冻土区桩基的碳化机理分析

钢筋混凝土结构作为最常见的建筑结构形式之一，被广泛应用于土木工程领域，在建筑工程中占有绝对的主导地位。长期以来，人们普遍认为钢筋混凝土具有坚固、耐久、力学性能稳定等优点，因而在设计时往往偏重考虑其结构的安全性和适用性，而忽视了复杂多变的环境因素对材料和结构造成的耐久性损伤，导致许多重大结构性能提前劣化以及使用功能和承载能力下降，从而影响到结构的使用安全，不得不提前退役［22］。

（1）混凝土碳化

一般大气环境下，混凝土碳化是混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。水泥充分水化后，混凝土孔隙水溶液呈强碱性，钢筋表面生成一层钝化膜使其不受侵蚀介质腐蚀。随着混凝土碳化反应的发生，可碳化物质不断消耗，当钢筋表面混凝土碱性下降到一定程度时，钢筋表面钝化膜破坏，在水和氧气充足的条件下，钢筋发生锈蚀。在寒冷地区，混凝土孔结构会因冻融循环作用发生劣化，使得气体更易向混凝土内部扩散，加速了混凝土的碳化，从而导致钢筋过早锈蚀。

a.混凝土碳化机理。

混凝土碳化是指环境中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质发生反应，生成碳酸钙和其他物质的现象，是一个复杂多相的物理、化学过程。苏联的许多学者对此进行了深入研究，得到了混凝土碳化受二氧化碳气体扩散控制的结论，并由Fick第一扩散定律推导得出经典混凝土碳化理论模型［23］。Ying-yu等［24］从混凝土孔结构和孔隙率对混凝土碳化的影响出发，研究了水泥砂浆的碳化机理。Houst等［25］研究了孔隙率和混凝土含水量对CO2在硬化水泥浆中扩散的影响。叶绍勋［26］根据化学热力学基本原理，计算比较了水泥硬化浆体中液相和固相水化产物发生碳化反应的活性大小以及因碳化反应而发生的固相体积变化。希腊学者Papadakis［27］［28］从化学反应的角度提出水泥水化产物中可碳化的物质不仅有氢氧化钙，还有水化硅酸钙及未水化的硅酸三钙和硅酸二钙，并采用化学反应动力学的方法研究了水泥水化和混凝土碳化的反应速率，在此基础上，利用碳化过程中二氧化碳和各可碳化物质的质量平衡条件建立了一个微分形式的混凝土碳化数学模型。目前，这一研究成果已得到国内外学者的认可，并被广泛引用。

b.混凝土碳化影响因素。

影响混凝土碳化的因素众多，主要可以分为材料因素、环境因素和施工因素三个方面。材料因素主要包括水灰比、水泥品种和用量、矿物掺合料、骨料品种与级配、外加剂等；环境因素包括环境相对湿度、温度、大气中的CO2浓度等；施工因素主要包括混凝土的搅拌、振捣与养护。

水灰比是影响混凝土碳化的关键因素之一。日本学者［29］通过假设混凝土孔结构模型，推导出水灰比与混凝土碳化深度的理论关系。Ho［30］、Dhir［31］、方暻等［32］通过快速试验研究了水灰比对碳化深度、碳化速度的影响。颜承越［33］通过长期暴露试验研究了水灰比与混凝土碳化速度的关系，结果表明，此关系大致呈线性。

在混凝土中掺入活性矿物掺合料替代部分水泥不仅可以减少水泥用量、降低水化热，还在一定程度上改变了混凝土的抗碳化性能。吴克刚等［34］通过试验研究了粉煤灰掺量对混凝土抗碳化性能的影响，结果表明，混凝土抗碳化性能随着粉煤灰掺量的增加而下降。谢东升［35］认为，粉煤灰混凝土早期抗碳化性能低于不掺粉煤灰的混凝土，但是后期的抗碳化性能有所增加。宋华等［36］通过快速碳化试验，研究了掺合料种类及掺量对混凝土抗碳化性能的影响。

