混凝土碳化的影響因素及其控制措施

1、混凝土碳化的影響因素及其控制措施建筑技術(shù)開發(fā)2005年2月 作者：楊利偉 王天穩(wěn)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C02、HC1、S02、C12深入混凝土表面, 及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?是中性化最常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳及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

2、會降低混凝土的堿度，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，混凝土 碳化還會加劇混凝土的收縮，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)1 混凝土的基本組成材料為水泥、水、砂和石子，其中的水泥及水發(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），同時將散粒狀的砂和石子粘結(jié) 起來，成為一個堅(jiān)硬的整體?；炷恋奶蓟侵杆嗍械乃a(chǎn)物及周圍環(huán)境中 的二氧化碳作用，生成碳酸鹽或其他的物質(zhì)

3、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，及水泥水化過程中產(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：co： + H2O-*H2CO3Ca (OH) 2 + H2CO3-*CaCO3 + 2H203CaO 2SiO2 3H20 + 3H:CO3-*3CaCO3 + 2SiO2 + 6H:02CaO - SiO： 4H=0 + 2H2C03-*2CaC03

4、 + SiO： + 6H=0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8 在混凝土的細(xì)孔溶液中，存在著較多的K+、Na+和及之平衡的OH- , Ca + +的濃度很低。C02及細(xì)孔溶液中的H20反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為H+和C02 - 3 ,然后 H+及固相Ca (0H) 2中0H-結(jié)合生成H20 ,從而Ca (0H) 2溶解；C02 - 3選擇 性地及少量Ca + +結(jié)合生成CaC03沉淀。如圖1所示。8畔），斗格液細(xì)"溶液細(xì)孔邛液*SfrE&E 互歸& 二 三0地日001群二三5典修武芋B二餅赫佩陀/ 2a

5、網(wǎng)電煩機(jī)夕照QM）；向贏匕abc圖1混凝土的碳化進(jìn)展模式細(xì)孔溶液的組成與.二氧化碳的侵入;（b）碳酸與細(xì)孔溶液的 反應(yīng)及碳酸根離子與鈣離子反應(yīng)；k）碳酸鈣的沉淀1J氫氧化鈣 的溶解2影響混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴隨著C02氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙 內(nèi)的水，再及水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)這樣一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。所以，混凝土的 碳化速度取決于C02的擴(kuò)散速度及C02及混凝土成分的反應(yīng)性。而C02的擴(kuò)散速度 又受混凝土本身的組織密實(shí)性、C02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)為及混凝土

6、自身相關(guān)的內(nèi)部因素和及環(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C02的量，混凝土吸收C02的量等于水泥 用量及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

7、泥(BFC) 普 通硅酸鹽水泥(OPC) 早強(qiáng)水泥(HEC) o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)度是兩個密切相關(guān)的概念?；炷恋乃冶仍降停?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C02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?受單位體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

8、著混凝土的凝固，水占 據(jù)的空間也會變成微孔或毛細(xì)管等。因此水灰比對混凝土的孔隙結(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)，它及混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)系，并在一定程度上反映了水泥品種、 水泥用量及水泥強(qiáng)度，骨料品種摻和劑，以及施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法等對混凝土品質(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 集料品種和級配集料的品種和級配不同，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，直接影響著混

9、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)狀況對碳化也有一定影響。混凝土早期養(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及光照和溫度有直接關(guān)系。隨著

10、溫度提高，C02在空氣中的 擴(kuò)散逐漸增大，為其及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 相對濕度C02溶于水后形成H2C03方能和Ca (OH) 2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干 燥時，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釋放水的過程，環(huán)境 相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化進(jìn)一步進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對濕 度在50 %70%之間時，混凝土碳化速度最快。2. 2. 3C02的濃度對于C02的影響，學(xué)者們提出了多達(dá)兒十種觀點(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:x = 2Dqc a t (1)

11、其中，x為碳化系數(shù)，D為C02滲透系數(shù)；qc為空氣中C02濃度；a為單 位體積混凝土吸收C02能力的系數(shù)。(1)式表明C02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，及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，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生潰 爛性銹蝕3 o2. 3 其他因素2. 3. 1 不同應(yīng)力狀態(tài)對混凝土碳化的影響4 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

12、之后對內(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C02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，C02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，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 度隨時間的增長也越來越慢。2. 3. 2 裂縫對混凝土碳化的影響5 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)其耐久性的一個綜合性指標(biāo)。裂縫的 存在將直接影響到混凝土的滲透性及耐

13、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。表1混凝土在不同應(yīng)力作用下快速碳化試驗(yàn)碳化深度測定值,mm試件 編號應(yīng)力水平 /MPa碳化時間/月11.573025.4531.3036.406.2了23.2031 .死34.45KC210.4522.5026.3831.78KC314.6419.9525. 1329.19KT10.57629.637. 50KE1.036S0.238.75KI31.2931.040.503工程實(shí)例6 , 7 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)

14、過程中支架周圍的C02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，C02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)部及外部溫差大于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（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

15、混凝土碳化深度的檢測，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 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

16、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，吠喃改性 環(huán)氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料時要考慮涂料及混凝土間的粘結(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)是否及混凝土接近。對及混凝土結(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

17、、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) 情況及時澆水養(yǎng)護(hù)混凝土。參考文獻(xiàn)1 龔洛書等.混凝土的耐久性及其防護(hù)修補(bǔ).北京:中國建筑工業(yè)出版社，1990.2 A. M. Dunster. D. J . Bigland L. R. Holton. Rates of carbornation and reinforce corrososion in high alumina cement concrece J . Magazine of concrete Research , 2002 , 52(6)3 吳勝興，汪基偉.正常極限狀態(tài)的耐久性指標(biāo).混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及應(yīng)用第二 屆學(xué)術(shù)討論會論文集，1990 , 104 袁承