混凝土碳化的影響因素及其控制措施
2006-08-28 00:00
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[摘 要] 混凝土碳化是影響溫凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一，通過對(duì)混凝土碳化機(jī)理以及影響因素的分析，我們可以采取更好的相關(guān)控制措施來減少碳化的危害。
[關(guān)鍵詞] 混凝土；碳化；影響因素；控制措施
空氣、土壤或地下水中酸性物質(zhì)，如CO2 、HCl 、SO2 、Cl2深入混凝土表面，與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程稱為混凝土的中性化?；炷猎诳諝庵械奶蓟侵行曰畛Ｒ姷囊环N形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用很復(fù)雜的一種物理化學(xué)過程。在某些條件下，混凝土的碳化會(huì)增加其密實(shí)性，提高溫凝土的抗化學(xué)腐蝕能力，但由于碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時(shí)，混凝土碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。由此可見，混凝土的碳化對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有很大的影響。因此，混凝土碳化機(jī)理、影響因素及其控制的分析很重要。
1 混凝土的碳化機(jī)理
1. 1 碳化反應(yīng)
混凝土的基本組成材料為水泥、水、砂和石子，其中的水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成的水化物自身具有強(qiáng)度（稱為水泥石） ，同時(shí)將散粒狀的砂和石子粘結(jié)起來，成為一個(gè)堅(jiān)硬的整體。
混凝土的碳化，是指水泥石中的水化產(chǎn)物與周圍環(huán)境中的二氧化碳作用，生成碳酸鹽或其他的物質(zhì)的現(xiàn)象。
碳化將使混凝土的內(nèi)部組成及組織發(fā)生變化。由于混凝土是一個(gè)多孔體，在其內(nèi)部存在大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡，甚至缺陷等?？諝庵械亩趸际紫葷B透到混凝土內(nèi)部充滿空氣的孔隙和毛細(xì)管中，而后溶解于毛細(xì)管中的液相，與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣和硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產(chǎn)物相互作用，形成碳酸鈣。所以，混凝土碳化也可用下列化學(xué)反應(yīng)表示：
CO2 + H2O —H2CO3
Ca （OH） 2 + H2CO3 —CaCO3 + 2H2O
3CaO·2SiO2·3H2O + 3H2CO3—3CaCO3 + 2SiO2 + 6H2O
2CaO·SiO2·4H2O + 2H2CO3 —2CaCO3 + SiO2 + 6H2O
可以看出，混凝土的碳化是在氣相、液相、和固相中進(jìn)行的一個(gè)復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過程。
1. 2 碳化反應(yīng)進(jìn)展模式
在混凝土的細(xì)孔溶液中，存在著較多的K+ 、Na + 和與之平衡的OH- ，Ca + + 的濃度很低。CO2 與細(xì)孔溶液中的H2O反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為H+ 和CO2 -3 ，然后H+ 與固相Ca （OH） 2 中OH- 結(jié)合生成H2O ，從而Ca （OH） 2 溶解；CO2 -3 選擇性地與少量Ca + + 結(jié)合生成CaCO3 沉淀。如圖1 所示。
 2 影響混凝土碳化的因素
混凝土的碳化是伴隨著CO2 氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水，再與水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)這樣一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。所以，混凝土的碳化速度取決于CO2 的擴(kuò)散速度及CO2 與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2 的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2 的濃度、環(huán)境溫度、試件的含水率等因素影響，所以碳化反應(yīng)受混凝土內(nèi)孔溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。這些影響因素主要可歸結(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素和與環(huán)境有關(guān)的外部因素，當(dāng)然，除此之外還存在一些其他因素。
2. 1 內(nèi)部因素
2. 1. 1 水泥用量
水泥用量直接影響混凝土吸收CO2 的量，混凝土吸收CO2 的量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積。另外，增加水泥用量一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實(shí)性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲(chǔ)備。因此，水泥用量越大，混凝土強(qiáng)度越高，其碳化速度越慢。
2. 1. 2 水泥品種