外加剂通过改变混凝土孔结构来改变混凝土的抗碳化性能。谢东升等［37］对掺有减水剂和引气剂的混凝土进行了快速碳化试验，结果表明，外加剂在一定程度上改善了混凝土的抗碳化性能。崔东霞等［38］通过试验研究了外加剂品种对混凝土抗碳化性能的影响，结果表明，外加剂对混凝土的抗碳化性能有一定改善，但外加剂种类的不同对混凝土碳化影响差别不大。

除了混凝土自身材料对混凝土碳化有影响外，环境气候条件也是影响碳化的重要因素。李果［39］和徐道富［40］通过试验研究了环境温度、相对湿度对混凝土碳化速度的影响。刘亚芹［41］、谢东升［35］通过试验验证了混凝土碳化深度与二氧化碳浓度近似成平方根的关系。

（2）混凝土冻融破坏

混凝土结构的使用环境具有多样性，一般可分为以下几种：大气环境、冻融环境、海洋环境、土壤环境及工业环境等。不同环境下造成混凝土损伤的因素也有所差异，如二氧化碳、冻融、氯盐、酸雨、干湿循环等。Mehta教授在题为《混凝土耐久性——五十年进展》的主题报告中指出［42］：当今世界混凝土破坏的原因，按重要性递降顺序排列依次为：钢筋腐蚀，寒冷气候下的冻害和侵蚀环境下的物理化学作用。由此可见，钢筋锈蚀和冻融破坏是造成结构耐久性失效的两大主要因素。我国北方和南方部分地区冬季温度较低，年温差较大，属于冻融环境的范畴。该地区混凝土结构都存在不同程度的冻融破坏。

在寒冷地区，混凝土结构并非仅承受冻融循环的作用，同时还会遭受二氧化碳的侵蚀，其劣化程度绝非这两种因素单独作用引起损伤的简单叠加，而是它们的交互作用。冻融循环会使混凝土孔结构由表及里变得疏松，为二氧化碳在其内部的扩散提供条件，从而加速了混凝土碳化以及钢筋锈蚀进程；另一方面，碳化在一定程度上提高了混凝土的密实性，使其孔隙率相对减小，减缓冻融破坏的发生。

当今世界，随着人口的急剧增长，工业化的迅猛发展，二氧化碳气体的排放量也日益增大。大气中二氧化碳浓度的提高，加快了混凝土建筑物的碳化速度，加之冻融循环造成的结构损伤，使得寒冷地区的混凝土碳化耐久性问题十分复杂。

图7-2　混凝土冻融破坏形态

a.混凝土冻融破坏机理。

混凝土冻融破坏的实质是改变了混凝土内部孔结构，使其由密实变疏松，但其成分并没发生变化。李金玉、曹建国等［43］对混凝土进行快速冻融试验，用水银高压测孔仪测试混凝土在冻融过程中孔结构的变化，得到结论：在冻融过程中，混凝土的微孔含量和微孔直径均在增大，而高强混凝土内部的微孔总含量很小，因此高强混凝土具有良好的抗冻性能。张鹏等［44］对四种不同配合比的混凝土进行冻融循环试验，冻融次数分别取0、50、150次，并用压汞法测试冻融后混凝土孔隙的变化情况。结果表明：冻融循环后混凝土孔隙率增大，尤其是孔径在20mm左右的微孔数量有大幅度提高，孔径分布也向更大方向发展。通过电镜扫描和X射线衍射分析等方法研究了冻融过程中的微观变化。从微观水化产物的结构形态上看，混凝土冻融破坏过程实际上是水化产物结构由密实到松散的过程。在这个过程中，水化产物的成分基本保持不变，因此混凝土的冻融破坏过程可以认为是一个物理变化过程。

