方苏波
中铁六局集团路桥建设有限公司 湖南长沙 410007
摘要：水泥混凝土是一种在工程建设中占有十分重要地位的材料，混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的问题，碳化诱发混凝土结构钢筋锈蚀、导致混凝土耐久性下降的现象已成为工程界的共识。因此，必须十分重视形成混凝土碳化的因素和降低混凝土碳化的措施。本文结合实际工程项目，重点对引起混凝土碳化的混凝土密实度和混凝土养护方面进行分析，并根据具体情况提出了降低混凝土碳化深度的措施。从混凝土配合比设计优化、增加现场振捣人员，改进振捣工艺、更换损坏振捣器，调整振捣位置等方面提高混凝土的密实度。从制定养护责任人及奖惩管理办法，改善现场养护条件等方面提升混凝土的养护效果。通过上述措施，取得了良好的社会效应和经济效益。也为今后同类型的混凝土碳化深度的控制提供了参考。
关键词:碳化深度 调查与分析 控制措施 工程实例
1.引言
1.1混凝土原材料大部分可以就近取材，材料廉价，可塑造多种形状的结构，方便施工，抗压能力强、适用范围广等特点，在工程建设中占有十分重要地位。混凝土碳化也是混凝土建筑物普遍存在的问题,是影响混凝土强度和耐久性的重要原因之一。由于碳化作用能使混凝土内部碱度降低，当碳化深度达到混凝土钢筋保护层附近时，钢筋会因“钝化膜”破坏而受到腐蚀，混凝土耐久性、强度开始下降，建筑物投入使用后将会严重威胁群众的生命和财产安全。
1.2施工过程中为了方便、快捷、不损坏结构的情况下测试结构实体的强度，常用的方法就是回弹法。但是在检测过程中，经常会出现因碳化深度过大而导致回弹法和钻芯法对结构混凝土强度相关性差，甚至出现结果相悖，造成施工过程中的检测无参考意义。
1.3因此，混凝土的碳化将是科研人员和施工技术人员必须要面对的问题。采用有效的措施来控制混凝土的碳化深度，将是十分必要的。
2.影响混凝土碳化深度的因素
2.1混凝土的碳化是指空气中的CO2气体通过硬化混凝土毛细孔渗透到混凝土内，与水泥水化反应所产生的水化物进行着一个十分复杂的化学反应。这些反应会使混凝土内部碱度降低，破坏钢筋周围的“钝化膜”，这样就会引起钢筋的锈蚀，因锈蚀而引起体积膨胀使覆盖层遭受破坏，就会发生沿钢筋界面出现裂缝、混凝土覆盖层剥落等现象，直至结构物散失工作能力。
2.2影响混凝土碳化的因素有很多，有水泥的品种、骨料品种和级配、掺合料的品种和数量、单方水泥用量、水胶比、混凝土配合比、混凝土的施工质量、混凝土的养护质量等混凝土的内部因素，也有结构物所处的周围CO2浓度和有毒有害气体、光照、相对湿度、温度和冻融等外界环境因素。
3.工程实例
赣深高铁，即京港高速铁路赣深段，是“八纵八横”高速铁路网的“京港（台）通道”的重要组成部分，设计使用年限为100年。新建赣深铁路工程GSSG-3标段一分部，地处广东省河源市和平县境内，承担施工范围为DK172+670.44（标段起点）～DK182+143.20（新聚隧道出口）段，共计9.472公里。
一分部主要工程量:包括桥梁9座(5座大桥4座中桥)，长度1402.81延米；隧道7座，长度7027.91延米；钢筋混凝土框架涵2座，2-4.0m和1-1.5m各一座；路基12段，长度1041.84米；现浇箱梁20孔，长度668.48米；正线轨道板铺设9472.76米；分部内设计混凝土方量47.6万m3。
3.1工程实体碳化深度检测情况
试验室对新聚隧道DK178+173.5～DK178+631段40板二衬进行碳化深度检测，按照规范要求每板二衬检测3点共计120个测点，统计如下：
实测碳化深度
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通过此表可以看出大于2.0mm碳化占总比例的79.2%，对混凝土耐久性存在一定隐患。
