俞伯平 徐東海

諸暨市王家井鎮(zhèn)人民政府水管站（311800）

混凝土碳化的研究與進(jìn)展

俞伯平 徐東海

諸暨市王家井鎮(zhèn)人民政府水管站（311800）

碳化是影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的主要因素之一，成為混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容。這里對(duì)混凝土碳化過(guò)程和機(jī)理、影響因素及其預(yù)防處理措施進(jìn)行了綜述，希望為同行提供參考。關(guān)鍵詞:碳化；混凝土；耐久性；機(jī)理

0 引言

眾所周知，混凝土是一種耐久性材料，但是從澆筑之日起，就會(huì)遭受多方面的腐蝕破壞，主要有碳化、堿-集料反應(yīng)、凍害和鹽害等，簡(jiǎn)稱“四害”[1]。其中，碳化是最為常見的，損失也最嚴(yán)重。以前普遍認(rèn)為碳化會(huì)提高混凝土表面的強(qiáng)度和硬度,然而，隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕；此外，碳化還會(huì)使得混凝土的脆性變大，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。由此可見，混凝土的碳化是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，研究混凝土的碳化有其實(shí)際意義。

1 混凝土碳化過(guò)程及機(jī)理

1.1 混凝土碳化機(jī)理

混凝土是一種包含氣相、液相、固相的多相體，混凝土內(nèi)部存在著孔隙、氣泡等缺陷?？諝庵械亩趸寄軌蜉p易地滲透到混凝土內(nèi)部，然后溶解于孔隙液中的液相物質(zhì)形成碳酸，生成的碳酸與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、CS-H等產(chǎn)物反應(yīng)形成碳酸鈣[2，3]。混凝土的碳化反應(yīng)式如下:

混凝土內(nèi)部的pH值一般為12.5～13.5，處于這種高堿性環(huán)境中的鋼筋會(huì)在其表面形成鈍化膜，能夠保護(hù)鋼筋。碳化反應(yīng)后的混凝土內(nèi)部的pH值會(huì)降低，使得鋼筋表面的鈍化膜分解，使鋼筋容易發(fā)生銹蝕[4]。

1.2 混凝土碳化過(guò)程

碳化是一個(gè)由表及里、緩慢向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的過(guò)程，在混凝土完全碳化區(qū)的內(nèi)部會(huì)形成部分碳化區(qū)和未碳化區(qū)。理論上，未碳化混凝土的pH值約為12.5，而完全碳化的混凝土的pH值為7，因此以pH值來(lái)劃分不同的碳化區(qū)域。pH≥12.5的區(qū)段為未碳化區(qū)，pH=7的區(qū)段為完全碳化區(qū)，而介于兩者之間的過(guò)渡區(qū)段則為部分碳化區(qū)。由此可以模擬混凝土的碳化過(guò)程，如圖1所示[2，5]。

圖1 碳化過(guò)程模擬圖

2 碳化對(duì)混凝土的影響

2.1 碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響

碳化使得混凝土的孔徑和孔隙率均減少。研究表明:碳化時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土的孔隙率降低，早期的時(shí)候迅速降低，后期緩慢降低，且低強(qiáng)度的混凝土更為顯著[6]。碳化反應(yīng)造成了混凝土孔隙率的下降，一定程度上堵塞了部分毛細(xì)孔隙，從而抑制水分侵入；但另一方面使混凝土微觀結(jié)構(gòu)重分布，破壞了混凝土基體原先的過(guò)濾機(jī)制，使得有害物質(zhì)更容易侵入到混凝土內(nèi)部[7]。

2.2 碳化對(duì)鋼筋銹蝕的影響

碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)最大的危害就是由于混凝土pH值的降低從而破壞鋼筋表面的鈍化膜使得鋼筋銹蝕。從碳化對(duì)鋼筋銹蝕速度的影響來(lái)看，當(dāng)pH＞11.5時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài)，不發(fā)生銹蝕；pH＜9時(shí)銹蝕速度不再受pH值的影響；只有當(dāng)9＜pH＜11.5時(shí)銹蝕速度隨pH值下降而增大。由于鐵銹層呈多孔狀，即便銹層較厚，其阻擋進(jìn)一步腐蝕的效果也很差，因而腐蝕將不斷向內(nèi)部發(fā)展，同時(shí)生成的鐵銹體積約為原先體積的2.5倍，產(chǎn)生的膨脹壓力將使混凝土出現(xiàn)裂縫和引起剝落，促使混凝土保護(hù)層開裂，導(dǎo)致更大的腐蝕[8]。

