂的试件碳化深度分别为碳化时间为7 d时的2.38倍、3.57倍和2.52倍。随着碳化时间的延长，更多的CO2侵入到清水混凝土材料中，进而增加了清水混凝土碳化深度[17]。同时可以看出，随着碳化时间的延长，渗透型清水混凝土保护剂有略微失效的趋势，其原因为渗透型保护剂主要成分为水溶性有机硅，其作用机理为渗透型保护剂与混凝土内部自由水结合，生成以Si—O—Si为主链的憎水层，属于化学防护，随着时间延长，以Si—O—Si为主链的憎水层会少量发生分解反应，进而降低了渗透型保护剂的保护效果，使得涂抹渗透型保护剂28 d碳化深度与7 d碳化深度的比值较基准件略大，因此清水混凝土保护剂的有效期值得进一步研究。
图6 碳化时间对清水混凝土碳化深度的影响Fig.6 Effect of exposure time on carbonation depth of fair-faced concrete
2.4 养护龄期对清水混凝土碳化深度的影响
养护龄期对清水混凝土碳化深度的影响如图7所示，图中所有试件碳化时间均为28 d，涂抹清水混凝土保护层厚度均为1层。可以看出，对比基准试件和涂抹清水混凝土保护剂试件，清水混凝土碳化深度均随养护龄期的增加而降低，其原因是随着混凝土养护龄期的增长，混凝土中水分降低，混凝土强度逐渐增加，导致空气中CO2难以渗透到混凝土内部与其内部碱性物质发生碳化反应，进而提高了混凝土的抗碳化性能[18]。可以看出，养护龄期为28 d时，基准件、涂成膜型保护剂试件、涂渗透型保护剂试件的碳化深度分别为养护龄期为7 d时试件的87%、59%和88%，说明涂抹渗透型清水混凝土保护剂与混凝土养护龄期无明显相互影响，而涂抹成膜型清水混凝土保护剂和养护龄期存在耦合影响，因此提高养护龄期并涂抹成膜型清水混凝土保护剂可进一步降低清水混凝土碳化深度。
图7 养护龄期对清水混凝土碳化深度的影响Fig.7 Effect of curing age on carbonation depth of fair-faced concrete
CECS 220—2007《混凝土结构耐久性评定标准》[19]给出了普通混凝土的碳化深度随着混凝土碳化时间发展的计算公式，见式(2)。利用式(2)得到的涂抹1层与2层清水混凝土保护剂试件碳化深度对比如图8所示，可以看出式(2)未能准确预测涂抹保护剂的清水混凝土碳化深度。以式(2)为基础，引入清水混凝土保护剂影响系数，该系数考虑了保护剂的种类和层数，回归分析得考虑涂层影响的清水混凝土碳化深度预测模型，如式(3)～(5)所示。修正的清水混凝土碳化深度计算模型与试验值对比如图8所示，修正前R2分别为0.95和0.70，修正后R2均大于0.97，可以看出修正模型可准确预测涂抹保护剂的清水混凝土碳化深度，可为涂抹保护剂的清水混凝土碳化深度预测提供依据。
图8 修正公式与已有公式对比Fig.8 Comparison of modified formula with existing formula
(2)
(3)
成膜型保护剂：KM(t)=a0.21t0.39
(4)
渗透型保护剂：KM(t)=b(0.002 2t2-0.06t+1.67)
(5)
(1)丙烯酸类成膜型保护剂抗碳化效果优于水溶性有机硅类渗透型保护剂。涂抹2层渗透型保护剂试件较涂1层仍可大幅度降低清水混凝土碳化深度，而涂抹2层成膜型保护剂试件较涂1层仅略微降低清水混凝土碳化深度，复合涂抹保护剂效果介于两种保护剂单独涂抹之间。
(2)基准件和涂抹保护剂试件的碳化深度均随碳化时间的延长而增加，渗透型保护剂随碳化时间延长有略微失效的趋势。基准件和涂抹保护剂试件碳化深度均随养护龄期的增加而降低，养护龄期和渗透型保护剂独立发挥作用，而养护龄期和成膜型保护剂相互影响，两者作用可进一步降低清水混凝土碳化深度。
(3)提出了考虑清水混凝土保护剂类型和厚度影响的修正清水混凝土碳化深度计算模型，为涂抹保护剂的清水混凝土碳化深度预测提供依据。
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