浅谈混凝土碳化机理及处理措施

浅谈混凝土碳化机理及处理措施浅谈混凝土碳化机理及处理措施中图分类号：TU375文献标识码：A1刖言混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标。现行规范对强度指标有详细的计算和试验方法，达不到指标的即为不合格，而对耐久性，规范并没有严格的衡量参数，同一强度指标的混凝土其实际耐久性差异可能会很大。混凝土抗碳化能力是衡量混凝土结构耐久性非常重要的一个指标。本文通过对混凝土碳化和钢筋去钝化物理化学反应的分析，揭示了混凝土碳化对结构破坏的机理和规律，提出了在设计和施工时对混凝土防碳化处理的建议，并提供了一些在除险加固工程中实用的防碳化处理方案。2混凝土碳化机理混凝土是一个多孔体，其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷。混凝土的碳化是水泥石中水化产物与环境中二氧化碳相互作用的一个非常复杂的物理化学连续过程。以普通硅酸盐水泥为例，其主要水化产物有：水化硅酸钙（占60%以上），氢氧化钙（约占25%），水化铝酸钙，水化硫铝酸钙等。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等原因，使水泥石成为一个含有固相、液相和气孔的非均质体。环境中二氧化碳气体首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管，其次溶解于孔隙内的液相并生成碳酸，然后与水泥石中各水化产物发生碳化反应。水泥石中各水化产物稳定存在PH值，见表1。表1水泥石中各水化产物稳定存在PH值成分PH值成分PH值水化硅酸钙10.4水化硫铝酸钙10.17水化铝酸钙11.43氢氧化钙12.23当混凝土细孔溶液的PH值低于表1中的临界数值时，该物质就开始进行分解，在水化物中的氢氧化钙首先与酸性物质反应。主要的碳化反应方程式如下：CO2+H2O=H2CO3Ca（OH）2+H2CO3=CaCO3+2H2OC3S2H3+3H2CO3=3CaCO3+2SiO2+6H2O碳化后的混凝土质地疏松，强度降低。混凝土碳化的机理就是大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质，在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。混凝土碳化实质上就是砂浆或混凝土碱性降低的过程。未碳化区混凝土孔隙溶液的PH值达12.5左右，完全碳化区混凝土孔隙溶液的PH值一般为8~9。当pH值降至11.5以下时，钢筋周围的致密钝化膜就受到破坏，在水和氧气得到满足的条件下，钢筋就开始锈蚀。主要的反应方程式如下：2Fe+O2=2FeOFeO+H2CO3=FeCO3+H2O4FeCO3+10H2O+O2=4Fe（OH）3+4H2CO3钢筋一生锈，体积增大，破坏了混凝土覆盖层，沿钢筋产生裂缝。水、空气进入裂缝，加速了钢筋的锈蚀。当然，引起混凝土中钢筋锈蚀的因素不只是混凝土的碳化，其中氯化物就是一个非常重要的影响因素。事实上，氯化物引起的钢筋去钝化一般要比混凝土碳化引起的钢筋去钝化要严重得多。例如同样是C45级混凝土，如果钢筋去钝化时间都是50年，则在一般的碳化环境中，混凝土最小保护层厚度只要1cm，而在含氯化物的环境中，就至少要7cm。因此，在氯化物影响明显的工程（如海洋工程）中，在考虑混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响时更要考虑到氯化物的影响。4影响混凝土碳化的因素1环境条件因为碳化是液相反应，十分干燥的混凝土即一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土很难碳化；在空气湿度50%〜75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；但在相对湿度＞95%的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化，这是因为混凝土含水时透气性小，碳化慢；在湿度相同时，风速愈高、温度愈高，混凝土碳化也愈快；混凝土碳化速度与空气中CO2浓度的平方根成正比。2水泥品种一般说来，普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快，掺混合材的水泥碳化速度更快，混合材掺量越大，碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂，可以大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，使碳化减慢。尤其是加气减水剂，由于抗冻性提高，可以大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。3骨料种类混凝土中的骨料本身一般比较坚硬、密实，总的说来，天然砂、砾石、碎石比水泥浆的透气性小，因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是，在轻混凝土中，由于轻质骨料本身气泡多，透气性大，所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来，轻混凝土比普通混凝土碳化快，需要掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化速度。4水灰比混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系，混凝土的透气性越小，碳化进行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实，透气性小，因而碳化速度就慢。同理，单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。5浇筑与养护质量密实的混凝土表层孔隙很小，易从潮湿的空气中吸取水分而充满水，故不易碳化；欠密实的混凝土表层中大孔隙内无水，CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规范，特别是振捣不密实，以及养护方法不当、养护时间不足时，就会造成混凝土内部毛细孔道粗大，且大多相互连通，严重时会引起混凝土再现蜂窝、裂缝等缺陷，使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部，从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀。5混凝土碳化处理措施1选用抗碳化能力强的水泥品种。由矿渣水泥325#形成普通混凝土的碳化速度系数比由普通硅酸盐水泥425#形成普通混凝土的碳化速度系数提高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。同标号早强型水泥比普通型水泥的抗碳化性能要好。2在施工条件允许的情况下，尽可能采用较小的水灰比。水灰比是影响混凝土碳化的关键因素。混凝土吸收二氧化碳的量主要取决于水泥用量。当水灰比大于0.65时，其抗碳化能力急剧下降；当水灰比小于0.55时，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。3选用能够提高混凝土抗碳化能力的外加剂。如：羟基羧酸盐复合性高性能减水剂等。4采用优质粉煤灰和超掺系数。在混凝土中掺入优质粉煤灰，可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式时，只要选择配合比适中，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。5采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术。在混凝土中采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术，可以大大增强混凝土密实性，提高混凝土抗碳化能力。5.6严格控制混凝土裂缝宽度。按照现行《规范》，计算和选择配筋率，保证结构断面有足够的构造钢筋，符合混凝土保护层最小厚度等要求。5.7严把混凝土施工质量关。混凝土施工质量优、强度高、密实度好，则其抗碳化性能就较强。5.8采用涂料防护法。在混凝土表面涂刷环氧厚浆涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等，可以阻止环境中二氧化碳气体向混凝土内部孔隙扩散，从而提高混凝土抗碳化能力。5.9对于水上部位的变形缝，可采用专用SR嵌缝膏进行表面封闭；对水下部位的变形缝，可采用专用的SBS改性沥青灌注封闭，能起到闭气止水的双重作用。可以阻缓缝内混凝土的继续碳化，并能满足变形缝的变形要求。参考文献：1、杨静.混凝土的碳化机理及其影响