3.2调查与分析
针对混凝土碳化深度存在的问题，结合前文提到的影响因素进行调查与分析，寻找解决问题的方法。
3.2.1水泥的品种
水泥的品种是影响混凝土碳化深度很关键的因素。一般情况下，水泥中的熟料越多，混凝土的抗碳化能力越强，普通硅酸盐水泥比加掺和料较多的水泥抗碳化能力好，碳化速度慢。本项目使用的是江西瑞金万年青有限公司生产的万年青牌P·O42.5散装水泥。在目前条件下，继续使用万年青牌P·O42.5散装水泥。
3.2.2骨料品种和级配
骨料品种和级配直接影响着混凝土的密实性，从而影响混凝土的碳化速度。材质致密坚实,级配较好的骨料的混凝土，其碳化的速度较慢。在本项目中，提出了采用机制砂替代河砂的方案，合理利用机制砂中石粉含量填充骨料间孔隙降低混凝土孔隙率。改善混凝土的密实性，提高混凝土的抗碳化能力。
3.2.3掺合料的品种和数量
在普通混凝土中，掺粉煤灰时，当粉煤灰掺量小于10%时，可以不考虑粉煤灰对碳化的影响。但是粉煤灰的掺量不宜超过30%。根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中的要求，考虑工程所处的环境，混凝土的耐久性、工作性和经济性等因素。不采取降低粉煤灰用量的做法，仍然采用等量替代20%水泥的方法。因为仰拱混凝土粉煤灰的掺量也是等量替代20%水泥，而同龄期混凝土中仰拱碳化深度均比二衬混凝土低2.0mm。说明等量替代20%水泥的方法可行。
3.2.4水泥用量
单方水泥用量增加的情况下，能改善混凝土的和易性，改善混凝土的密实度，能提高混凝土的抗碳化能力。但是混凝土的成本上升，不利于配合比的优化工作。
3.2.5水胶比
在水泥用量一定的条件下，水胶比增大，混凝土的孔隙率增大，密实度降低，渗透性增大，会加快混凝土的碳化。所以，要想有效控制混凝土的碳化，应控制混凝土的水胶比。外加剂(减水剂）的使用能有效降低混凝土水胶比，也能提高混凝土的抗渗性能，降低混凝土的碳化速度。在保证混凝土工作性能、坍落度的条件下。可以通过提高外加剂掺量、提高外加剂的减水率等方法。但是对混凝土成本也会有所提高！
3.2.6混凝土配合比
验证同一隧道、同一龄期范围的两种配合比混凝土的碳化深度，试验人员对新聚隧道中二衬和仰拱混凝土的同条件试件分别进行检测，同龄期混凝土中仰拱碳化深度均比二衬混凝土低2.0mm；试验人员对2个部位混凝土配合比进行分析，存在差异。所以说混凝土的配合比也是影响混凝土碳化深度的关键因素。
3.2.7混凝土的施工质量
在混凝土浇筑和振捣过程中，如果出现搅拌不足、振捣效果不好，混凝土内部容易出现强度低，裂缝、蜂窝、麻面、空洞多，会降低混凝土的抗碳化能力。试验人员对新浇筑的二衬振捣情况进行调查，发现存在以下问题。
（1）人工振捣存在漏振，不满足要求，试验人员在现场跟踪作业中发现，工人在二衬施工过程中未按技术交底进行逐窗入模浇筑，多为跳振，存在漏振，达不到振捣效果，造成混凝土内部不密实。
（2）二衬台车辅助振捣器安装不满足要求，试验人员观察拆模后二衬外观质量，二衬台车为12米台车，应按梅花形布置分三层安装辅助振捣器，每层4个共计24个平板振捣器。在对隧道二衬台车平板振捣器进行检查时，发现共有21个平板振捣器，且有2个已损坏，无法正常使用。对浇筑完成后二衬外观进行检查，存在蜂窝麻面情况。
3.2.8混凝土的养护质量
养护质量好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，碳化速度慢。试验人员对新浇筑的二衬混凝土养护情况进行调查，抽查并记录二衬浇筑后养护情况，发现存在以下问题。
