淺談混凝土碳化機(jī)理及處理措施

淺談混凝土碳化機(jī)理及處理措施淺談混凝土碳化機(jī)理及處理措施中圖分類號(hào)：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1刖言混凝土的強(qiáng)度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)有詳細(xì)的計(jì)算和試驗(yàn)方法，達(dá)不到指標(biāo)的即為不合格，而對(duì)耐久性，規(guī)范并沒(méi)有嚴(yán)格的衡量參數(shù)，同一強(qiáng)度指標(biāo)的混凝土其實(shí)際耐久性差異可能會(huì)很大?；炷量固蓟芰κ呛饬炕炷两Y(jié)構(gòu)耐久性非常重要的一個(gè)指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)混凝土碳化和鋼筋去鈍化物理化學(xué)反應(yīng)的分析，揭示了混凝土碳化對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理和規(guī)律，提出了在設(shè)計(jì)和施工時(shí)對(duì)混凝土防碳化處理的建議，并提供了一些在除險(xiǎn)加固工程中實(shí)用的防碳化處理方案。2混凝土碳化機(jī)理混凝土是一個(gè)多孔體，其內(nèi)部存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡，甚至缺陷。混凝土的碳化是水泥石中水化產(chǎn)物與環(huán)境中二氧化碳相互作用的一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)連續(xù)過(guò)程。以普通硅酸鹽水泥為例，其主要水化產(chǎn)物有：水化硅酸鈣（占60%以上），氫氧化鈣（約占25%），水化鋁酸鈣，水化硫鋁酸鈣等。在水泥水化過(guò)程中，由于化學(xué)收縮、自由水蒸發(fā)等原因，使水泥石成為一個(gè)含有固相、液相和氣孔的非均質(zhì)體。環(huán)境中二氧化碳?xì)怏w首先滲透到混凝土內(nèi)部充滿空氣的孔隙和毛細(xì)管，其次溶解于孔隙內(nèi)的液相并生成碳酸，然后與水泥石中各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)。水泥石中各水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在PH值，見(jiàn)表1。表1水泥石中各水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在PH值成分PH值成分PH值水化硅酸鈣10.4水化硫鋁酸鈣10.17水化鋁酸鈣11.43氫氧化鈣12.23當(dāng)混凝土細(xì)孔溶液的PH值低于表1中的臨界數(shù)值時(shí)，該物質(zhì)就開始進(jìn)行分解，在水化物中的氫氧化鈣首先與酸性物質(zhì)反應(yīng)。主要的碳化反應(yīng)方程式如下：CO2+H2O=H2CO3Ca（OH）2+H2CO3=CaCO3+2H2OC3S2H3+3H2CO3=3CaCO3+2SiO2+6H2O碳化后的混凝土質(zhì)地疏松，強(qiáng)度降低。混凝土碳化的機(jī)理就是大氣中的二氧化碳與混凝土中的堿性物質(zhì)，在氣相、液相和固相中進(jìn)行的一個(gè)十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過(guò)程?；炷撂蓟瘜?shí)質(zhì)上就是砂漿或混凝土堿性降低的過(guò)程。未碳化區(qū)混凝土孔隙溶液的PH值達(dá)12.5左右，完全碳化區(qū)混凝土孔隙溶液的PH值一般為8~9。當(dāng)pH值降至11.5以下時(shí)，鋼筋周圍的致密鈍化膜就受到破壞，在水和氧氣得到滿足的條件下，鋼筋就開始銹蝕。主要的反應(yīng)方程式如下：2Fe+O2=2FeOFeO+H2CO3=FeCO3+H2O4FeCO3+10H2O+O2=4Fe（OH）3+4H2CO3鋼筋一生銹，體積增大，破壞了混凝土覆蓋層，沿鋼筋產(chǎn)生裂縫。水、空氣進(jìn)入裂縫，加速了鋼筋的銹蝕。當(dāng)然，引起混凝土中鋼筋銹蝕的因素不只是混凝土的碳化，其中氯化物就是一個(gè)非常重要的影響因素。事實(shí)上，氯化物引起的鋼筋去鈍化一般要比混凝土碳化引起的鋼筋去鈍化要嚴(yán)重得多。例如同樣是C45級(jí)混凝土，如果鋼筋去鈍化時(shí)間都是50年，則在一般的碳化環(huán)境中，混凝土最小保護(hù)層厚度只要1cm，而在含氯化物的環(huán)境中，就至少要7cm。因此，在氯化物影響明顯的工程（如海洋工程）中，在考慮混凝土碳化對(duì)鋼筋銹蝕的影響時(shí)更要考慮到氯化物的影響。4影響混凝土碳化的因素1環(huán)境條件因?yàn)樘蓟且合喾磻?yīng)，十分干燥的混凝土即一直處于相對(duì)濕度低于25%空氣中的混凝土很難碳化；在空氣濕度50%?75%的大氣中，不密實(shí)的混凝土最容易碳化；但在相對(duì)濕度＞95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化，這是因?yàn)榛炷梁畷r(shí)透氣性小，碳化慢；在濕度相同時(shí)，風(fēng)速愈高、溫度愈高，混凝土碳化也愈快；混凝土碳化速度與空氣中CO2濃度的平方根成正比。