摘 要： 随着各国地下工程建设的增多，地下混凝土结构耐久性的问题也受到越来越多的重视，以往的碳化研究主要集中于地面结构，针对地下结构的碳化研究较少。文章通过分析地下结构混凝土碳化的主要影响因素，得出地下结构混凝土碳化主要受环境、材料、应力、施工等因素影响。分析此因素后可为今后地下结构碳化研究以及最大程度降低混凝土的碳化速度，提高地下结构的耐久性提供一些借鉴和参考。
关键词： 地下结构；影响因素；混凝土；碳化.
近二十年来，随着我国城市规模的不断扩大以及经济的持续增长，许多大中型城市出现了建筑用地紧张、市民生活空间拥挤、交通拥堵、环境污染等严重问题。有效的开发利用地下空间是解决这些城市问题的关键。现如今中国地下工程建设正处于高速发展的阶段，地下工程的数量越来越多，投资和规模也越来越大，随之而来对地下工程耐久性要求也越来越高。
地下结构混凝土腐蚀破坏主要分为混凝土的破坏和钢筋的锈蚀，而对结构安全性影响最大的是钢筋的锈蚀破坏。钢筋锈蚀会造成混凝土开裂，导致钢筋与混凝土黏结力下降，降低混凝土结构的承载力。混凝土中导致钢筋锈蚀的原因很多，其中混凝土碳化是最常见也是最容易引发钢筋锈蚀的形式。混凝土的碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋失去保护作用，在其他因素的侵蚀作用下，就会发生钢筋锈蚀。
所以，碳化是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要指标。
目前有关混凝土碳化的问题主要集中在地面、水工类结构领域，而涉及到地下工程结构的研究较少。由于缺乏地下结构的研究经验，并且相关基础理论不是很完善，再加上地下结构所处的工作环境复杂多变，所以有必要对相关问题开展进一步的研究。根据地下结构所用材料及所处环境进行分析，混凝土碳化的主要影响因素包括 ：
（1）环境因素 ；
（2）材料因素 ；
（3）应力因素 ；
（4）施工因素。
1 环境因素
1.1 CO2 浓度的影响
地下空间往往通风不畅，这就使得地下环境的 CO2 浓度较大，据相关统计资料显示，地下隧道内二氧化碳的浓度是地面空间的 2~7 倍。环境中 CO2 浓度是决定碳化速度的主要环境因素之一。环境中 CO2 浓度越大，混凝土内外 CO2 的浓度梯度就越大，使得 CO2 易于通过扩散进入混凝土孔隙，加快了碳化反 应的速度。牛荻涛通过快速试验方法回归给出了 CO2 浓度的影响系数为 ：
kco2=0.742-0.2241gCco2 （1）
式中 ： kco2—CO2 浓度的影响系数。
1.2 环境湿度的影响
由于地下结构多处于相对封闭的潮湿环境，故环境湿度对地下结构混凝土碳化速度的影响较大。当环境湿度较小时，混凝土内含水量较低，发生碳化反应所需的水分不足，故碳化速度较慢 ；当环境湿度过高时，混凝土内含水率高，会降低 CO2在混凝土中的扩散速率，当含水量过高时，CO2 扩散甚至会终止，因此，环境湿度过高，碳化速度也较慢。通过分析国内外相关研究结果认为，相对湿度对碳化速度的影响呈抛物线状关系，环境相对湿度在 40%~60% 时，碳化速度较快，相对湿度为 50% 左右时碳化速度达到最大值。清华大学在建立混凝土碳化数据库时，给出了环境相对湿度对碳化影响的公式如式（2）所示 ：
（2）
式中 ： RH1、 RH2——分别为两种环境的相对湿度。
1.3 环境温度的影响
环境温度对气体的扩散和碳化反应速率都有较大的影响。
环境温度的升高可加快 CO2 的扩散速度，并且加快了碳化反应的速度。张海燕等人通过回归分析给出了环境温度对碳化的影响系数公式 ：
—温度对混凝土碳化的影响系数
1.4 地下水渗透的影响
大多数地下工程都和地表水、地下水接触，当混凝土处于 浸水饱和状态，或处于水位变化部位时，在水压的作用下，自由水渗透进入混凝土内部，引起混凝土碳化。在北方寒冷地区，由于环境温度交替变化，混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，引发混凝土冻融破坏，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，使得 CO2 可以容易的进入混凝土内部，加速混凝土的碳化。
2 材料因素
2.1 水泥品种与水泥用量的影响
水泥品种及水泥用量不同，意味着混凝土熟料的化学成分与矿物组成也不同，因此其水化产物中碱性物质含量也不同，故两者对混凝土的碳化有重要影响。根据实验研究结果显示，高炉矿渣水泥碳化速度要大于普通硅酸盐水泥。增加水泥用量一方面可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性，降低CO2 的扩散速度 ；另一方面增加了混凝土内碳化物质含量，提高了混凝土的碱性储备，相对延缓了混凝土的碳化。因此，一般情况下，水泥用量越大，碳化速度越慢。
2.2 水灰比的影响
水灰比决定了混凝土的孔结构与孔隙率，水灰比越大，混凝土水化时的自由水和蒸发水越多，混凝土的孔隙率也越大，CO2 有更多的通道扩散，因此 CO2 扩散速率更快。水灰比小，混凝土比较密实，内部孔隙较少，CO2 的扩散阻力增加，碳化速度减缓。
2.3 骨料品种与级配的影响
骨料品种与级配直接影响到混凝土界面过渡区的密实度与孔隙率，从而影响了 CO2 在混凝土内部的扩散速率。粗骨料的粒径越大，混凝土界面过渡区的密实度越低，与水泥浆的结合能力也越弱，混凝土越容易离析、泌水，碳化速度也就越快。
