混凝土碳化精讲课件

第二章混凝土碳化高小建博士副教授1）水泥水化反应：C3SC2SC3A知识回顾知识回顾2）水化产物组成：混凝土中高碱性环境(pH值大于12.5)，有效防止钢筋锈蚀。

基本概念

混凝土中性化：当空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中的pH值降低的过程；

混凝土碳化：由大气环境中的CO2引起的中性化过程，最普遍的混凝土中性化过程。本章内容混凝土碳化机理

混凝土碳化的影响因素

混凝土碳化深度的检测与预测方法混凝土快速碳化试验

部分碳化区及其对钢筋锈蚀的影响

碳化对混凝土强度与钢筋锈蚀的影响

碳化混凝土的再碱化技术2.1混凝土碳化机理Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O(氢氧化钙)3CaO•SiO2•3H2O+CO2

→

3CaCO3+2SiO2+3H2O(水化硅酸钙)3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O+3CO2

3CaCO3+2Al(OH)3+3CaSO4

•H2O+23H2O(钙矾石)大气中的CO2通过孔隙向混凝上内部扩散并在孔隙水中溶解，固态Ca(OH)2在孔隙水中溶解并向其浓度低的区域(已碳化区域)扩散；溶解在孔隙水中的CO2与Ca(OH)2发生化学反应生成CaCO3；同时，CSH、AFt等水化物也在固液界面发生碳化反应：液相反应，一定湿度条件下发生。水泥石结构形成过程完全干燥或完全饱水的混凝土几乎不发生碳化作用。混凝土碳化的结果使混凝土产生体积收缩混凝土孔隙率降低、密实度提高CO2钢筋表面脱钝、生锈＊混凝土中pH值降低＜9，导致钢筋脱钝而锈蚀。2.2混凝土碳化的影响因素1)材料因素水灰比：决定CO2有效扩散系数及混凝土碳化速度的主要因素之一；水灰比增加，混凝土的碳化速度加快。水泥品种与用量:Ａ)硅酸盐水泥≤普通硅酸盐水泥≤粉煤灰水泥、火山灰水泥和矿渣水泥；B)水泥用量越大，混凝土碳化速度越慢。骨料粒径与级配:连续级配、颗粒粒径小的骨料，使混凝土碳化速率减缓。外加剂:掺减水剂、引气剂均能有效降低混凝土碳化速度。养护方法与龄期:保湿养护龄期越长，混凝土碳化速率越慢。混凝土强度:混凝土强度越高，其碳化速度越小；但试验结果离散较大，主要是由于强度难以反映水泥用量等对碳化速率的影响。施工质量：密实性差及存在蜂窝、麻顶、漏浆、裂缝等缺陷部位的碳化深度比振捣密实、表面无缺陷部位大得多。2)环境因素温、湿度:温度升高可促进混凝土碳化速度；相对湿度为50％~70％的中等湿度环境下，混凝土碳化速度最快。CO2浓度:碳化速度与空气中CO2浓度的平方根近似成正比关系。表面覆盖层:含可碳化物质的覆盖层(水泥砂浆)，主要通过消耗其中可碳化物质以延缓CO2侵入混凝土速率；不含可碳化物质覆盖层（沥青、涂料、瓷砖等），因其结构致密，能封堵混凝土表面部分开口孔隙，从而延缓碳化速度。