【摘要】文章重點對混凝土凍融和碳化性能的研究現狀、研究的必要性及國內外關于碳化方面目前的系列研究成果做了論述。
【關鍵詞】凍融；鋼纖維混凝土；碳化
一、混凝土抗凍融性能研究現狀及其研究的必要性
（一）混凝土凍融破壞機理的研究
混凝土的凍融破壞機理研究始于20世紀30年代，1945年美國混凝土專家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理莫定了理論基礎。目前提出的混凝土凍融破壞機理有以下幾種：水的離析層理論、靜水壓理論、滲透壓理論、充水系數理論、臨界飽水值理論和孔結構理論，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部孔結構、水飽和程度、受凍齡期、混凝土的強度等許多因素有關。而混凝土的孔結構及強度又取決于混凝土的水灰比、有無外加劑和養護方法等。混凝土抗凍性的主要影響因素有：
1．水灰比:對于非引氣混凝土，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提高混凝土的抗凍性尤為重要。
3．混凝土的飽水狀態：一般認為含水量小于孔隙總體積的91.7%就不會產生凍結膨脹壓力。
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．骨料質量：混凝土骨料對混凝土抗凍性影響主要體現在骨料吸水率及骨料本身的抗凍性。吸水率大的骨料對抗凍性不利。
（三）混凝土凍融性能研究的必要性和意義
中華人民共和國成立以來，我國興建了大量的混凝土工程，隨著運行時間的加長，混凝土結構的凍融破壞問題日益突出，這不僅影響正常的生產和工作，甚至危及到工程的安全運行。
1985年水電部關于混凝土耐久性的調查總結報告中指出：水工混凝土的凍融破壞在三北地區（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行時間一般在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象尤為嚴重。這些工程中，北方港口混凝土受到的凍融破壞較華東地區更嚴重，破壞的結構主要是防波堤、胸墻、碼頭和棧橋等。采用普通混凝土的部分結構，經十幾年的運行就產生了凍融破壞以致不能發揮作用。地處寒冷地區的混凝土建筑，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，也都會受到凍融破壞。由此可見，混凝土凍融破壞是引起混凝土結構老化病害的主要原因之一，嚴重影響混凝土建筑物的長期使用和安全運行。為使這些建筑物繼續發揮作用，每年都會消耗巨額的維修費用。根據以往經驗，混凝土安全使用期和維護使用期的比例是1:3～10，而維護使用期的費用是建設期的1～3倍。因此，開展對混凝土凍融領域的研究有其現實意義。
二、混凝土碳化性能研究現狀
20世紀60年代，國際上一些發達國家就開始重視混凝土結構的耐久性問題，在混凝土碳化方面進行了大量的試驗研究及理論分析。首先，在混凝土碳化機理方面已經取得了比較統一完整的認識。其次，對于混凝土碳化影響因素、人工加速碳化以及碳化深度檢測方面也有了全面的了解。基于這些研究成果，各國工程界相繼都把碳化作為混凝土耐久性的一個主要方面納入了設計規范，國際混凝土學術界已舉辦過多次有關混凝土碳化的學術討論會，國際水泥化學會議也報導了混凝土碳化研究的進展，并且每次都有相當數量關于混凝土碳化的論文發表，并從不同角度提出了碳化深度的計算模型。我國在混凝土碳化方面的研究起步較晚，從20世紀80年代開始研究混凝土碳化與鋼筋的銹蝕問題，通過快速碳化試驗、長期暴露試驗以及實際工程調查，研究混凝土碳化的影響因素與碳化深度預測模型，并且取得了可喜的研究成果。
（一）混凝土碳化的影響因素
從混凝土碳化的物理化學過程可以知道，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性儲備的大小。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、骨料品種與級配、外加劑等，主要通過影響混凝土的堿度來影響混凝土碳化；環境因素包括環境相對濕度、溫度、壓力以及CO2濃度等，主要通過影響碳化反應的發生條件來影響混凝土碳化速度的；施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養護等條件的影響，主要通過影響混凝土密實性來影響混凝土碳化[1]。
（二）碳化深度測定方法
碳化深度的測定有三種方法：X射線法、酚酞試劑測試法和彩虹指示劑法。X射線法要用專門的儀器，不僅能夠測到完全碳化的深度，還能測到部分碳化的深度，適用于試驗室的精確測測量。酚酞試劑測試法只能測到完全碳化深度，但操作簡單，適于現場測量。彩虹指示劑測試方法可以根據反應的顏色判別不同的PH值（PH=5-13）。因而也可用來測定完全碳化和未完全碳化的深度。由此可見混凝土碳化的測定方法已比較成熟。
（三）碳化混凝土力學性能的研究現狀
對碳化混凝土力學性研究結果表明，混凝土碳化后抗壓強度提高，延性降低，其靜力彈性模量的變化正比于強度的變化，具有明顯的脆性，對抗震不利。同濟大學建筑改造加固研究所的一組試驗結果明顯地表明了這種影響，給出了典型的碳化混凝土應力—應變關系對比曲線，對這一現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度，導致其抗壓強度提高。
（四）碳化混凝土的本構關系
碳化混凝土的本構關系目前研究較少。同濟大學范子彥采用室內快速碳化制作了三組不同強度等級的試件，測量其抗壓強度，通過碳化區域面積比α來考慮截面碳化部分的面積，并用系數β來反映混凝土強度等級的影響，得出部分截面碳化的混凝土應力—應變關系，但沒有反映出碳化混凝土下降段的特性。同濟大學李檢保進行了類似的試驗，測出了應力—應變曲線的下降段，由試驗結果得出考慮下降段的完全碳化混凝土的本構關系。
（五）混凝土碳化對結構耐久性的影響
碳化使混凝土的堿度降低，碳化后，完全碳化區的pH值由13左右降至9以下，鋼筋表面的鈍化膜可能發生破壞而導致鋼筋銹蝕。鐵銹的體積一般要增長2～4倍，對結構造成三方面的不利影響:
1．鐵銹的生成造成鋼筋截面減小，構件承載能力降低；
2．鐵銹體積膨脹，使混凝土保護層脹裂甚至脫落，嚴重影響結構的正常使用；
3．鐵銹將破壞鋼筋與混凝土的粘結，鋼筋與混凝土的協同工作能力降低，甚至造成整個構件失效。
由此可見，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕對混凝土結構耐久性影響十分嚴重。通過研究碳化速度，估計出碳化至鋼筋表面所需要的時間，從而確定混凝土結構的耐久性或保護層厚度。
【參考文獻】
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