（1）二衬浇筑完成48小时后进行松模，但台车并未移动，给现场养护造成很大困难。
（2）隧道未安排专人负责养护，现场养护不到位。
3.2.9CO2浓度和有毒有害气体的影响
混凝土碳化速度随CO2浓度的增加而加快。检测隧道CO2浓度和有毒有害气体对碳化影响，对隧道内气体进行每日排查，安排试验人员对隧道内气体进行日常检查并记录，经检测隧道内气体未发现超标情况，现场通风设施满足要求。
3.2.10其他方面的影响因素调查与分析
（1）阳光的直接照射、混凝土结构物所处的相对湿度、温度和冻融环境，都影响着混凝土的抗碳化能力和碳化速度。该项目所在位置为河源市和平县，和平县属中亚热带季风气候区，光照充足，气候温和。年均温度17.9℃～20.2℃。同龄期混凝土中仰拱碳化深度均比二衬混凝土低。说明在温度、光照、相对湿度、冻融等方面影响小，且在施工过程中不易改变，所以暂时不考虑从这些因素中寻找解决的办法。
（2）现场管理人员到岗情况。通过抽查现场管理人员在岗情况，根据现场五图一牌上管理人员名单不定时抽查管理人员在岗情况，经抽查管理人员到岗率100%，且现场管理人员满足现场施工。
（3）试验人员测试碳化深度方法。通过人员比对测试碳化深度，试验室主任安排两名试验室人员对同一板二衬碳化深度进行测试，人员比对结果均满足规范要求。
（4）拌和站计量偏差方面。试验人员检查拌合站计量检定报告，检定日期和检定结果均满足要求，安排拌合站试验人员使用砝码对拌合机组材料称逐个进行自校，均符合规范要求。
（5）混凝土原材料方面。试验室对原材料进行检测，试验室分别对水泥、粉煤灰中活性指数、游离氧化钙、氯离子、碱含量等进行检测，均符合规范要求。
3.3制定措施并实施
针对调查与分析的结果，现场的混凝土振捣、所使用的混凝土配合比、原材料、混凝土养护等方面存在影响混凝土碳化的问题。针对存在的问题，制定相应措施，完善相关施工方案，抓紧实施，并落实责任人。做到有目标、有措施。
3.3.1人工振捣不密实的情况，采取增加现场振捣人员，改进振捣工艺，做到全覆盖振捣，不得漏振，由工班长组织学习振捣作业交底，增加振捣作业人员，改进振捣工艺等保证二衬混凝土振捣质量，提高混凝土的密实度。
（1）工班长组织学习振捣作业交底
采取技术交底的方式，工班长在新聚隧道驻地对二衬作业班组进行全员交底，主要从振捣棒作用半径以及快插慢拔、如何掌握振捣时间等方面进行培训，并通过现场提问方式，了解作业人员掌握程度，培训效果明显。
（2）增加现场振捣人员
二衬台车单侧12米，两侧24米，现有振捣人员3名，试验人员观察现场振捣情况后，要求作业班组增加至5名振捣工人。
（3）改进振捣工艺
规范要求二衬混凝土应逐窗浇筑，试验人员在对台车窗口进行检查后，发现存在一部分窗口未打开，工人振捣不到位，试验人员要求班组将所有台车窗口全部打开，并盯控作业。要求逐窗浇筑，每个窗口下混凝土均有人工振捣痕迹，保证混凝土密实性。
3.3.2混凝土配合比选定的问题，采取降低混凝土孔隙率，优化配合比，采用机制砂替代河砂，提高混凝土密实性。通过分析出两种配合比区别，调整材料用量，优化混凝土配合比，提高混凝土密实性。
（1）分析两种配合比不同之处，重新优化配合比
试验室对新聚隧道仰拱、二衬混凝土同条件试块碳化进行对比，发现仰拱混凝土试件碳化远低于二衬混凝土，试验人员立即对两个配合比进行分析，经检查原始配合比，发现有以下三处区别1、仰拱混凝土采用机制砂配合比，二衬采用河砂配合比；2、仰拱配合比水胶比0.38，二衬混凝土水胶比0.40；仰拱坍落度设计140～180mm，二衬混凝土坍落度设计160～200mm。
（2）调整混凝土原材料，降低混凝土孔隙率
经多次试拌机制砂石粉含量控制在10～15%时，能有效提高混凝土的密实性，混凝土抗碳化能力显著提升。再确认使用机制砂混凝土后，试验人员对不同水胶比碳化深度进行检测，发现水胶比越小，混凝土抗碳化性能越显著。