2水泥品種一般說(shuō)來(lái)，普通硅酸鹽水泥要比早強(qiáng)硅酸鹽水泥碳化稍快，摻混合材的水泥碳化速度更快，混合材摻量越大，碳化速度越快。摻用優(yōu)質(zhì)減水劑或加氣劑，可以大大改善混凝土的和易性，減小水灰比，制成密實(shí)的混凝土，使碳化減慢。尤其是加氣減水劑，由于抗凍性提高，可以大大改善鋼筋混凝土建筑物的耐久性。3骨料種類混凝土中的骨料本身一般比較堅(jiān)硬、密實(shí)，總的說(shuō)來(lái)，天然砂、礫石、碎石比水泥漿的透氣性小，因此混凝土的碳化主要通過(guò)水泥漿體進(jìn)行。但是，在輕混凝土中，由于輕質(zhì)骨料本身氣泡多，透氣性大，所以能通過(guò)骨料使混凝土碳化。一般說(shuō)來(lái)，輕混凝土比普通混凝土碳化快，需要摻用加氣劑或減水劑來(lái)減緩它的碳化速度。4水灰比混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關(guān)系，混凝土的透氣性越小，碳化進(jìn)行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實(shí)，透氣性小，因而碳化速度就慢。同理，單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。5澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量密實(shí)的混凝土表層孔隙很小，易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水，故不易碳化；欠密實(shí)的混凝土表層中大孔隙內(nèi)無(wú)水，CO2可以由氣相擴(kuò)散到充滿水的毛細(xì)孔隙而完成碳化。所以越是密實(shí)的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個(gè)重要因素。如果混凝土澆筑時(shí)不規(guī)范，特別是振搗不密實(shí)，以及養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足時(shí)，就會(huì)造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道粗大，且大多相互連通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起混凝土再現(xiàn)蜂窩、裂縫等缺陷，使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。5混凝土碳化處理措施1選用抗碳化能力強(qiáng)的水泥品種。由礦渣水泥325#形成普通混凝土的碳化速度系數(shù)比由普通硅酸鹽水泥425#形成普通混凝土的碳化速度系數(shù)提高1.5倍。525#水泥配制混凝土的抗碳化性能比425#水泥配制的要好。同標(biāo)號(hào)早強(qiáng)型水泥比普通型水泥的抗碳化性能要好。2在施工條件允許的情況下，盡可能采用較小的水灰比。水灰比是影響混凝土碳化的關(guān)鍵因素?；炷廖斩趸嫉牧恐饕Q于水泥用量。當(dāng)水灰比大于0.65時(shí)，其抗碳化能力急劇下降；當(dāng)水灰比小于0.55時(shí)，混凝土抗碳化能力一般可得到保證。3選用能夠提高混凝土抗碳化能力的外加劑。如：羥基羧酸鹽復(fù)合性高性能減水劑等。4采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和超摻系數(shù)。在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰，可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式時(shí)，只要選擇配合比適中，混凝土抗碳化能力一般可得到保證。5采用適量硅粉、粉煤灰共摻技術(shù)。在混凝土中采用適量硅粉、粉煤灰共摻技術(shù)，可以大大增強(qiáng)混凝土密實(shí)性，提高混凝土抗碳化能力。5.6嚴(yán)格控制混凝土裂縫寬度。按照現(xiàn)行《規(guī)范》，計(jì)算和選擇配筋率，保證結(jié)構(gòu)斷面有足夠的構(gòu)造鋼筋，符合混凝土保護(hù)層最小厚度等要求。5.7嚴(yán)把混凝土施工質(zhì)量關(guān)?；炷潦┕べ|(zhì)量?jī)?yōu)、強(qiáng)度高、密實(shí)度好，則其抗碳化性能就較強(qiáng)。5.8采用涂料防護(hù)法。在混凝土表面涂刷環(huán)氧厚漿涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等，可以阻止環(huán)境中二氧化碳?xì)怏w向混凝土內(nèi)部孔隙擴(kuò)散，從而提高混凝土抗碳化能力。5.9對(duì)于水上部位的變形縫，可采用專用SR嵌縫膏進(jìn)行表面封閉；對(duì)水下部位的變形縫，可采用專用的SBS改性瀝青灌注封閉，能起到閉氣止水的雙重作用?？梢宰杈徔p內(nèi)混凝土的繼續(xù)碳化，并能滿足變形縫的變形要求。參考文獻(xiàn)：1、楊靜.混凝土的碳化機(jī)理及其影響