受力状态:压应力不超过0.7fc(fc为混凝土的抗压强度)时，压应力对碳化起延缓作用；压应力超过0.7fc时会使碳化速度加快；拉应力不超过0.3ft(ft为混凝土的抗拉强度)时，应力作用不明显；当拉应力超过0.3ft时，应力越大，碳化速率越快。材料因素水灰比降低水灰比＋＋水泥品种与用量硅酸盐水泥、充足水泥用量＋＋骨料粒径与级配小粒径、级配良好＋外加剂减水剂、引气剂＋养护方法与龄期早期湿养，延长养护时间＋＋混凝土强度提高强度＋施工质量充分振捣，填充密实＋＋环境因素温、湿度中等湿度、高温度－－CO2浓度增加浓度－－表面覆盖层致密、足够厚＋受力状态高应力作用－－各因三素对三混凝三土碳三化的三影响2.三3混凝三土碳三化深三度检三测与三预测三方法1)检测三方法X射线三法:通过X射线三衍射三仪，直三接测三量出三混凝三土中三不同三深度三处水三泥石三所含氢氧三化钙三与碳三酸钙三晶体三的含三量，三判断三出混三凝土三受碳三化情三况。可三同时三测得完全三碳化三与部三分碳三化深三度，适三用于三实验三室精确三测量。C:三2三9.三4ºCH三:三17三.9º化学三试剂三法:利用三不同三化学三试剂三在不三同pH值环三境下三的颜三色变三化，三测出三混凝三土碳三化深三度。三常用1%浓度三的酚三酞酒三精溶三液，三以pH＝9为界三线，三已碳三化区三呈无三色，三未碳三化区三呈粉三红色三。另有三一种三彩虹三指示三剂(R三ai三nb三ow三i三nd三ic三at三or三)，根三据反三应的三颜色三判别三不同三的pH值(5三~1三3)，可三测试三完全三碳化三和部三分碳三化的三深度三。理论三模型阿列三克谢三耶夫三模型三：控制三碳化三速度三的是CO2在混三凝土三孔隙三中的三扩散三过程三，基三于Fi三ck第一三定律三及CO2在多三孔介三质中三扩散三和吸三收特三征。式中三：x一碳三化深三度；α一碳三化速三度系三数；t一碳三化时三间；C0一环境三中CO2的浓三度；De一CO2在混三凝土三中的三有效三扩散三系数三；m0一单三位体三积混三凝土三对CO2的吸三收量三。该模三型形三式简三单，三与实三际试三验结三果接三近，三被大三多数三学者三接受三引用三；该模三型中De与m0两个三参数三定义三较模三糊，三参数三如何三计算三尚未三交代三清楚;不适三用于三较低三湿度三环境三下混三凝土三碳化三。2)混凝三土碳三化深三度预三测模三型理论三模型三与经三验模三型两三类：碳化三深度三与碳三化时三间的三平方三根成三正比三。Pa三pa三da三ki三s模型:根据CO2及各三可碳三化物三质Ca三(O三H)2、CS三H、C3S、C2S在碳三化过三程中三的质三量平三衡条三件，三建立三偏微三分方三程组三求解三而得三．各参三数都三有明三确的三定义三和量三纲，三相关三文献三中给三出计三算方三法；仅适三用于三普通三硅酸三盐水三泥混三凝土三，对三于其三它水三泥需三要修三正；在较三低湿三度环三境下三计算三值与三试验三结果三相差三较大三。式中：x一碳化深度；t一碳化时间；[CO2]0一环境中CO2的浓度；Dce一CO2扩散系数，