混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏称为冻融破坏。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是混凝土发生冻融破坏的必要条件［45］。各国学者针对混凝土冻融破坏机理提出了一系列的理论，如静水压理论、渗透压理论、水的离析成层理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论。其中以Powers的静水压理论［46］和渗透压理论［47］最具代表性。静水压理论认为，混凝土孔隙中的水在转变成冰时体积发生膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移，而孔溶液在可渗透的水泥浆体结构中移动，必须克服黏滞阻力，从而产生静水压，形成破坏应力。渗透压理论认为，由于混凝土孔溶液中存在钾、钠、钙离子等盐类，大孔中的部分溶液结冰后，未结冰孔溶液的浓度上升，与周围较小孔隙中的孔溶液之间形成浓度差，从而产生渗透压力。

b.混凝土冻融耐久性。

冻害是导致寒冷地区混凝土结构使用寿命不足的关键原因。国内外专家学者在混凝土抗冻耐久性方面做了大量的研究工作，并提出了许多改善混凝土抗冻耐久性的措施。

混凝土的抗冻性能取决于其内部微观孔结构，掺入引气剂形成的微小气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要。王修田、钱春香等［48］研究了不同含气量对混凝土抗冻性及抗渗性的影响，结果表明：混凝土中含气量的增加，可以大大提高混凝土的抗冻性，改善混凝土的和易性，但是抗压强度有所下降。方璟［49］以试验为根据，分析了混凝土内部微气孔对提高其抗冻性的作用，他认为只有当混凝土内部的裂缝在冻融循环作用下扩展并与气泡连通后，气泡才能够发挥缓解冻胀力的作用。成秀珍、张德思［50］探讨了混凝土强度等级、引气量、水灰比对粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的影响，结果表明：混凝土的引气量对普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗冻性起决定性作用。满足抗冻性要求的引气量取决于相应的混凝土等级，混凝土强度越高，满足抗冻性所必需的含气量越低。范沈抚［51］［52］、谭克锋［53］、宋拥军等［54］对引气剂改善混凝土抗冻性能也做了相关研究，得出一致结论：只要掺入适量引气剂，普通混凝土也能获得较好的抗冻耐久性。因此，掺引气剂已成为提高混凝土耐久性的基本措施。

（3）冻融环境下混凝土碳化过程

谢晓鹏等［55］通过对混凝土试件进行快速冻融和碳化试验，测得混凝土冻融和碳化后的基本力学指标，结果表明：冻融循环损伤了混凝土的力学性能，而碳化加强了混凝土的密实性，其抗压、劈拉强度也得到一定提高。周晓明等［56］应用损伤力学和断裂力学理论，从细观裂纹扩展角度探讨了碳化对冻融的影响，提出了冻融与碳化交替作用时混凝土的损伤模型，模型表明，两者的交替作用可延缓混凝土冻融损伤。张鹏等［57］通过对混凝土先后进行冻融、碳化试验，研究了冻融前后混凝土碳化性能变化情况，结果表明：冻融加速了混凝土的碳化，并且循环次数越多，加速作用越大。

混凝土碳化与氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀的主要原因，而混凝土碳化程度与其所处工作环境紧密相关。在寒冷地区，冬季气温较低，雨雪天气发生频繁，结构因此会产生不同程度的冻融损伤。近年来，国内外对寒冷地区混凝土的冻融破坏研究较多，却鲜有冻融环境下混凝土结构遭受碳化作用的研究。冻融循环会导致混凝土孔结构劣化，加速二氧化碳在其内部的扩散，从而影响混凝土的抗碳化性能。

a.气体在混凝土中扩散的基本理论。

混凝土冻融破坏的实质是改变混凝土内部孔结构，使其由密实变疏松，但其成分并没发生变化，是一个物理变化的过程。因此，对混凝土碳化而言，冻融循环加快了二氧化碳在其内部的扩散速度，从而加速了整个碳化过程。混凝土是一种具有多孔结构的材料，其孔结构的分布以及孔隙率的大小直接关系到混凝土的传输性能。影响混凝土孔结构的主要因素可归纳如下：

