混凝土的碳化及其對(duì)鋼筋腐蝕的影響

./混凝土的碳化及其對(duì)鋼筋腐蝕的影響摘要：本文分析了大氣環(huán)境中CO2、SO2等物質(zhì)使混凝土發(fā)生碳化的作用機(jī)理及影響混凝土碳化的主要因素,闡述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的電化學(xué)過程,運(yùn)用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化對(duì)鋼筋蝕的影響。關(guān)鍵詞：混凝土；碳化；鈍化膜；鋼筋腐蝕自從1824年波特蘭水泥〔又稱之為硅酸鹽水泥問世以來,混凝土材料就以其性能優(yōu)越、施工方便和經(jīng)濟(jì)成本低等方面的顯著優(yōu)勢在土木工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而在大氣中的CO2、SO2等外部介質(zhì)作用下,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生碳化,從而導(dǎo)致鋼筋腐蝕〔銹蝕,其性能產(chǎn)生衰減,混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命往往也沒有人們所預(yù)想的那樣長。根據(jù)煤碳部1996年對(duì)部分礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查報(bào)告,顯示因混凝土碳化造成混凝土中鋼筋銹蝕,其鋼筋銹蝕深度達(dá)20%以上,結(jié)構(gòu)的可靠度大大降低。因此混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響逐漸引起了結(jié)構(gòu)工程界的重視。1混凝土的碳化1．1混凝土碳化的作用機(jī)理混凝土的碳化是指空氣中的CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中液相的Ca〔OH2作用,生成CaCO3和H2O的中性化過程。此外水泥石中水化硅酸鈣〔CSH和未水化的硅酸三鈣〔C3S及硅酸二鈣〔C2S也要消耗一定的CO2氣體。由于混凝土是一種多孔性材料,在其部往往存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等缺陷,具有一定的透氣性?？諝庵械腃O2首先滲透到混凝土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Ca〔OH2和水化硅酸鈣〔CSH等物質(zhì)相互作用,形成CaCO3。Ca〔OH2是水泥的主要水化產(chǎn)物之一,對(duì)于普通硅酸鹽水泥而言,水化生成的Ca〔OH2可達(dá)10%～15%。Ca〔OH2一方面是混凝土高堿度的主要提供者,另一方面又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一,很容易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng),從而使混凝土碳化。經(jīng)過大量的研究表明,混凝土的碳化過程是CO2氣體由表及里向混凝土部逐漸擴(kuò)散、反應(yīng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,主要的碳化反應(yīng)方程如下：Ca〔OH2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O3CaO·2SiSO2·3HO2+3CO3→3CaCO3·SiO2·3H2O3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→3CaCO3·2SiO2·nH2O3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→2CaCO3·SiO2·nH2O隨著混凝土碳化過程的進(jìn)行,混凝土毛細(xì)孔中Ca〔OH2的含量會(huì)逐漸減少,必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH值可以用下式表示：PH=14+log10[2×103×Ca〔OH2〔aq]式中Ca〔OH2〔aq——表示混凝土部毛細(xì)孔中液態(tài)Ca〔OH2的含量。混凝土的碳化改變了混凝土的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu),對(duì)混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能有著明顯的影響。1．2混凝土碳化的影響因素從混凝土碳化作用機(jī)理的闡述中可知,影響混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小,即混凝土的滲透性及其Ca〔OH2堿性物質(zhì)含量的大小?？梢哉f,如果混凝土的孔隙率越小、滲透性越低、密實(shí)性越高、Ca〔OH2含量越大,則混凝土的抗碳化性能越好；反之,則越差。影響混凝土密實(shí)性及其堿性儲(chǔ)備的因素十分復(fù)雜,與多種因素有關(guān),具體來說有材料因素、環(huán)境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種及其用量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、骨料級(jí)配、外加劑等；環(huán)境因素包括環(huán)境相對(duì)濕度、溫度、壓力以及CO2氣體濃度等"施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件等。1．2．1水灰比的影響。