(B三)经验三模型三：多参三数模三型：三如中三国建三筑科三学研三究院三龚洛三书。α—混凝三土碳三化速三度系三数，三普通三混凝三土、三轻集三料混三凝土三不同三；k1、k2、k3、k4、k5、k6–-三-分别三表示三水泥三品种三、水三泥用三量、三水灰三比、三粉煤三灰取三代量三、骨三料品三种、三养护三方法三等因三素影三响系三数。基于三水灰三比的三经验三模型三：如三山东三建筑三科学三研究三院朱三安民三。γ1、γ2、γ３—分别三表明混凝三土水三泥品三种、三粉煤三灰取三代量三和气三候条三件影三响系三数。基于三抗压三强度三的经三验模三型：如三中国三建筑三科学三研究三院邸三小坛三。α1、α2、α3—分别三为混凝三土养三护条三件、三水泥三品种三、环三境条三件修三正系三数。(C三)基于三扩散三理论三与试三验的三碳化三模型三：上三海同三济大三学张三誉。C0x各碳三化模三型计三算比三较某混三凝土三工程三使用三已44年，三根据三统计三资料三：周三围环三境CO2浓度三约0.三25％，三平均三温度16三.3三℃，相三对湿三度79三%；混三凝土三强度三等级三为C1三5，采三用32三.5普通三硅酸三盐水三泥，三水泥三用量三为40三0k三g/三m3，水三灰比三为0.三55；该三结构三为现三浇结三构，三自然三养护三，经三测试三混凝三土平三均碳三化深三度值三为20三.7三mm。d)应优三先考三虑多系三数碳三化模三型、抗三压强三度模三型，三其次三考虑三基于三理论三与试三验的三碳化三模型三及基三于水三灰比三的碳三化模三型。2.三4混凝三土快三速碳三化试三验通过三实验三室快三速碳三化试三验，三确定三碳化三速度三方程三，以三此为三混凝三土结三构耐三久性三分析三提供三依据三。1)试验三方法三：《普通三混凝三土长三期性三能和三耐久三性能三试验三方法》(三GB三-T三50三08三2-三20三09三)高压三或高三浓度快速三试验常压三、低三浓度快速三试验试件三：10三0×三10三0×三40三0m三m棱柱三体，三标准三养护28天；预处三理：温度60三℃烘干48三h，除三成型三时两三侧面三，其三余各三面用三石蜡三密封三；碳化三条件三：温度20三±5三℃，相三对湿三度70三±5三%，二三氧化三碳浓三度20三±3三%；碳化三深度三测试三：3、7、14、28三d混凝三土试三件劈三裂，三用1%浓度三的酚三酞乙三醇溶三液喷三于断三裂面三，每三边测三量多三点距三离，三取平三均值三即为三碳化三深度三值。混凝土碳化箱混凝土断裂面喷酚酞溶液2)主要三设备三与测三试过三程：混凝土试件碳化深度测量3)快速三碳化三与自三然碳三化间三关系三：快速三碳化三与自三然碳三化的三主要三区别三在于三二氧三化碳三的浓三度不三同，三由此三可得三：阿列克谢耶夫模型式中三：xz、xk一分三别为三混凝三土自三然碳三化、三快速三碳化三深度三；tz、tk一分别三为混三凝土三自然三碳化三、快三速碳三化时间三；Cz、Ｃk一分三别为三混凝三土自三然碳三化、三快速三碳化环境三中CO2的浓三度。保护层厚度/mm202020实验28d碳化深度/mm4810碳化到钢筋表面时间/年12832202.三5部分三碳化三区及三其对三钢筋三锈蚀三的影三响问题三提出：19三94年，三英国三学者Pa三rr三ot三t试验三发现三：当三用酚三酞试三剂测三定的碳化三深度三发展三到距三离钢三筋表三面一三定深三度而三并未三到达三钢筋三表面三时，三钢筋三便开三始锈三蚀，而且三随着三碳化三深度三的增三加，三钢筋三诱蚀三速度三加快三，直三到碳三化深三度发三展到三超过三钢筋三位置三某个三长度三时，三锈蚀三速度三才稳三定下三来？钢筋三锈蚀三的速三度在PH＝9~三11三.5的区三段内三随pH值下三降而三增大三，pH值在9以下三时锈三蚀速三度保三持稳三定不三变．pH值在11三.5以上三时钢三筋处三于钝三化状三态；受碳三化混三凝土三试件三中，pH值由三外到三内是三逐渐三升高三的，三特别三是当三环境三湿度三较低三时更三加明三显。