2.3 碳化對(duì)混凝土性能的影響

2.3.1 強(qiáng)度

混凝土碳化時(shí)生成的CaCO3密實(shí)了混凝土結(jié)構(gòu)，從而增加了混凝土的質(zhì)量，增大混凝土的強(qiáng)度(這里的強(qiáng)度特指混凝土或砂漿部分表層碳化后的抗壓強(qiáng)度)[9]。也有文獻(xiàn)表明[10]，碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響必須分期考慮，碳化在一定程度上能夠改善混凝土中水泥石的孔結(jié)構(gòu)，使其密實(shí)程度得到了一定的提高，在早期的時(shí)候其作用超過(guò)了水泥的水化作用，致使標(biāo)準(zhǔn)碳化狀態(tài)下混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快。但從長(zhǎng)期的角度來(lái)看，碳化使混凝土產(chǎn)生一定程度的收縮，造成后期強(qiáng)度發(fā)展變得緩慢。一般來(lái)說(shuō)，加速碳化時(shí)混凝土始終處于良好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。然而，實(shí)際的混凝土常常處于干濕循環(huán)等惡劣環(huán)境中，因此加速碳化時(shí)強(qiáng)度有所增加，而實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有所下降。

2.3.2 收縮

碳化能夠使混凝土產(chǎn)生很大的收縮，原因是在干縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力下的Ca(OH)2晶體溶解和CaCO3在無(wú)壓力處沉淀所致，由此加大了水泥石的可壓縮性。濕度是碳化收縮的諸多影響因素中影響最大的[11]。

2.3.3 腐蝕因子遷移

混凝土碳化使Friedel’s鹽和硫鋁酸鹽分解產(chǎn)生的Cl-和SO42-向未碳化區(qū)遷移產(chǎn)生濃縮，進(jìn)而顯著降低這兩種離子在碳化區(qū)的濃度，同時(shí)碳化前沿的濃度顯著升高，混凝土中的Na+、K+等堿金屬離子向Cl-和SO42-相反向遷移和濃縮，致使碳化未到達(dá)鋼筋表面時(shí)鋼筋已經(jīng)開始銹蝕[11]。

3 影響碳化的因素

3.1 內(nèi)因

3.1.1 水泥品種和用量

水泥品種決定了單位體積混凝土中的可碳化物質(zhì)含量，水泥品種的不同意味著其中包含的化學(xué)成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別,進(jìn)而直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對(duì)混凝土碳化速度有著重要的影響。一般認(rèn)為,早強(qiáng)型水泥與同標(biāo)號(hào)水泥相比，抗碳化性能較高；礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥混凝土的碳化速度比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快；對(duì)同一熟料的水泥來(lái)說(shuō)，混合材含量越高，其活性混合材越易與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，加速其碳化速度。

水泥用量越大，碳化速度越慢。目前試驗(yàn)表明[10-12]:相同材料及水灰比，碳化深度與水泥用量成指數(shù)的倒數(shù)函數(shù)關(guān)系；同時(shí)，水泥用量增加，混凝土越密實(shí)，CO2向混凝土內(nèi)部滲透越慢，因此減緩了鋼筋銹蝕的速度。

3.1.2 水灰比

水灰比越小，碳化速度越慢。這是由于CO2是在混凝土內(nèi)部的孔隙中進(jìn)行擴(kuò)散，水灰比越小，混凝土內(nèi)部孔隙率減少，擴(kuò)散系數(shù)降低，減慢混凝土的碳化速度。

3.1.3 集料品種與粒徑

某些天然或人造的輕集料中的火山灰在加熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)與Ca(OH)2結(jié)合。此外，硅質(zhì)集料發(fā)生AAR時(shí)也會(huì)消耗Ca(OH)2降低混凝土中可碳化物質(zhì)的含量，都會(huì)加速碳化。同時(shí)，集料的粒徑對(duì)水泥漿-集料的黏結(jié)有很大影響，在水灰比相同時(shí)，粒徑越大，與水泥漿的黏結(jié)越差，混凝土越容易碳化。

