水工混凝土碳化危害、預(yù)防及處理

　　[摘 要] 混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的不可忽視的問題。水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)普遍碳化深度較深，超過鋼筋保護(hù)層厚度處較多，結(jié)構(gòu)鋼筋普遍銹蝕，有些部位甚至有銹水滲出，直接影響這些建筑物的安全度。本文介紹混凝土碳化的概念、碳化機(jī)理、預(yù)防措施、處理方法。

　　[關(guān)鍵詞] 混凝土 碳化 耐久性 預(yù)防 處理

1. 混凝土碳化概念

　　混凝土的碳化又稱為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中。它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。混凝土碳化本身對混凝土并無破壞使用，其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對鋼筋起保護(hù)作用的致密氧化膜(鈍化膜)遭到破壞，使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，使混凝土中鋼筋銹蝕，同時，混凝土的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。

　　根據(jù)湖北省水利水電工程檢測研究中心對省內(nèi)30多個工程碳化檢測成果來看，五、六十年代修建的水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)普遍碳化深度較深，一般為20～60mm，最大甚至超過90mm，遠(yuǎn)均超過鋼筋保護(hù)層厚度，結(jié)構(gòu)鋼筋普遍銹蝕，有些部位甚至有銹水滲出。這些建筑物的安全度普遍較低。

2. 混凝土碳化機(jī)理

　　混凝土碳化是在潮濕環(huán)境下滲入混凝土體內(nèi)部的CO2與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng),降低混凝土中的堿度的過程。

　　水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強(qiáng)度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。

　　混凝土具有毛細(xì)管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這些毛細(xì)管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細(xì)孔和凝膠孔，以及水泥石和骨料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8~10%。

　　混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)，生成碳酸鈣等產(chǎn)物?；炷撂蓟怯捎诨炷链嬖谥紫?，里面充滿著水分和空氣，在混凝土的氣相、液相、固相中進(jìn)行著一個十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過程。水泥石中各水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的pH值如表1（略）。

　　當(dāng)混凝土細(xì)孔溶液中pH值低于表1（略）中所示值時,各物質(zhì)開始進(jìn)行分解。

　　在混凝土的細(xì)孔溶液中，存在較多的是K+、Na+和與之平衡的OH-。Ca2+的濃度很低。但是，這樣的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸鹽中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有選擇性地首先沉淀，這是為了補(bǔ)充溶液中Ca2+的不足，固相中的Ca（OH）2 溶解。有的學(xué)者指出水與空氣的存在是混凝土發(fā)生碳化的先決條件。

　　根據(jù)已碳化完了的試件的孔隙壁及內(nèi)部的取樣，測定其鈣化比得知，碳化反應(yīng)主要發(fā)生在孔隙內(nèi)壁上。水泥的水化產(chǎn)物對CO2 具有吸收與緩沖能力，在該能力喪失之前，碳化反應(yīng)進(jìn)行，直到緩沖能力喪失，CO2 氣體再一步向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。所以，碳化是呈階梯狀進(jìn)行的?；炷恋奶蓟Y(jié)果，使凝膠孔和部分毛細(xì)管可能被碳化產(chǎn)物CaCO3 等堵塞，混凝土本身的抗?jié)B性和強(qiáng)度會有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液體中pH值，碳化一旦達(dá)到鋼筋表面，鋼筋就會因其表面的鈍化膜遭到破壞而銹蝕。鋼筋開始銹蝕后，隨后鋼筋徑向膨脹，保護(hù)層順筋開裂，最后鋼筋銹蝕加劇直至結(jié)構(gòu)破壞；混凝土碳化破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的表面穩(wěn)定的水化生成物，碳化反應(yīng)生成的碳酸鈣強(qiáng)度較低，從而降低混凝土強(qiáng)度。同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫,從而破壞建筑物。

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3.混凝土碳化影響因素

　　由上可知，混凝土的碳化是伴隨著CO2 氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(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 氣體的擴(kuò)散速度及CO2 與混凝土成分的反應(yīng)性。而 CO2 氣體的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2 氣體的濃度、環(huán)境溫度、濕度等因素影響，所以碳化反應(yīng)受混凝土內(nèi)孔隙溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。具體表現(xiàn)在：

　　3.1內(nèi)在因素

　　3.1.1水泥品種

　　不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學(xué)成分不同，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度有重要影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗?jié)B性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強(qiáng)劑則會嚴(yán)重加速鋼筋銹蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制其用量。

