陳文濤 李清瑞 馮 衛(wèi)

摘要:混凝土碳化是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一,通過對(duì)混凝土碳化機(jī)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(lái)減少碳化的危害。

關(guān)鍵詞:混凝土;碳化;影響因素;控制措施

前言

目前,很多工程碳化值較大,對(duì)工程帶來(lái)了諸多不良影響,已成為一大工程質(zhì)量通病,降低了建筑物的耐久性。本文旨在揭示混凝土碳化對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理和規(guī)律,提出了在設(shè)計(jì)和施工時(shí)對(duì)混凝土防碳化處理的建議。

1 混凝土碳化的作用機(jī)理

1.1 碳化反應(yīng)

空氣中的CO2、SO2等酸性氣體首先滲透到混凝土內(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Ca(OH)2和水化硅酸鈣(CSH)等物質(zhì)相互作用,形成CaCO3和H2O的中性化過程稱為混凝土的碳化。

經(jīng)過大量的研究表明,混凝土的碳化過程是CO2氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐漸擴(kuò)散、反應(yīng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,主要的碳化反應(yīng)方程如下:

Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+3CO3→3CaCO3·SiO2·3H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→3CaCO3·2SiO2·nH2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→2CaCO3·SiO2·nH2O

混凝土的碳化改變了混凝土的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu), 對(duì)混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能有著明顯的影響。

1.2 混凝土的碳化特性

國(guó)內(nèi)外大量的研究資料表明,在混凝土碳化初期碳酸氣在混凝土中擴(kuò)散和反應(yīng)的速度很快,即碳化深度增長(zhǎng)快。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)則逐步衰減,至一定齡期后,漸趨穩(wěn)定。

2 混凝土碳化與鋼筋銹蝕的關(guān)系:

混凝土碳化深度檢測(cè)的目的之一是定性地推定混凝土中的鋼筋銹蝕情況。下面對(duì)混凝土碳化與鋼筋銹蝕的關(guān)系作以下分析。

2.1 鋼筋腐蝕的作用機(jī)理

最初的混凝土孔隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液,它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學(xué)腐蝕,該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物,即Fe2O3和Fe3O4,這層覆蓋物稱為鈍化膜,在高堿性環(huán)境中,即PH≥11.5時(shí),它可以阻止鋼筋被進(jìn)一步腐蝕。

2.2 鋼筋腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響。一是鐵銹的生成造成鋼筋截面減小,構(gòu)件承載力降低;二是鐵銹體積膨脹(體積一般要增長(zhǎng)2～4倍),使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用;三是鐵銹的生成破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié),從而使鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力降低,甚至造成整個(gè)構(gòu)件失效。

3 影響混凝土碳化的因素

混凝土的碳化速度取決于CO2的擴(kuò)散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2的濃度、環(huán)境溫度、試件的含水率等因素影響,可主要?dú)w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。

3.1 內(nèi)部因素

3.1.1 水泥用量

水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量。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(chǔ)備。因此,水泥用量越大,混凝土強(qiáng)度越高,其碳化速度越慢。

3.1.2 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(duì)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。

3.1.3 水灰比

水灰比對(duì)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(shí)度降低,滲透性增大,碳化速度增大。

3.1.4 骨料種類和級(jí)配

集料的品種和級(jí)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。試驗(yàn)說(shuō)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。

3.1.5 施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法對(duì)碳化的影響

混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個(gè)重要因素。如果混凝土澆筑時(shí)不規(guī)范,特別是振搗不密實(shí),以及養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足時(shí),就會(huì)造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道粗大,且大多相互連通,使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。

3.2外部因素

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。

3.2.1 環(huán)境條件

碳化是液相反應(yīng),一直處于相對(duì)濕度低于25%空氣中的混凝土很難碳化;在空氣濕度50%～75%的大氣中,不密實(shí)的混凝土最容易碳化;但在相對(duì)濕度>95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化,這是因?yàn)榛炷梁畷r(shí)透氣性小,碳化慢;在濕度相同時(shí),風(fēng)速愈高、溫度愈高,混凝土碳化也愈快。

3.2.2光照和溫度

混凝土碳化與光照和溫度有直接關(guān)系。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,加速混凝土碳化。

3.2.3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。氯化鈣在其濃度及濕度較高時(shí),能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋發(fā)生潰爛性銹蝕。氯離子濃度的影響在沿海地區(qū)表現(xiàn)更為突出。

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(huì)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 混凝土碳化處理措施

4.1碳化處理方法

混凝土碳化的程度不同,部位不同,處理方法也不同。對(duì)碳化深度過大,鋼筋銹蝕明顯、危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件(建筑)應(yīng)拆除重建;對(duì)碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度,碳化層比較堅(jiān)硬的,可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉;對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的,均應(yīng)鑿除碳化層,粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土;對(duì)鋼筋銹蝕嚴(yán)重的,應(yīng)在修補(bǔ)前除銹,并應(yīng)根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋。

4.2 混凝土碳化的防止措施

減小和消除混凝土碳化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,關(guān)鍵是對(duì)影響碳化的因素加以預(yù)防和控制,防患于未然。

4.2.1 設(shè)計(jì)方面

根據(jù)建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)混凝土配合比,對(duì)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。

4.2.2 施工方面

混凝土質(zhì)量好壞,施工是關(guān)鍵。

一是要認(rèn)真選擇建筑材料。在施工中應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地理位置、周圍環(huán)境,選擇合適的水泥品種;集料選用質(zhì)地硬實(shí)和級(jí)配良好的砂和石料,注意剔除集料中的有害物質(zhì),摻入優(yōu)質(zhì)適宜的外加劑。

二是要嚴(yán)格控制混凝土的水灰比。要求是小水灰比,低塌落度,要把水的用量控制在滿足配料和施工需要的最低范圍內(nèi),盡量減少混凝土的自由水。

三是加強(qiáng)振搗和養(yǎng)護(hù)。振搗一定要充分并嚴(yán)格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,養(yǎng)護(hù)一定要及時(shí),混凝土達(dá)到初凝后立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù),并按不同水泥品種所要求的時(shí)間養(yǎng)護(hù),以使混凝土在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

四是鋼筋混凝土保護(hù)層厚度。施工時(shí)要將鋼筋用事先預(yù)制好的高標(biāo)號(hào)砂漿墊塊墊好,使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要概括了建筑物混凝土碳化、影響因素及其防治的主要措施,我們的原則應(yīng)該是防重于治,首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境,合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì);其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān),加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理,發(fā)現(xiàn)碳化,及時(shí)采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施,以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。

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