水灰比增加,混凝土硬化后,多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中,會(huì)提高混凝土部毛細(xì)孔的含量,滲透性提高,因此CO2氣體在混凝土毛細(xì)孔中的擴(kuò)散速度加快,從而將加快混凝土的碳化速度,使混凝土碳化區(qū)的碳化深度提高。對(duì)于普通混凝土,水灰比大小對(duì)混凝土碳化的影響可以用下式表述：η=4.15×W/C-1.03式中η——水灰比對(duì)混凝土碳化影響系數(shù)；W/C——混凝土水灰比大小。圖1為幾種不同水灰比下的混凝土制作成標(biāo)準(zhǔn)試件,進(jìn)行混凝土快速碳化試驗(yàn)〔快速碳化試驗(yàn)條件：CO2的濃度為20±5℃,水泥為普通硅酸鹽水泥,從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出增加混凝土的水灰比,可以加快混凝土的碳化速度。水泥品種的影響。礦不渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快。這是因?yàn)榛鹕交宜唷⒎勖夯宜嗍炝现械腃aO含量低而SiS2的含量高,水泥水化時(shí),SiO2和CaO發(fā)生反應(yīng)大量生成水化硅酸鈣,而生成的Ca〔OH2含量較少,混凝土的堿性低；而硅酸鹽水泥中CaO的含量高,能生成較多的Ca〔OH2,堿性高。另外,混凝土的碳化還與CO2氣體的滲透速度有關(guān)。經(jīng)過大量實(shí)踐可以證明：在相同濕度情況下,火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO2氣體的滲透速度要比硅酸鹽水泥混凝土的滲透速度大。圖2為在水灰比相同、CO2氣體濃度相同、空氣相對(duì)溫度和溫度相同情況下,幾種混凝土碳化深度的比較,可見硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度為最小。1.2.3空氣相對(duì)濕度的影響?；炷恋奶蓟c混凝土環(huán)境的相對(duì)濕度有著重要關(guān)系。Ca〔OH2與CO2反應(yīng)生成的水要向外擴(kuò)散,以保持混凝土部與大氣之間的濕度平衡。如果水向外的擴(kuò)散速度由于環(huán)境濕度大而被減慢,混凝土部的水蒸氣壓力將增大,CO2氣體向混凝土部擴(kuò)散滲透的速度將降低乃至終止,混凝土的碳化反應(yīng)也隨之減慢。在相對(duì)濕度接近100%時(shí),混凝土中的孔隙被水蒸氣的冷凝水所充滿,反應(yīng)產(chǎn)生的水向外擴(kuò)散和CO2向滲透的速度大幅度降低,碳化將終止。而當(dāng)相對(duì)濕度小于25%時(shí),雖然CO2的擴(kuò)散滲透速度很快,但混凝土毛細(xì)孔中沒有足夠的水,空氣中的CO2無法溶解于混凝土毛細(xì)管水中,或其溶解量非常有限,使之不能與堿性溶液發(fā)生反應(yīng),因此碳化反應(yīng)實(shí)際上也無法進(jìn)行。有資料表明,在相對(duì)溫度為50%～70%的條件下,最有利于促進(jìn)混凝土的碳化。這就是為何我國陸地區(qū)較沿海地區(qū)碳化明顯的原因。圖3給出了水灰為0.65,濃度為50%,碳化時(shí)間為5天,在不同濕度環(huán)境下,混凝土的碳化深度。1.2.4空氣中CO2濃度的影響。通常認(rèn)為,CO2在混凝土中的碳化深度可按下式計(jì)算：式中D——混凝土碳化深度；K——CO2擴(kuò)散系數(shù)；C——混凝土表面CO2的濃度；t——混凝土碳化持續(xù)時(shí)間；m——單位體積混凝土所吸收CO2的體積。由上式可以看出,在其他條件不變的情況下,環(huán)境中CO2氣體的濃度越高〔C值越大,則在一定使用期混凝土碳化速度越快,碳化深度〔D越大。1.2.5混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響?；炷翉?qiáng)度等級(jí)越高,混凝土則越密實(shí),CO2的擴(kuò)散速度則降低,從而使混凝土的碳化速度隨之降低,混凝土的抗碳化能力得到提高?；炷翉?qiáng)度等級(jí)大小與混凝土碳化速度之間的關(guān)系,可以用下式表述：K=210/fcu-3.3式中K——混凝土碳化速度系數(shù)；fcu——混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度混凝土振搗、養(yǎng)護(hù)的影響?；炷猎谑┕げ僮鬟^程中如振搗和養(yǎng)護(hù)良好,則混凝土硬化后密實(shí)度較高,混凝土的碳化速度慢。如果混凝土在施工初期養(yǎng)護(hù)不良,混凝土中的水分蒸發(fā)過快,混凝土面層的滲透性增大,則可加快混凝土的碳化。2混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響2.1鋼筋腐蝕的作用機(jī)理根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機(jī)理,鋼筋腐蝕一般分為化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕等幾種形式,對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕必須具備兩個(gè)條件：陽極部位的鋼筋表面處于活性狀態(tài),可以自由地釋放電子,在陰極部位鋼筋表面存在足夠的水和氧氣。在潮濕的環(huán)境下,鋼筋表面總是存在水膜和深于水膜中的氧氣。由于鋼筋不是單一的金屬鐵,同時(shí)含有碳、硅、錳等合金元素和雜質(zhì),這樣不同元素處在相同或不同介質(zhì)中,其電極電位也不同,其間必然存在著電位差,因此,在潮濕的環(huán)境下鋼筋表面的鈍化膜受到破壞時(shí),就可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)過程如下：陽極反應(yīng)：陽極區(qū)鐵原子離開晶格轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫖皆?并釋放電子轉(zhuǎn)變?yōu)殛栯x子。Fe-2e→Fe2+電子傳送過程：陽極區(qū)釋放的電子能冠軍鋼筋向陰極區(qū)傳送。陰極反應(yīng)：陰極區(qū)由周圍環(huán)境通過混凝土孔隙吸附、擴(kuò)散、滲透作用進(jìn)來并溶解于孔隙水中的O2吸收陽極區(qū)傳來的電子,發(fā)生還原反應(yīng)。2H2O+O2+4e-→4〔OH-綜合反應(yīng)：陽極區(qū)生成Fe2+與陰極區(qū)生成的OH-反應(yīng),生成Fe〔OH2。在高氧條件下,Fe〔OH2進(jìn)一步氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镕e〔OH3,Fe〔OH3脫水后變?yōu)槭杷啥嗫椎募t銹Fe2O3：在少氧條件下,Fe〔OH2氧化不完全部分形成黑銹Fe3O4。Fe2++2〔OH-→Fe〔OH24Fe〔OH2+O2+2H2O→4Fe〔OH32Fe〔OH3→Fe2O3+3H2O6Fe〔OH2+O2→2Fe3O4+6H2O通過對(duì)上述反應(yīng)過程進(jìn)行分析,可知：鋼筋腐蝕過程實(shí)質(zhì)上就是活性狀態(tài)的鐵轉(zhuǎn)化為鐵離子的過程。2.2混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響眾所周知,混凝土對(duì)鋼筋具有一定的保護(hù)作用,在一般情況下,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不容易受到腐蝕?；炷林詫?duì)鋼筋具有保護(hù)作用,是因?yàn)樗嗨^程中可產(chǎn)生一定量的Ca〔OH2〔對(duì)于普通硅酸鹽水泥,Ca〔OH2含量可達(dá)10%～15%,Ca〔OH2的溶解度很小,通常以固體形式存在,從而能使混凝土具有高堿度,其PH值一般為12～13,在這樣的高堿性環(huán)境中,會(huì)在鋼筋表面形成一層化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的鈍化膜——層不滲透的牢固地粘附于鋼筋表面上的氧化物。鈍化膜的存在,不僅使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵,而且還將鋼筋與水介質(zhì)隔離,水和氧氣無法滲透過去,因此電化學(xué)腐蝕無法進(jìn)行,從而使鋼筋免受腐蝕。在理想的情況下,混凝土中的PH值為12.5～13,此時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài),只要保持這個(gè)條件,鋼筋就不會(huì)腐蝕,這正是一些鋼筋混凝土建筑物能夠耐久的重要原因。經(jīng)過大量的研究與實(shí)踐表明,混凝土中鋼筋表面鈍化膜的穩(wěn)定性主要取決于周圍混凝土的PH值。當(dāng)混凝土PH值〈9.88時(shí),鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的,鋼筋表面不可能有鈍化膜存在,完全處于活化狀態(tài),即對(duì)鋼筋沒有保護(hù)作用；當(dāng)混凝土PH值處在9.88～11.5之間時(shí),鋼筋表面的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài),會(huì)逐漸溶解、破裂,鋼筋表面可能發(fā)生銹蝕,即不能完全保護(hù)鋼筋免受腐蝕；只有當(dāng)混凝土PH值〉11.5時(shí),鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。當(dāng)鋼筋表面的氧化物鈍化膜被破壞時(shí),在存在氧氣和水化的情況下,鋼筋就會(huì)被造成腐蝕而破壞。能夠使混凝土中的鋼筋表面鈍化膜破壞的因素在和外在兩個(gè)因素。在因素是指混凝土本身具有腐蝕性,如使用了含超標(biāo)準(zhǔn)氯鹽的地下水?dāng)嚢杌炷?混凝土中使用了過量的氯鹽類外加劑等,使鋼筋表面的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài),引起鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕。外在因素是指由于周圍介質(zhì)的作用使混凝土失去保護(hù)鋼筋的能力,如混凝土碳化?；炷撂蓟瘜?shí)質(zhì)就是大氣中的CO2、SO2等酸性介質(zhì),滲入混凝土部與Ca〔OH2發(fā)生中和反應(yīng),中和反應(yīng)的結(jié)果是降低了混凝土的堿度和含堿的數(shù)量?；炷翂A性降低的直接后果是使鋼筋表面的鈍化膜失去穩(wěn)定性或破壞,混凝土就不能保護(hù)鋼筋免受腐蝕?；炷撂蓟?完全碳化區(qū)的PH值由13左右降至9以下,此時(shí)鋼筋必然會(huì)受到電化學(xué)腐蝕。由此可以看出,混凝土的碳化是引起鋼筋腐蝕的主要原因之一。2.3鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響鐵銹的生成造成鋼筋截面減小,構(gòu)件承載力降低；鐵銹體積膨脹〔體積一般要增長2～4倍,使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用；鐵銹的生成破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié),從而使鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力降低,甚至造成整個(gè)構(gòu)件失效。3結(jié)束語混凝土的碳化是影響鋼筋腐蝕重要因素之一,混凝土保持高堿性,不僅是保護(hù)鋼筋免遭腐蝕