水泥品種不同意味著其中所包含的塑料的化學(xué)成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿性，對(duì)碳化速度有重要影響。在同一試驗(yàn)條件下砂漿的碳化速度大小順序?yàn)?，高爐礦渣水泥（BFC） > 普通硅酸鹽水泥（OPC） > 早強(qiáng)水泥（HEC） 。文獻(xiàn)[2 ]認(rèn)為，高鋁水泥混凝土的碳化規(guī)律同普通硅酸鹽水泥混凝土的碳化規(guī)律基本相似。
2. 1. 3 水灰比
混凝土的水灰比和強(qiáng)度是兩個(gè)密切相關(guān)的概念?；炷恋乃冶仍降?，其強(qiáng)度越高，混凝土的密實(shí)程度也越高；反之亦然。由于混凝土的碳化是CO2 向混凝土內(nèi)擴(kuò)散的過程，混凝土的密實(shí)程度越高，擴(kuò)散的阻力越大?；炷撂蓟纳疃仁軉挝惑w積的水泥用量或水泥石中的Ca （OH） 2 含量的影響。水灰比越大，單位水泥用量越小，混凝土單位體積內(nèi)的Ca （OH） 2 含量也就越少，碳化速度越快。
在混凝土拌和過程中，水占據(jù)一定的空間，即使振搗比較密實(shí)，隨著混凝土的凝固，水占據(jù)的空間也會(huì)變成微孔或毛細(xì)管等。因此水灰比對(duì)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)影響極大，控制著混凝土的滲透性。在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實(shí)度降低，滲透性增大，碳化速度增大。
2. 1. 4 混凝土抗壓強(qiáng)度
混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土基本性能指標(biāo)之一，也是衡量混凝土品質(zhì)的綜合性參數(shù)，它與混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)系，并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強(qiáng)度，骨料品種摻和劑，以及施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)方法等對(duì)混凝土品質(zhì)的共同影響。據(jù)有關(guān)資料表明，混凝土強(qiáng)度高，抗碳能力強(qiáng)。
2. 1. 5 集料品種和級(jí)配
集料的品種和級(jí)配不同，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，直接影響著混凝土的密實(shí)性。試驗(yàn)說明，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等條件下其碳化速度約為輕砂天然輕骨科混凝土的0.56 倍。
2. 1. 6 施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法對(duì)碳化的影響
施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不善，造成混凝土密實(shí)低，烽窩麻面多，為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化速度。
除此之外，混凝土養(yǎng)護(hù)狀況對(duì)碳化也有一定影響?；炷猎缙陴B(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。施工中常用自然和蒸汽養(yǎng)護(hù)法。試驗(yàn)表明，普通混凝土采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的碳化速度比自然養(yǎng)護(hù)提高1．5 倍。
2. 2 外部因素
2. 2. 1 光照和溫度
混凝土碳化與光照和溫度有直接關(guān)系。隨著溫度提高，CO2 在空氣中的擴(kuò)散逐漸增大，為其與Ca （OH） 2 反應(yīng)提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，碳化速度加快。
2. 2. 2 相對(duì)濕度
CO2 溶于水后形成H2CO3 方能和Ca （OH） 2 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干燥時(shí)，混凝土碳化無法進(jìn)行，但由于混凝土的碳化本身既是一個(gè)釋放水的過程，環(huán)境相對(duì)濕度過大，生成的水無法釋放也會(huì)抑制碳化進(jìn)一步進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)濕度在50 %～70 %之間時(shí)，混凝土碳化速度最快。
2. 2. 3 CO2 的濃度
對(duì)于CO2 的影響，學(xué)者們提出了多達(dá)幾十種觀點(diǎn)，其理論模式大多數(shù)基于菲克（Fick） 第一擴(kuò)散（滲透） 定律，即：
 其中， x 為碳化系數(shù)， D 為CO2 滲透系數(shù)； qc 為空氣中CO2 濃度； a 為單位體積混凝土吸收CO2 能力的系數(shù)。
?。?） 式表明CO2 濃度越高，碳化速度越快。
2. 2. 4 氯離子濃度的影響
氯離子在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣。氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時(shí)，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生潰爛性銹蝕。
2. 3 其他因素
2. 3. 1 不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土碳化的影響
混凝土試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下其碳化速度有所不同（如表1 所示） 。通過對(duì)混凝土施加荷載后進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)研究，我們可以在實(shí)際工程中對(duì)不同受力構(gòu)件采取不同的防碳化措施，提高混凝土的耐久性。