3.2 外因

3.2.1 CO2濃度

對(duì)于CO2的影響,學(xué)者提出了幾十種觀點(diǎn)，其理論模式大多基于菲克第一擴(kuò)散定律?；诜瓶硕?，混凝土的碳化速度與CO2濃度的平方根近似成正比。環(huán)境中的CO2濃度越大，混凝土內(nèi)外CO2濃度梯度就越大，CO2就越容易擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，混凝土的碳化越大。

3.2.2 環(huán)境溫度

混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度越高，CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度及CO2與水化產(chǎn)物的反應(yīng)速度越快，碳化速度加快。除此之外，溫度的交替變化也有利于CO2的擴(kuò)散。清華大學(xué)給出了溫度對(duì)碳化的影響公式[13]:

式中:T1、T2—兩種環(huán)境絕對(duì)溫度，K。

3.2.3 環(huán)境濕度

CO2溶解于水后才能和Ca(OH)2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干燥的時(shí)候,混凝土碳化是無(wú)法進(jìn)行的。但是碳化本身是釋放水的過(guò)程,環(huán)境相對(duì)濕度過(guò)大，生成的水無(wú)法釋放也會(huì)抑制碳化的進(jìn)行，導(dǎo)致CO2向混凝土內(nèi)擴(kuò)散的速度下降。目前，導(dǎo)致混凝土最快碳化速度的相對(duì)濕度應(yīng)該在50%～70%之間[14]。

3.2.4 施工因素

施工因素主要是指混凝土的攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件等。它們主要影響混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而影響混凝土的碳化速度。實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明:其他條件相同的情況下，施工質(zhì)量越好，密實(shí)性越好，抗碳化能力也越強(qiáng)；相反如果施工質(zhì)量差，混凝土內(nèi)部裂縫、蜂窩和孔洞等比較多，增加了CO2在混凝土中的擴(kuò)散路徑，使得碳化速度加快[15]。

混凝土早期的養(yǎng)護(hù)狀況對(duì)其碳化過(guò)程有很大的影響。在早期溫度適宜、水分充足的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的混凝土，水泥可以充分地水化，生成的水泥石更密實(shí),而如果早期養(yǎng)護(hù)不良會(huì)造成水泥水化不充分，其表層滲透性增大，更容易碳化。

4 混凝土碳化處理及預(yù)防措施

4.1 碳化處理方法

對(duì)于碳化深度過(guò)大且鋼筋銹蝕嚴(yán)重，危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)當(dāng)拆除重建；對(duì)碳化深度小于鋼筋保護(hù)層厚度的，但是碳化層比較堅(jiān)固的，用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或者碳化濃度雖然較小但是碳化層疏松易剝落的，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)當(dāng)在修補(bǔ)前除銹，并根據(jù)銹蝕情況加補(bǔ)鋼筋。防碳化的效果，要達(dá)到組織或盡可能減慢外界有害氣體進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)部一直處在高堿性環(huán)境中，從而保護(hù)鋼筋[16]。

4.2 防碳化措施

嚴(yán)格控制混凝土裂縫開展寬度，嚴(yán)格控制水灰（膠）比，嚴(yán)格控制混凝土保護(hù)層的最小厚度，限制新拌混凝土中的氯化物含量，采用活性摻合料和減水劑技術(shù)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，對(duì)混凝土表面進(jìn)行涂覆[17]。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)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(shí)要牢固，拆模應(yīng)在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行；施工中混凝土應(yīng)用機(jī)械震搗，以保護(hù)混凝土密實(shí)性；混凝土澆筑完畢后，應(yīng)用草料等加以覆蓋，并根據(jù)情況及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)混凝土[18]。

5 結(jié)語(yǔ)

混凝土碳化是混凝土耐久性研究極為重要的一個(gè)內(nèi)容，這里對(duì)混凝土碳化過(guò)程及機(jī)理，碳化對(duì)混凝土的影響，影響碳化的因素及其預(yù)防處理措施進(jìn)行了綜述。對(duì)于碳化機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所得結(jié)論基本一致。碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、性能等方面均有很大的影響。結(jié)合混凝土碳化的影響因素，提出碳化的處理及預(yù)防措施，供同行參考。

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