混凝土碳化的影響因素及其控制措施

[摘　要] 　混凝土碳化是影響溫凝土結(jié)構(gòu)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(guān)控制措施來減少碳化的危害。

[關(guān)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(zhì)，如CO2 、HCl 、SO2 、Cl2 深入混凝土表面，與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)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(zhì)相互作用很復(fù)雜的一種物理化學(xué)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(xué)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(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。由此可見，混凝土的碳化對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)[1 ]

      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(yīng)，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(jié)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(zhì)的現(xiàn)象。碳化將使混凝土的內(nèi)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(nèi)部存在大小不同的毛細(xì)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(nèi)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(xué)反應(yīng)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(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過程。

1. 2 　碳化反應(yīng)進展模式[8 ]

     在混凝土的細(xì)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(xì)孔溶液中的H2O 反應(yīng)進而轉(zhuǎn)化為H+ 和CO2 - 3 ，然后H+ 與固相Ca (OH) 2 中OH- 結(jié)合生成H2O ，從而Ca (OH) 2 溶解；CO2 - 3 選擇性地與少量Ca + + 結(jié)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(nèi)部擴散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水，再與水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)這樣一個復(fù)雜的物理化學(xué)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(yīng)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(yīng)受混凝土內(nèi)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(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素和與環(huán)境有關(guān)的外部因素，當(dāng)然，除此之外還存在一些其他因素。

2. 1 　內(nèi)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(xué)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(rèn)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(guān)的概念?；炷恋乃冶仍降?，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(nèi)擴散的過程， 混凝土的密實程度越高，擴散的阻力越大。混凝土碳化的深度受單位體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(nèi)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(xì)管等。因此水灰比對混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)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(biāo)之一，也是衡量混凝土品質(zhì)的綜合性參數(shù)，它與混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)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(zhì)量與養(yǎng)護方法等對混凝土品質(zhì)的共同影響。據(jù)有關(guān)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(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)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(zhì)量及養(yǎng)護方法對碳化的影響

      施工質(zhì)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(guān)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(yīng)提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)，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(jié)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(xué)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：

x = 2Dqc a · t (1)

　　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[3 ] 。

2. 3 　其他因素

2. 3. 1 　不同應(yīng)力狀態(tài)對混凝土碳化的影響[4 ]

      混凝土試件在不同應(yīng)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(gòu)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(yīng)力之后對內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴散作用。微細(xì)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(yīng)力之后，使混凝土的大量微細(xì)裂縫閉合或?qū)挾葴p小，CO2 的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當(dāng)然，混凝土中的壓應(yīng)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(yīng)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[5 ]

      混凝土機構(gòu)的劣化破壞過程，多是由于各種有害物質(zhì)從外部向內(nèi)部的滲透或遷移作用。因而混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性是反應(yīng)其耐久性的一個綜合性指標(biāo)。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(nèi)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[ 6 ，7]

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(jié)構(gòu)僅僅使用四五年，混凝土即遭受嚴(yán)重碳化，保護層開裂，剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴(yán)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(yán)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(nèi)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(nèi)模) ，造成了池壁兩側(cè)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(yán)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(dǎo)致鋼筋的銹蝕，進而使裂縫發(fā)展加劇，結(jié)構(gòu)耐久性失效。對此，將采取相應(yīng)措施進行修復(fù)。

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(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)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(zhì)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(yīng)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(yán)重的， 應(yīng)在修補前除銹，并根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補鋼筋，防碳化后的結(jié)果，要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內(nèi)侵蝕，使其內(nèi)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(jié)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(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理，水上部分的變形縫可用華東水利設(shè)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(xué)研究院制的SBS 改性瀝青灌注封閉。另外，考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計時應(yīng)合理設(shè)計混凝土配合比，施工選擇模板應(yīng)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(yīng)控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時要牢固， 拆模應(yīng)在混凝土達到一定強度后方可進行；施工中混凝土應(yīng)用機械震搗，以保護混凝土密實性；混凝土澆注完畢后，應(yīng)用草料等加以覆蓋，并根據(jù)情況及時澆水養(yǎng)護混凝土。

參考文獻

1 　龔洛書等. 混凝土的耐久性及其防護修補. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，1990.

2 　A. M. Dunster. D. J . Bigland L. R. Holton. Rates of carbornation and reinforce corrososion in high alumina cement concrece [J ] . Magazine of concrete Research ，2002 ，52(6)

3 　吳勝興，汪基偉. 正常極限狀態(tài)的耐久性指標(biāo). 混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及應(yīng)用第二屆學(xué)術(shù)討論會論文集，1990 ，10

4 　袁承斌等. 混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的碳化. 建筑結(jié)構(gòu)，2004 ， (4)

5 　魏艷芳，王天穩(wěn). 裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響. 建筑技術(shù)開發(fā)，2004 ， (6)

6 　王玉琳. 混凝土碳化影響因素研究綜述. 連云港化工高等專科學(xué)校學(xué)報，2002 ， (2)

7 　王軍民等. 市政構(gòu)筑物混凝土耐久性及改進措施. 市政科技， 2001 ， (4)

8 　楊靜. 混凝土的碳化機理及其影響因素. 混凝土，1995 ， (6)

9 　王博. 混凝土碳化機理及其影響因素. 水利水電技術(shù)，1995 ， (11)

10 　劉軍等. 混凝土碳化現(xiàn)象的檢測與控制. 山東煤灰科技，1999 ，(1)