■曹潔梅 林愛萍

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007）

混凝土被廣泛應用于道路橋梁、工業(yè)與民用建筑等工程領域。 隨著混凝土技術的發(fā)展，利用早強水泥拌制混凝土，具有早期強度高，后期強度持續(xù)增長，凝結時間可調，耐久性好等優(yōu)點，其工程實用價值和意義重大， 應是今后的重點發(fā)展方向之一。但幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過程中，進而造成混凝土的堿度下降[1]，碳化已是影響混凝土耐久性的重要因素。 混凝土的碳化使鋼筋鈍化膜遭到破壞，伴隨著水和空氣等因素的共同作用，碳化深度超過鋼筋保護層厚度時使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，甚至構件的截面減小、承載能力降低，最終將使結構構件破損或者失效[2]。 另外，大氣中CO2的濃度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，必將加劇混凝土的碳化，給鋼筋混凝土結構的安全性和耐久性帶來更為不利的影響[3]，因此研究混凝土的碳化規(guī)律及檢測方法十分必要。 本文采用酚酞試劑法和超聲波法對自然碳化的混凝土進行檢測， 分析聲波參數(shù)與碳化深度的關系， 以便更有效地評估預測早強混凝土碳化深度變化規(guī)律。

1 混凝土碳化機理

和普通混凝土一樣，早強混凝土也是將4 種水泥熟料礦物硅酸三鈣C3S(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣C2S(2CaO·SiO2)、鐵鋁酸四鈣C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和鋁酸三鈣C3A(3CaO·Al2O3)等與水反應，生成氫氧化鈣Ca(OH)2晶體和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）膠體等，把砂、石子等松散物質粘結在一起，保溫保濕養(yǎng)護后形成的具有一定強度的人造石材。 相較普通水泥來說，早強水泥提高了C3S 含量，加快了水泥顆粒的水化反應。 混凝土硬化后其結構如圖1 所示，其中混凝土體積中水泥石約占25%，砂和石子占70%以上，孔隙和自由水占1%～5%。

圖1 硬化后混凝土結構

混凝土碳化是一個非常復雜的物理化學過程。大氣中的CO2通過孔隙向混凝土內部擴散，并溶解于孔隙內的液相。 CO2與溶解于孔隙水中的Ca(OH)2發(fā)生反應，生成CaCO3，且水化的硅酸鈣、未水化的硅酸三鈣、硅酸二鈣在有水分的條件下也參與碳化反應。 混凝土碳化的主要化學反應式如下[4]：

2 試驗材料

采用早強硅酸鹽水泥（P.O42.5R）、河砂、4.75～31.5 mm 連續(xù)級配碎石及飲用水拌制工程中常用的C30 混凝土，配合比為：水泥412 kg、水210 kg、砂子605 kg、石子1173 kg、水灰比0.51、立方體抗壓強度32.05 MPa。

3 混凝土碳化深度檢測

3.1 混凝土試件的制備與養(yǎng)護

3.1.1 混凝土拌合物攪拌

混凝土拌合物攪拌流程如圖2 所示。

圖2 混凝土拌制流程

3.1.2 混凝土制模

將新拌混凝土加入150 mm×150 mm×150 mm試模中，用振搗棒充分適當振搗，使得混凝土充分密實。 混凝土試件成型完畢后，將試件放置在平整背陰的地方，自然養(yǎng)護，持續(xù)養(yǎng)護至試驗時間。

3.2 碳化層與未碳化層聲波波場模擬

為了解不同介質中聲波的傳播特征，利用黏彈性聲波方程， 基于有限差分法完全匹配(perfectly matched layer ，PML）邊界條件，激發(fā)換能器采用雷克子波（圖3），對雙層介質進行聲波波場數(shù)值模擬。 震源位于中心， 以防PML 在對薄層介質、 震源位置靠近網(wǎng)格邊緣或者檢波器處于遠偏移距的模型的數(shù)值模擬效果不理想[5]。 震源主頻為30 Hz，采樣間隔為1 ms，空間采樣步長為5，初始時刻波場為0。

圖3 Ricker 子波波形圖

由圖4 可以看出，隨時間的推進，子波產(chǎn)生，然后逐漸衰減，波場能量向四周外推。 在同一介質中，聲波傳播至邊界產(chǎn)生反射， 當聲波遇到介質分界面，在介質界面產(chǎn)生反射。 從混凝土碳化反應機理分析，碳化部分和未碳化部分的結構和成分存在差異，造成介質聲阻抗差異，聲阻抗差異大時聲波傳播途徑發(fā)生變化。