 混凝土施加應(yīng)力之后對(duì)內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴(kuò)散作用。微細(xì)裂縫的存在使CO2 容易滲透，引起碳化速度加快，但施加了壓應(yīng)力之后，使混凝土的大量微細(xì)裂縫閉合或?qū)挾葴p小，CO2 的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當(dāng)然，混凝土中的壓應(yīng)力過大時(shí)，也可使是混凝土產(chǎn)生微觀裂縫，加速碳化過程；相反，施加拉應(yīng)力后，混凝土的微裂縫擴(kuò)展，加快了混凝土的碳化速度。另外，碳化速度隨時(shí)間的增長(zhǎng)也越來越慢。
2. 3. 2 裂縫對(duì)混凝土碳化的影響
混凝土機(jī)構(gòu)的劣化破壞過程，多是由于各種有害物質(zhì)從外部向內(nèi)部的滲透或遷移作用。因而混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性是反應(yīng)其耐久性的一個(gè)綜合性指標(biāo)。裂縫的存在將直接影響到混凝土的滲透性與耐久性，并且由于碳化能夠通過裂縫較快的滲入到混凝土內(nèi)部，因而裂縫處混凝土的碳化速度要大于無裂縫處。
3 工程實(shí)例
a） 淮北焦化廠的鋼筋混凝土煤炭運(yùn)輸支架，由于水泥用量較低，混凝土強(qiáng)度較低（水灰比較大） ，又因?yàn)榻够瘡S生產(chǎn)過程中支架周圍的CO2 濃度特別大，根據(jù)混凝土碳化影響的因素，水泥用量越小，混凝土強(qiáng)度越低，水灰比越大，CO2 濃度越高，碳化速度越快。所以該結(jié)構(gòu)僅僅使用四五年，混凝土即遭受嚴(yán)重碳化，保護(hù)層開裂，剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴(yán)重。另外，可以發(fā)現(xiàn)梁比柱、受拉區(qū)比受壓區(qū)碳化程度明顯嚴(yán)重。
b） 北京酒仙橋某污水廠水泵房，由于施工期間在混凝土內(nèi)部與外部溫差大于20 ℃的情況下過早拆模，引起溫度裂縫，并且由于拆模次序不對(duì)（先拆了外模，后拆了內(nèi)模） ，造成了池壁兩側(cè)均出現(xiàn)通長(zhǎng)裂縫。根據(jù)混凝土碳化影響因素，溫度越高，碳化速度越快以及裂縫處混凝土的碳化速度要大于無裂縫處等。我們可以發(fā)現(xiàn)該建筑受到嚴(yán)重碳化破壞，后經(jīng)對(duì)混凝土碳化深度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)碳化深度均在35 mm 以上，已經(jīng)超過了混凝土保護(hù)層厚度，混凝土的碳化導(dǎo)致鋼筋的銹蝕，進(jìn)而使裂縫發(fā)展加劇，結(jié)構(gòu)耐久性失效。對(duì)此，將采取相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)。
4 混凝土碳化處理措施
4. 1 碳化處理方法
對(duì)碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建；對(duì)碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度，碳化層比較堅(jiān)硬的，可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化濃度雖較小但碳化層疏松剝落的，應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土；對(duì)鋼筋銹蝕嚴(yán)重的，應(yīng)在修補(bǔ)前除銹，并根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋，防碳化后的結(jié)果，要達(dá)到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進(jìn)入混凝土內(nèi)侵蝕，使其內(nèi)部和鋼筋一直處在高堿性環(huán)境中。
4. 2 防碳化措施
目前，防碳化處理多采用涂料封閉法，主要使用環(huán)氧厚涂料，呋喃改性環(huán)氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料時(shí)要考慮涂料與混凝土間的粘結(jié)力；涂料是否抗凍、抗曬、抗雨水侵蝕；涂料的收縮、膨脹系數(shù)是否與混凝土接近。對(duì)與混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理，水上部分的變形縫可用華東水利設(shè)計(jì)研究院研制的SR 嵌縫膏進(jìn)行表面封閉；對(duì)水下部分的變形縫，可采用南京水利科學(xué)研究院制的SBS 改性瀝青灌注封閉。另外，考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有足夠的保護(hù)層厚度是最常用的保護(hù)鋼筋不遭銹蝕的一種方法。
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)混凝土配合比，施工選擇模板應(yīng)盡可能選擇鋼材、膠合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若選擇木模板應(yīng)控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時(shí)要牢固，拆模應(yīng)在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行；施工中混凝土應(yīng)用機(jī)械震搗，以保護(hù)混凝土密實(shí)性；混凝土澆注完畢后，應(yīng)用草料等加以覆蓋，并根據(jù)情況及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)混凝土。 |
| 原作者： 楊利偉 王天穩(wěn) |
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