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構耐久性的重要原因之一，通過對混凝土碳化機理以及影響因素的分析，我們可以采取更好的相關控制措施來減少碳化的危害。
[關鍵詞] 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，如CO2 、HCl 、SO2 、Cl2深入混凝土表面，與水泥石中的堿性物質發(fā)生反應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相互作用很復雜的一種物理化學過程。在某些條件下，混凝土的碳化會增加其密實性，提高溫凝土的抗化學腐蝕能力，但由于碳化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，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。由此可見，混凝土的碳化對鋼筋混凝土結構的耐久性有很大的影響。因此，混凝土碳化機理、影響因素及其控制的分析很重要。
1 混凝土的碳化機理
1. 1 碳化反應
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，生成的水化物自身具有強度（稱為水泥石） ，同時將散粒狀的砂和石子粘結起來，成為一個堅硬的整體。
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的現(xiàn)象。
碳化將使混凝土的內部組成及組織發(fā)生變化。由于混凝土是一個多孔體，在其內部存在大小不同的毛細管、孔隙、氣泡，甚至缺陷等?？諝庵械亩趸际紫葷B透到混凝土內部充滿空氣的孔隙和毛細管中，而后溶解于毛細管中的液相，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反應表示：
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、和固相中進行的一個復雜的多相物理化學連續(xù)過程。
1. 2 碳化反應進展模式
在混凝土的細孔溶液中，存在著較多的K+ 、Na + 和與之平衡的OH- ，Ca + + 的濃度很低。CO2 與細孔溶液中的H2O反應進而轉化為H+ 和CO2 -3 ，然后H+ 與固相Ca （OH） 2 中OH- 結合生成H2O ，從而Ca （OH） 2 溶解；CO2 -3 選擇性地與少量Ca + + 結合生成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 氣體向混凝土內部擴散，溶解于混凝土孔隙內的水，再與水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應這樣一個復雜的物理化學過程。所以，混凝土的碳化速度取決于CO2 的擴散速度及CO2 與混凝土成分的反應性。而CO2 的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、CO2 的濃度、環(huán)境溫度、試件的含水率等因素影響，所以碳化反應受混凝土內孔溶液的組成、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為與混凝土自身相關的內部因素和與環(huán)境有關的外部因素，當然，除此之外還存在一些其他因素。
2. 1 內部因素
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。在同一試驗條件下砂漿的碳化速度大小順序為，高爐礦渣水泥（BFC） > 普通硅酸鹽水泥（OPC） > 早強水泥（HEC） 。文獻[2 ]認為，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度是兩個密切相關的概念。混凝土的水灰比越低，其強度越高，混凝土的密實程度也越高；反之亦然。由于混凝土的碳化是CO2 向混凝土內擴散的過程，混凝土的密實程度越高，擴散的阻力越大?；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，隨著混凝土的凝固，水占據(jù)的空間也會變成微孔或毛細管等。因此水灰比對混凝土的孔隙結構影響極大，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，密實度降低，滲透性增大，碳化速度增大。
2. 1. 4 混凝土抗壓強度
混凝土抗壓強度是混凝土基本性能指標之一，也是衡量混凝土品質的綜合性參數(shù)，它與混凝土的水灰比有非常密切的關系，并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度，骨料品種摻和劑，以及施工質量與養(yǎng)護方法等對混凝土品質的共同影響。據(jù)有關資料表明，混凝土強度高，抗碳能力強。
2. 1. 5 集料品種和級配
集料的品種和級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響著混凝土的密實性。試驗說明，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 施工質量及養(yǎng)護方法對碳化的影響
施工質量差表現(xiàn)為振搗不密實，養(yǎng)護不善，造成混凝土密實低，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)護狀況對碳化也有一定影響?；炷猎缙陴B(yǎng)護不良，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)護法。試驗表明，普通混凝土采用蒸汽養(yǎng)護的碳化速度比自然養(yǎng)護提高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系。隨著溫度提高，CO2 在空氣中的擴散逐漸增大，為其與Ca （OH） 2 反應提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學反應，碳化速度加快。
2. 2. 2 相對濕度
CO2 溶于水后形成H2CO3 方能和Ca （OH） 2 進行化學反應，所以非常干燥時，混凝土碳化無法進行，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一步進行。試驗結果表明，相對濕度在50 %～70 %之間時，混凝土碳化速度最快。
2. 2. 3 CO2 的濃度
對于CO2 的影響，學者們提出了多達幾十種觀點，其理論模式大多數(shù)基于菲克（Fick） 第一擴散（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)。
（1） 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，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 不同應力狀態(tài)對混凝土碳化的影響
混凝土試件在不同應力狀態(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行快速碳化試驗研究，我們可以在實際工程中對不同受力構件采取不同的防碳化措施，提高混凝土的耐久性。
 混凝土施加應力之后對內部的微細裂縫起到了抑制或擴散作用。微細裂縫的存在使CO2 容易滲透，引起碳化速度加快，但施加了壓應力之后，使混凝土的大量微細裂縫閉合或寬度減小，CO2 的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當然，混凝土中的壓應力過大時，也可使是混凝土產(chǎn)生微觀裂縫，加速碳化過程；相反，施加拉應力后，混凝土的微裂縫擴展，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
混凝土機構的劣化破壞過程，多是由于各種有害物質從外部向內部的滲透或遷移作用。因而混凝土結構的抗?jié)B性是反應其耐久性的一個綜合性指標。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 工程實例
a） 淮北焦化廠的鋼筋混凝土煤炭運輸支架，由于水泥用量較低，混凝土強度較低（水灰比較大） ，又因為焦化廠生產(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，混凝土強度越低，水灰比越大，CO2 濃度越高，碳化速度越快。所以該結構僅僅使用四五年，混凝土即遭受嚴重碳化，保護層開裂，剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴重。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（先拆了外模，后拆了內模） ，造成了池壁兩側均出現(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)該建筑受到嚴重碳化破壞，后經(jīng)對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)超過了混凝土保護層厚度，混凝土的碳化導致鋼筋的銹蝕，進而使裂縫發(fā)展加劇，結構耐久性失效。對此，將采取相應措施進行修復。
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，危及結構安全的構件應拆除重建；對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優(yōu)質涂料封閉；對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化濃度雖較小但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土；對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并根據(jù)銹蝕情況和結構需要加補鋼筋，防碳化后的結果，要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內侵蝕，使其內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。使用涂料時要考慮涂料與混凝土間的粘結力；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。對與混凝土結構變形縫的縫面處理，水上部分的變形縫可用華東水利設計研究院研制的SR 嵌縫膏進行表面封閉；對水下部分的變形縫，可采用南京水利科學研究院制的SBS 改性瀝青灌注封閉。另外，考慮鋼筋混凝土結構有足夠的保護層厚度是最常用的保護鋼筋不遭銹蝕的一種方法。
設計時應合理設計混凝土配合比，施工選擇模板應盡可能選擇鋼材、膠合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若選擇木模板應控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時要牢固，拆模應在混凝土達到一定強度后方可進行；施工中混凝土應用機械震搗，以保護混凝土密實性；混凝土澆注完畢后，應用草料等加以覆蓋，并根據(jù)情況及時澆水養(yǎng)護混凝土。 |
| 原作者： 楊利偉 王天穩(wěn) |
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