圖4 聲波波場快照

3.3 碳化深度實驗

自然條件下混凝土的碳化試驗，能真實地反映結構在環(huán)境中的碳化情況，但碳化時間較長，且自然條件下，空氣中CO2濃度為0.03%～0.04%，溫度和濕度時有變換，混凝土碳化深度的差異較大[6]。

試驗時，對混凝土試塊脫模，采用超聲波對測法檢測9 個混凝土試塊（編號為1～9）的密封未碳化面聲學狀況。 然后用酚酞酒精試劑法檢測自然碳化面碳化深度，用鑿子在碳化測試面開鑿一個直徑為15 mm，深度達到未碳化部分的孔洞，均勻噴灑酚酞酒精試劑。 混凝土碳化部分不變色，未碳化部分顯現(xiàn)為紫紅色，存在一個分界線，用直尺測讀3 次分界線至試件表面的垂直距離，取平均值，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同齡期混凝土聲波參數(shù)及碳化深度

一般情況下，混凝土構件強度越大，結構越致密，那么聲時越小，聲速越高，主頻和波幅穩(wěn)定。 碳化深度檢測時，2.0 mm 是重要臨界值，《回彈法檢測混凝土抗壓強度枝術規(guī)程》（JGJ/T23-2011）中規(guī)定：當碳化深度值極差大于2.0 mm 時， 應在每一測區(qū)測量碳化深度值[7]。 從表中數(shù)據(jù)可以看出，養(yǎng)護31、36、41 d 后，混凝土碳化深度不超過2.0 mm。 碳化程度較小時，混凝土試塊3 個齡期內的各聲學參數(shù)均較穩(wěn)定，未見明顯差異。

為了進一步驗證自然碳化時間對混凝土碳化深度的影響， 以碳化224 d 的2 個試塊為例進行分析。以試塊編號分別為D-1、D-2 混凝土碳化面作為測試面，測試混凝土碳化深度。用酚酞試劑法和超聲波法進行測試， 先用超聲儀在試件表面選擇較為平整的測試面， 在換能器上涂抹凡士林作為耦合劑，發(fā)射換能器T 耦合好保持不動，將接收換能器R 依次耦合在間距為30 mm 的測點1、2、3、4…位置上，讀取相應的聲時值t1、t2、t3、…，并測量每次T、R 內邊緣之間的距離L1、L2、L3、L4…，如圖5所示。

圖5 超聲法檢測示意圖

從表2 可知， 養(yǎng)護224 d 混凝土碳化深度為2.67～3.00 mm。 一方面，與養(yǎng)護早期混凝土相比，聲學參數(shù)相對降低，其中聲波速度大幅度降低。 原因在于混凝土均勻性、密實度、組成成分變化、測距等，導致混凝土波阻抗發(fā)生變化，波場模擬實驗發(fā)現(xiàn)這將改變聲波傳播途徑，進而可能使得接收信號聲時，振幅、主頻等參數(shù)在一定范圍內波動。 另一方面，試件在此碳化深度條件下，隨著測點距離增加，聲速增加，聲幅、主頻雖然存在波動，但較穩(wěn)定。 一般而言，振幅和主頻對缺陷比較敏感，由此可推測混凝土碳化部分與未碳化部分存在差異，但差異較小，不存在明顯缺陷，說明應用超聲波反射規(guī)律來評估混凝土碳化深度具有可行性。

表2 養(yǎng)護224 d 混凝土聲波參數(shù)與碳化深度

4 結論

在本文的研究條件下，結合酚酞試劑法和超聲波法對C30 早強混凝土進行碳化深度測試。通過建立雙層介質模型模擬聲波傳播情況，當介質波阻抗發(fā)生變化，聲波在波阻抗界面將產(chǎn)生反射波。 實際試驗中，當試件碳化深度小于2.0 mm 時，聲速、幅度、主頻等參數(shù)，未見明顯差異。 當碳化深度超過2.0 mm，聲速大幅降低，振幅和主頻在一定范圍內波動，但較穩(wěn)定。 由此可知碳化沒有導致混凝土產(chǎn)生明顯缺陷，應用超聲波反射規(guī)律來輔助評估混凝土碳化深度具有可行性。 可以預見，測試足夠數(shù)量樣本，加深對聲信號的分析和處理，將是提高碳化深度檢測質量的有效手段之一。