通过从以上几方面对配合比进行优化后，对混凝土拌合物性能进行检测，出机混凝土坍落度200mm，1.0小时后测试坍落度195mm，混凝土初始含气量2.5%，泌水率0%，混凝土粘聚性、保水性良好，标准养护混凝土试件56天抗压强度46.7MPa，试验人员一致认为配合比水泥：粉煤灰：砂：碎石：外加剂：水=344:86:776:1030:4.30:160满足现场施工，确定为最佳配合比，报送监理站进行审批。
3.3.3二衬台车辅助振捣器安装不满足要求，采取更换损坏振捣器，调整振捣位置，增加振捣器数量等使振捣器配备满足规范要求。
（1）按交底要求布置足够平板振捣器，保证混凝土密实度。试验人员与现场技术主管对平板振捣器安放位置及运转情况进行检查，根据交底要求重新布置振捣器安装位置，更换已损坏振捣器，确保混凝土能振捣到位，不出现蜂窝麻面等情况，避免加快混凝土碳化。
（2）现场报验程序中增加一条，每次二衬混凝土浇筑报验前，由技术人员对二衬台车振捣器进行检查，确保数量及功能满足要求后同意开盘浇筑混凝土。
（3）要求作业班组必须储备一定量平板振捣器，避免损坏后无法及时更换。
3.3.4混凝土养护不到位，为保证二衬混凝土养护满足要求，采取不定时检查二衬养护情况及改善养护方式，要求混凝土在拆模后及时养护，且不少于14d，制定养护责任人及奖惩管理办法,改善现场养护条件，采用雾炮方式养护。主要从以下几方面进行：
（1）改善现场养护条件
试验人员在现场检查后发现养护采用洒水车水管养护，养护后二衬表面湿润时间维持较短，要求作业班组采用雾炮及人工定时养护，二衬混凝土达到较长时间湿润，避免因混凝土开裂，而加快混凝土碳化。
（2）控制养护最佳时间
二衬混凝土浇筑完成48小时后，及时松动台车模板，并具备二衬混凝土养护条件，确保混凝土的中心温度和混凝土的表面温度之差不超过25℃,并保证混凝土表面温度和大气温度之差不超过20℃。
（3）制定奖罚措施
为保证二衬混凝土养护到位，指定专人负责养护，并制定《关于隧道二衬混凝土养护管理办法及奖惩措施的通知》文件并进行了下发，每月进行考核，现场负责人的积极性有了很明显的提高。
3.4效果检查
3.4.1抽调试验人员对新聚隧道DK178+739～DK179+075段30板二衬，每板3个点共计90个测点进行检测，具体调查情况如下：
实测碳化深度
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通过此表可以看出大于2.0mm碳化占总比例的11.1%，取得了非常明显的效果。
3.4.2社会效益及经济效益
通过优化配合比和现场采取的各种措施，不仅仅是混凝土的碳化深度得到了控制，取得了明显的效果。在混凝土的密实性、缺棱掉角、错台、漏浆方面也取得了较为长足的进步，提升了混凝土的耐久性。经济方面，通过加强现场管理以及采用机制砂替代河砂优化混凝土配合比，二衬混凝土平均每方节约成本约20元。
4.结束语
本文对新建赣州至深圳铁路工程GSSG-3标段一分部承担施工范围的新聚隧道二衬混凝土产生碳化深度的原因及预防控制措施进行了探讨，通过对碳化深度产生原因的分析，制定措施，避免了因二衬混凝土碳化深度过高导致混凝土耐久性和强度不满足要求的情况发生。过程中与各个部门共同配合、共同创造了决策快、推进快的“赣深速度”，确保了工程的稳步开展，提高了公司在广东省的市场信誉。同时也为今后同类型的混凝土碳化深度的控制提供了参考。
主要参考文献：
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作者简介：方苏波，男，工程师，联系电话：15156081908