　　3.1.2骨料品種和級配

　　骨料品種和級配不同，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(shí)性。材質(zhì)致密堅實(shí)，級配較好的骨料的混凝土，其碳化的速度較慢。

　　3.1.3磨細(xì)礦物摻料的品種和數(shù)量

　　如具有活性水硬性材料的摻料，其不能自行硬化，但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強(qiáng)較穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)，使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下，摻料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

　　3.1.4水泥用量

　　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(shí)性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備，使其抗碳化性能增強(qiáng)，碳化速度隨水泥用量的增大而減少。

　　3.1.5水灰比

　　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(shí)度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學(xué)物質(zhì)較多的浸入混凝土體內(nèi)，加快混凝土碳化。

　　3.1.6施工質(zhì)量

　　施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí)，造成混凝土強(qiáng)度低，蜂窩、麻面、空洞多，為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化。

　　3.1.7養(yǎng)護(hù)質(zhì)量

　　混凝土成型后，必須在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的混凝土，具有膠凝好、強(qiáng)度高、內(nèi)實(shí)外光和抗侵蝕能力強(qiáng)，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內(nèi)，延緩碳化速度。

　　3.2外界因素

　　3.2.1酸性介質(zhì)

　　酸性氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致水泥石逐漸變質(zhì)，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗(yàn)研究已證明，混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數(shù)隨二氧化碳濃度的增加而加快。

　　混凝土中鋼筋銹蝕的另一個重要和普通的原因是氯離子（Cl-）作用。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)生潰燦性銹蝕。

　　3.2.2溫度和光照

　　混凝土溫度驟降，其表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土表面便開裂，導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件，加速混凝土碳化。

　　陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)較大，為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件，陽光的直接照射，加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。據(jù)檢測同一結(jié)構(gòu)的背陽面的碳化速度是陽面的60%~80%。

　　3.2.3相對濕度

　　周圍介質(zhì)的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過高的濕度（如100%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴(kuò)散到水泥石中，過低的濕度（如25%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進(jìn)行；當(dāng)周圍介質(zhì)的相對濕度為50~70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質(zhì)的相對濕度。實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)下部的碳化程度較上部輕，主要是濕度影響的結(jié)果。

　　3.2.4凍融和滲漏

　　在混凝土浸水飽和或水位變化部位，由于溫度交替變化，使混凝土內(nèi)部孔隙水交替地凍結(jié)膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶，引起混凝土水化產(chǎn)物的分解，其結(jié)果是嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

4.混凝土碳化的防止措施

　　混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，關(guān)鍵是應(yīng)采取防止措施。

　　4.1設(shè)計方面

　　根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素，分別對混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2~3cm。

　　4.2施工方面

　　4.2.1限制新拌混凝土氯化物含量。拌和混凝土?xí)r，有可能從拌和水、水泥、細(xì)骨料、粗骨料以及外加劑等材料帶進(jìn)氯離子。對不接觸氯離子的混凝土，拌和物中的氯離子含量應(yīng)不大于引起鋼筋銹蝕的臨界值。

　　4.2.2采用活性摻和料和減水劑技術(shù)。國內(nèi)外大量研究和工程實(shí)踐證明，摻加適量優(yōu)質(zhì)的粉煤灰，在保證強(qiáng)度等級與和易性要求的前提下充分潮濕養(yǎng)護(hù)，不僅可以節(jié)能、節(jié)約水泥，降低工程造價，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、離析帶來的質(zhì)量問題，而且可以以火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠體封堵毛細(xì)孔，從而顯著提高對鋼筋的防護(hù)性能。如果適量取代水泥，甚至外加法或同時摻加減水劑，以降低其水膠比，則會取得更好的效果。若以硅粉和硅粉粉煤灰雙摻，其效果要優(yōu)于單摻硅粉劑。

　　4.2.3嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。施工質(zhì)量與混凝土耐久性關(guān)系的重要性超過其他因素。從大量混凝土工程出現(xiàn)碳化看，多出在施工質(zhì)量上，因此，嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格操作規(guī)程、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，是十分必要的。

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　　4.3使用方面

　　對于水工建筑物在使用上不要隨意改變原設(shè)計的使用條件。因?yàn)樗そㄖ锸褂脳l件的改變，直接關(guān)系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內(nèi)部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構(gòu)件的容易碰撞部位，更應(yīng)當(dāng)設(shè)置包角和隔層保護(hù)。