问题三答案：混凝三土碳三化过三程中部分三碳化三区的三存在是钢三筋锈三蚀速三度随三碳化三深度三加深三而增三大的三根本三原因三。理论三上：三未碳三化混三凝土三的pH三≥1三2.三5，完三全碳三化的三混凝三土pH＝7，部三分碳三化区三混凝三土7＜pH＜12三.5。应用三上：三当pH＞11三.5时钢三筋处三于钝三化状三态，三当pH＜9时锈三蚀速三度不三再受pH值的三影响三；因三此通三常认三为9＜pH＜11三.5的混三凝土三处于三部分三碳化三区。1)部分三碳化三区的三界定三范围三：碳化混凝土中物质分布情况示意图2)部分三碳化三区形三成原三因：ＶdＶRCO2混凝土Ｖd≤VR时，三进入三混凝三土中三的CO2很快三与最三外层三混凝三土发三生碳三化反三应，三混凝三土主三要分三为碳三化区三和未三碳化三区两三部分三；Ｖd＞VR时，进三入混三凝土三中的CO2不能三及时三被最三外层三混凝三土消三耗，三而进三入更三深层三混凝三土，三从而三形成三从内三而外三的不三同碳三化程三度，最终三形成三碳化三区、三部分三碳化三区、三未碳三化区三。3)部分三碳化三区长三度的三主要三影响三因素三：环境三湿度三：当RH＝70％时三部分三碳化三区很三短，三可忽三略不三计；三当RH＜60％时三部分三碳化三区在三整个三碳化三区中三已占三有一三定比三例且三其长三度随三湿度三下降三而迅三速增三大，三此时三应计三及部三分碳三化的三影响三。水灰三比：相对三湿度三为50三%条件三下，三混凝三土部三分碳三化区三长度三随水三灰比三增加三而增三大。水泥三用量三：相对三湿度三为50三%条件三下，三水泥三用量三对部三分碳三化区三长度三有一三定影三响．三总的三趋势三是水三泥用三量越三大部三分碳三化区三长度三就越三小三。CO2浓度：CO2浓度三对部三分碳三化区三长度三基本三无影三响。碳化三时间：当碳三化进三行—定时三间，三完全三碳化三区出三现后三，碳三化时三间对三部分三碳化三区长三度无三影响三。4)部分三碳化三区长三度的三估算三：环境三相对三湿度三对部三分碳三化区三长度三有决三定性三的影三响；水灰三比和三水泥三用量三对部三分碳三化区三长度三也有三一定三影响三；部分三碳化三区长三度基三本不三受CO三2浓度三和碳三化时三间影三响。第一三．根三据不三同相三对湿三度下三混凝三土部三分碳三化区三长度三，建三立如三下关三系式三：第二三．分三别根三据水三灰比三、水三泥用三量对三混凝三土部三分碳三化区三长度三的影三响，三得到三以下三修正三系数三：第三三．总三结以三上三三个公三式，三可得三如下三部分三碳化三区长三度估三算公三式：2.三6碳化三对混三凝土三性能三与钢三筋锈三蚀的三影响1)对混三凝土三强度三的影三响：混凝三土抗三压强三度随三碳化三时间三与碳三化深三度增三加而三增大三。20%CO2恒室温碳化后混凝土抗压强度混凝三土劈三拉强三度随三碳化三时间三的增三长而三提高三，但三超过三一定三时间三后则三有所三降低三？碳化前后混凝土受压应力－应变曲线受压三应力-应变三曲线三上升三和下三降段三变陡三，混三凝土三脆性三变大三。混凝三土孔三隙率三降低三，抗三渗性三能提三高。2)对混三凝土三渗透三性的三影响三：2)对钢三筋锈三蚀的三影响三：Cl元素分布－电子探针图(10%CO2)0天56天112天112天(酚酞)碳化三使混三凝土三中氯三离子三向未三碳化三区迁三移和三浓缩三，加速三混凝三土中三钢筋三脱钝三锈蚀三。3CaO

•Al2O3•CaCl2•10H2O+3CO2

→3CaCO3+2Al(OH)3+CaCl2+7H2O(Friedel复盐)碳化三对混三凝土三结构三性能三的影三响1)混凝土强度有所提高＋2)混凝土脆性增大－3)抗渗性能提高＋4)混凝土碱性降低，钢筋锈蚀－－5)混凝土中离子迁移和浓缩，钢筋锈蚀加剧－－2.三7碳化三混凝三土的三再碱三化技三术电化三学再三碱化(E三le三ct三ro三ch三em三ic三alRe三al三ka三li三sa三ti三o