轻骨料本身透气性好，易于 CO2 的扩散，因此轻骨料混凝土的抗碳化能力也弱于普通骨料。
2.4 矿物掺合料与外加剂的影响
在普通水泥混凝土中加入矿物掺合料（如粉煤灰）后，混凝土中吸收 CO2 的 Ca(OH)2 含量减少，混凝土的抗碳化能力也随之下降；同时，由于粉煤灰混凝土的早期强度低，孔结构差，加速了 CO2 的扩散速度，从而使碳化速度加快。但另一方面，这些掺合料的二次反应填充效应则又会在后期改善孔结构，增加了混凝土密实度从而改善抗碳化性能。
一般混凝土外加剂都兼有减水和引气的作用，减水可以降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力，引气作用会增加混凝土的孔隙量，从而加剧了 CO2 的扩散，导致混凝土碳化速度加快。
而消气型的外加剂可以增加混凝土的密实性，提高混凝土的抗碳化能力。
根据已有研究结果，不同学者的研究结论存在分歧，目前关于矿物掺合料和外加剂对碳化的影响研究尚不够深入，存在认识不足的问题。
3 应力因素
由于地下结构多深埋于岩土之中，不仅受到土压力和水流渗流压力作用，还会受到一些不确定的力的影响，如地面的车辆荷载、地面车辆荷载引起的侧向土压力、隧道内列车行驶时长期震动而导致的地面振陷荷载、地铁沿线临近构筑物施工产生的荷载、设备运输所产生的荷载等，使得地下工程结构所处的环境具有应力状态不稳定的特点。
对于地下结构，应力状态是碳化速度的重要影响因素。混凝土结构受到荷载作用时，混凝土内部的微细裂缝就会发生变化，而微裂缝的变化又会影响到混凝土的渗透性。一般情况下，拉应力通常会使裂缝增大变宽，使得二氧化碳等离子容易扩散到混凝土的内部，进而加快了混凝土的碳化速度 ；压应力会使混凝土内部微细裂缝闭合，使 CO2 不易渗入混凝土内部，降低了碳化速度。但压应力过大时，会使细微裂缝增多并扩展连通， 从而导致混凝土的碳化速度加快。
4 施工因素
地下结构在复杂地下条件中修建，在施工及养护过程中面临各种困难，因此施工因素是影响混凝土碳化的重要因素之一。
地下结构施工过程中，如果施工方法选择不合理、施工操作不当，对结构产生了荷载干扰，造成结构应力发生变化，当结构原有的应力平衡被打破后，在重建新的应力平衡的过程中，混凝土有可能会产生裂缝，降低结构的抗碳化能力。除此之外，混凝土养护方式也会影响混凝土的抗碳化能力。混凝土早期养护不良导致水泥水化不充分，增大了混凝土内毛细孔隙，加快了 CO2 扩散速率，从而加快了碳化速度。早期养护充分，则混凝土中水泥水化完全，相对未完全水化的碱度高，且浆体更为密实，阻断了 CO2 入侵的通道，从而减缓碳化反应。
5 结语
文章结合地下结构自身的特点，分析各种外界因素包括环境因素与应力因素，以及材料本身和施工养护的影响，研究了这些因素对凝土碳化速度的影响。在实际工程应用中，要对地下结构所处环境的实际情况分析，充分考虑其中影响最大的几个因素，在原材料选择、设计、施工阶段层层把关，最大程度降低混凝土的碳化速度，提高地下结构的耐久性。
6 展望
文章所列的影响因素主要采用单一因素分析，而地下环境的影响因素都是交叉的，今后要更加深入考虑多因素复合作用对地下结构混凝土碳化速度的影响，并结合工程实例，建立一个符合实际情况的碳化深度预测模型，实现对地下结构混凝土碳化寿命的预测。
参考文献 ：
[1] 何川,佘健.高速公路隧道维修与加固[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社,2003.
[3] 姬永升,赵光思,樊振生.混凝土碳化过程的相似性研究[J].淮海工学院学报(自然科学版),2002(03):60-63.
[4] 张誉,蒋利学,张伟平等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003.
[5] 裴雪君.混凝土碳化影响因素分析[J].中国建材科技,2016(01):4-5.
[6] 余红发.盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测方法[D].南京:东南大学土木工程学院,2004.
[7] 张海燕,把多铎,王正中.混凝土碳化深度的预测模型[J].武汉大学学报(工学版),2006(05):42-45.
[8] 郑顺,郑永来.地下水对地下结构耐久性能影响综述[J].中国建筑防水,2014(21):23-26.
[9] 张玲峰,韩建德,刘伟庆,王曙光,韩萍.大掺量矿渣水泥砂浆碳化过程研究[J].硅酸盐通报,2015(03):591-596.
[10] 黄耿东.混凝土结构的碳化深度与寿命预测方法研究[D].长沙:湖南大学土木工程学院,2010.
[11] 郭梦君.化学外加剂对水泥石碳化影响的研究[D].重庆:重庆大学材料科学与工程学院,2016.
[12] 袁群,何芳婵,李彬.混凝土碳化理论与研究[M].郑州:黄河水利出版社,2009.
[13] 程棋锋.天津地下交通工程混凝土墙耐久性研究[D].天津:河北工业大学土木工程学院,2013.
[14] 何薇.混凝土碳化及其对地下结构的力学性能的影响研究[D].成都:西南交通大学土木工程学院,2013.
[15] 李科.地下工程结构耐久性分析与评价[D].郑州:郑州大学水利与环境学院,2010.
|
85597153