　　4.4管理方面

　　對于水工建筑中混凝土構(gòu)件的管理，主要是定期檢查、加強(qiáng)維護(hù)。對于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件，則應(yīng)派專人定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細(xì)記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開裂、剝落現(xiàn)象時，則應(yīng)及時利用防護(hù)涂料對混凝土表面進(jìn)行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，必要時可作混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理。

5. 幾種實(shí)用的混凝土碳化處理方案

　　5.1丙乳(丙烯酸脂共聚乳液)砂漿修補(bǔ)

　　5.1.1基面清理

　　丙乳砂漿封閉施工前，必須把混凝土表面的塵污、松散混凝土、裂隙邊緣的雜物等用鋼絲刷徹底清除，表面有油污時用汽油沖洗干凈，然后用高壓水泵進(jìn)行噴洗。對混凝土表面的裂縫或孔洞用丙乳砂漿填充后，不必抹光，以便于與封閉涂料結(jié)合。

　　5.1.2 涂漿封閉

　　施工前先將混凝土表面灑水，使其充分吸附水分，待稍干并保持濕潤狀態(tài)時開始涂漿。涂漿封閉分三次。

　　第一遍用毛刷涂刷凈漿，涂刷時要力求均勻，對表面低洼點(diǎn)、粗糙處理都要涂刷，不可漏涂。

　　第二遍涂漿待凈漿稍干(約經(jīng)過2h)后進(jìn)行。用木抹子涂刷丙乳砂漿，不必抹光，均勻即可，厚度為4～5mm。為了保持砂漿的和易性，便于施工，涂刷要分片進(jìn)行，一次不可過大，以3～4m2為宜。砂漿隨配隨用，每次10kg左右，40min內(nèi)用完。夏季施工時，固化反應(yīng)加快，不時發(fā)生急凝現(xiàn)象，要用力往一個方向拉抹子，不可往返涂抹。另外施工中要特別注意絕對不能往漿料中加水，否則將產(chǎn)生大量氣泡，影響質(zhì)量。

　　第三遍涂漿待養(yǎng)護(hù)2d后進(jìn)行。漿料配與第二遍相同，每次配料仍為10kg，隨配隨用。因?yàn)樽詈笠槐橐笃秸饣?，因此要改用鐵抹子，仍保持一個方向拉抹。要求推漿薄而均勻，厚度5～6mm，軋光遍數(shù)不易太多，基本壓平抹光即可，涂抹時如表面開始固結(jié)，可用噴霧器噴霧，保持基面潮濕。

　　5.1.3 養(yǎng)護(hù)

　　灑水養(yǎng)護(hù)要貫穿施工的全過程。當(dāng)?shù)谝槐閮魸{涂刷0.5h后養(yǎng)護(hù)即開始，第二遍、第三遍涂漿后更要注意養(yǎng)護(hù)，要責(zé)成專人負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作，周而復(fù)始不停地進(jìn)行。丙乳砂漿的養(yǎng)護(hù)不，最好使用農(nóng)用噴器不停地噴灑，使工程周圍保持霧狀的濕潤狀同于普通混凝土，不可采用濕草袋覆蓋、直接噴水等傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法態(tài)。養(yǎng)護(hù)工作要晝夜不停地進(jìn)行，白天循環(huán)養(yǎng)護(hù)不得間歇，夜間每隔1h養(yǎng)護(hù)一次，持續(xù)7d。

　　施工后28d達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，建筑物即可正常運(yùn)行。

　　利用丙乳砂漿封閉混凝土表面的施工工藝復(fù)雜，技術(shù)性強(qiáng)，精度要求高。如構(gòu)件表面處理不當(dāng)，則涂層附著力大幅度下降甚至脫落；水灰比、水聚比掌握不好，漿體會產(chǎn)生大量氣泡；施工環(huán)境溫度過高或過低以及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)均會給施工帶來困難，影響工程質(zhì)量。因此，必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，真正做到精心施工，才能達(dá)到預(yù)期的防護(hù)效果。

　　5. 2 環(huán)氧厚漿涂料

　　5. 2.1 性能特點(diǎn)