混凝土的材料组成对混凝土孔结构分布起着至关重要的作用，具体体现在以下几个方面：水灰比是影响混凝土孔隙结构的关键因素。水灰比越大，可用于形成孔隙的水量越多，混凝土内部孔体积越大，同时水泥石黏度较小也使气泡更易形成。刘伟等［58］对4种水灰比混凝土的孔隙率进行了测定，所得结果验证了以上规律；水泥对混凝土孔结构的影响主要体现在水泥细度上，由于较细的水泥比表面积大，需水量也就较大，可用于形成气泡的水量相对减少，则气泡的形成较为困难；矿物掺合料对改变混凝土含气量、改善混凝土孔结构起到一定作用。粉煤灰中的细微颗粒以及水化产物填充了水泥石孔隙，从而使混凝土孔结构得到改善。Kejin Wang等［59］的研究表明，提高粉煤灰的活性，有利于混凝土孔径的细化，从而降低混凝土孔隙率。孟庆超［60］、刘伟等［58］研究了单掺粉煤灰、硅灰以及两者复掺对混凝土孔结构的影响，结果表明，在混凝土中掺加粉煤灰、硅灰等矿物掺合料可减小混凝土总孔隙率，优化孔结构；在混凝土中掺入高效减水剂和引气剂对于混凝土的孔结构影响较大。减水剂增加了混凝土颗粒之间的排斥力，释放出水泥中包裹的水分，增加了混凝土拌合物的流动性，使水泥颗粒分布更加均匀，水化也更加彻底，从而改善了混凝土孔结构。另外，引气剂的掺入可以明显减少混凝土泌水，从而减少混凝土内部连通孔隙，起到改善孔结构的作用。

混凝土碳化使混凝土碱性降低，钢筋逐渐失去钝化膜保护，不利于结构的耐久性。然而，碳化反应产物比原反应物的体积膨胀约17%，在一定程度上降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土密实度。同时抑制了有害气体向其内部扩散，减缓了碳化过程。赵铁军等［61］用溶剂置换法对碳化后的混凝土试件进行预处理，再用氦气及比重瓶测孔隙率，得到结论：碳化作用可以降低混凝土孔隙率，并且在初始阶段，降低较快。方永浩等［62］用压汞法、扫描电子显微镜、X射线衍射法研究了碳化对水泥石和水泥砂浆孔结构的影响。结果表明，碳化降低了水泥石和水泥砂浆的总孔隙率，孔径得到细化；在冻融循环的反复作用下，混凝土会由密实变疏松，孔隙率逐渐增大，为二氧化碳气体的扩散提供条件，从而加速了碳化进程。张鹏［63］、肖前慧［64］对冻融循环后的混凝土孔隙率进行研究，结果表明，混凝土孔隙率随着冻融循环次数的增大而增大。碳化反应细化了孔结构，抑制了有害气体的扩散；冻融作用则使孔结构劣化，加速了气体的扩散。

b.冻融环境下混凝土碳化产物含量及孔隙率。

混凝土的冻害与其孔隙饱水度有着密切关系。水结冰时，体积膨胀9%。因此，在正负温度交互作用下，只有当混凝土毛细孔中的含水率超过某一临界值时（该临界值称为极限饱和度，一般取91.7%），混凝土才会发生冻融破坏，此时CO2溶解度较低，难以侵入到混凝土中，可以认为混凝土在受冻融循环作用时不发生碳化反应。然而，当混凝土受二氧化碳侵蚀作用时，其内部含水率要低于冻融发生时的极限饱和度，因此混凝土在碳化过程中不会发生冻融作用。综上，可以认为冻融循环和碳化反应是两个交替进行的独立过程，不会同时发生。

因此，从化学反应的角度来看，冻融环境下的混凝土碳化过程与一般大气环境下大致相同。