　　環(huán)氧厚漿涂料是由環(huán)氧基料、增韌劑、防銹劑、防銹防滲填料及固化劑等多種成份組成，適用于混凝土表層封閉。它具有以下一些特點(diǎn)：①穩(wěn)定性好。該涂料在大氣、淡水、海水及酸堿溶液等介質(zhì)中長期穩(wěn)定。②物理機(jī)械性能好。該涂料附著力強(qiáng)，涂層堅硬耐磨，耐熱性及電絕緣性好。③密封性能好。該涂料涂刷后能完全密閉受涂物表面，耐水、耐濕。④保護(hù)周期長。使用壽命在12年以上。⑤、施工方便。既適合手工涂刷，又適合機(jī)械噴涂。

　　5. 2.2 施工工藝

　　（1）表面處理?；炷帘砻嫣幚硎浅艋炷辽系奈圹E、浮物，一般有手工清理和機(jī)械清理兩種方法。手工清理用鋼絲刷在混凝土上來回拉刷，直至除掉混凝土表面的污跡，再用水清洗。機(jī)械清理常用噴砂及高壓水、高壓氣沖洗，以不損傷混凝土表層為限。表面處理后，對于混凝土上顯露出來的裂縫、蜂窩、麻面等缺陷要先進(jìn)行修補(bǔ)，完全補(bǔ)好后才能進(jìn)行涂裝，這樣才能徹底保護(hù)混凝土?；炷帘砻嫣幚砗蟠耆稍锖蟛拍苓M(jìn)行涂裝。

　　（2）涂料使用要求。環(huán)氧厚漿涂料分甲、乙兩組分，使用時一般按甲、乙組分比7∶1混合均勻后使用。配制量要根據(jù)需求適量配制，及時用完。二次涂裝要在一次涂裝漆膜完全干燥后進(jìn)行。

　　（3）表面涂裝。環(huán)氧厚漿涂料的人工涂裝方法與一般涂料相同，機(jī)械噴涂采用高壓無氣噴涂工藝。

　　（4）用量。環(huán)氧厚漿涂料固體組分多，揮發(fā)組分少，一般應(yīng)涂刷3～4遍，厚度達(dá)到250μｍ左右，用量0.5～0.6kg/m2。

　　5. 3 硅粉砂漿

　　硅粉砂漿由普遍水泥砂漿摻和硅粉拌制而成，適用于混凝土碳化層鑿除后的重新粉刷。硅粉砂漿因其優(yōu)越的力學(xué)性能和抗?jié)B性能而尤其適用于船閘、通航節(jié)制閘閘室岸翼墻墻面的防碳化處理。

　　根據(jù)試驗(yàn)，其抗沖磨性能比C60水泥砂漿高1.5倍，其抗壓強(qiáng)度達(dá)120MPa，抗拉強(qiáng)度5.2MPa，粘結(jié)強(qiáng)度3.6MPa，CO2濃度為30%的28d碳化試驗(yàn)的碳化深度為0。

　　硅粉砂漿的施工工藝為：混凝土表面鑿毛、沖洗、刷水泥硅粉凈漿、粉硅粉砂漿，養(yǎng)護(hù)14d。硅粉砂漿粉層厚度一般為2cm左右。

　　5.4 混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理

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　　混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理難于一般方法進(jìn)行防碳化處理。為阻緩縫內(nèi)混凝土的繼續(xù)碳化，并能滿足變形縫的變形要求，對于水上部位的變形縫，可采用SR嵌縫膏進(jìn)行表面封閉；對水下部位的變形縫，可采用SBS改性瀝青灌注封閉，能起到閉氣止水的雙重作用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所主編.混凝土實(shí)用手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987

　　[2]蔣學(xué)利等.混凝土碳化深度的計算與試驗(yàn)研究[M].混凝土.1996(4)

　　[3]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù).北京：中國鐵道出版社，1998

　　[4]鄭昌利.用硅粉水泥砂漿修復(fù)船閘閘墻[M].水運(yùn)工程.1994（7）

　　[5]鐘漢華.混凝土的碳化機(jī)理及其影響因素[M].湖北水利.1998(4)

　　[6]湖北省水利水電工程檢測研究中心.湖北省富水水庫溢洪道安全檢測報告.2001年3月

　　[7]湖北省水利水電工程質(zhì)量檢測中心.夾河溝泵站安全檢測報告.2005年12月

　　作者簡介

　　鐘漢華（1965.2—），男，漢族，籍貫湖北，副教授、高級工程師、注冊監(jiān)理工程、注冊造價工程師，畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院水利水電工程施工專業(yè)，主要從事水利水電工程施工方面的教學(xué)與研究工作。