■林愛萍
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福州 350007)
混凝土的強(qiáng)度與耐久性長期以來一直為人們所關(guān)注,由于混凝土長期暴露在空氣中,容易受到自然界一些有害物質(zhì)的腐蝕,其耐久性會(huì)降低,從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象。近些年由于我國環(huán)境的惡化,二氧化碳的濃度逐年增加,暴露的混凝土與空氣中的二氧化碳接觸,在發(fā)生中性化反應(yīng)的同時(shí)降低了混凝土中的堿性物質(zhì),使混凝土碳化,從而加快了混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕;一些研究報(bào)告表明:混凝土碳化使鋼筋表層的鈍化膜會(huì)有脫落現(xiàn)象,鈍化膜只要被破壞了就會(huì)導(dǎo)致鋼筋會(huì)出現(xiàn)不用程度的銹蝕。鋼筋的銹蝕會(huì)使得自身膨脹,附著于表面的保護(hù)層脫落,最終導(dǎo)致鋼筋變小,自身承載力變小,混凝土整體構(gòu)件失穩(wěn),具有一定的安全隱患[1]?;炷恋奶蓟罱K會(huì)導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層剝落,將引起混凝土的使用壽命大幅度下降。所以,如何加強(qiáng)混凝土抗碳能力已經(jīng)成為了工程界探討的重要問題。
國內(nèi)外的學(xué)者經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究和理論分析總結(jié)出了混凝土碳化的原因?;炷撂蓟饕侵富炷林写嬖诘膲A性物質(zhì)例如Ca(OH)2與空氣中的二氧化碳接觸發(fā)生了中性化反應(yīng),生成了碳酸鹽等化學(xué)物質(zhì),改變了混凝土的組成成分的過程。詳見圖1。
混凝土中水泥水化后的氫氧化鈣與水化硅酸鈣是堿性物質(zhì)的主要成分,見表1[2]。
表1 混凝土中水泥水化后的氫氧化鈣與水化硅酸鈣的穩(wěn)定PH值
圖1 混凝土碳化和鋼筋銹蝕機(jī)理圖
由表1可知,混凝土中可碳化成分主要是Ca(OH)2,其碳化的化學(xué)反應(yīng)式為:
除此之外,混凝土中硅酸鈣水化時(shí)也會(huì)與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng):
相關(guān)資料顯示:當(dāng)PH在11以上時(shí),混凝土處于強(qiáng)堿的環(huán)境下,二氧化碳等酸性氣體不易進(jìn)入混凝土中破壞鋼筋的鈍化膜,使得鋼筋銹蝕,而產(chǎn)生混凝土碳化。當(dāng)PH在9.5以下時(shí),鋼筋的鈍化膜會(huì)逐漸遭到破壞,混凝土的碳化會(huì)持續(xù)加重[3]。
由于空氣、土壤和地下水中有著各種各樣能影響混凝土碳化的物質(zhì),所以混凝土碳化的因素是多方面的,但從混凝土的碳化機(jī)理可以知道,自身的密實(shí)性及其Ca(OH)2等堿性物質(zhì)的含量是影響混凝土碳化的最主要原因。其中的材料因素和環(huán)境因素以及施工的因素等是最為突出的。
2.1.1 水灰比的影響
混凝土的抗碳性不僅僅是依靠Ca(OH)2的量,在Ca(OH)2固定不變的情況下,二氧化碳的量也將影響著混凝土的碳化。這兩者對(duì)水泥的水化有著重要的意義。所以二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散能力是混凝土碳化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在相同條件下,水灰比值越大,二氧化碳擴(kuò)散的越快,碳化深度也會(huì)越快,但是二者其實(shí)并不是呈線性的關(guān)系,有研究表明它們存在一定的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。山東科技院通過室外的實(shí)驗(yàn)得出了混凝土碳化深度與水灰比的關(guān)系式:
式中,w為水灰比[4]。
當(dāng)水灰比從0.4增長至0.8時(shí),二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散能力將達(dá)到10倍,當(dāng)水灰比超過0.65時(shí),其碳化速度將大大加快,水灰比在0.55以下時(shí),碳化速度將受到一定的抑制,抗碳能力有所加強(qiáng)[5]。
2.1.2 水泥品種的影響
水泥品種的不同選擇在單位體積相同條件下,混凝土的碳化速度也是不同的。同等強(qiáng)度水泥與早強(qiáng)水泥相比,抗碳化的性能更差。火山灰配置的混凝土比普通的混凝土抗碳化性能更差。
2.1.3 水泥用量的影響
水泥的用量會(huì)影響著混凝土中可碳物質(zhì)的用量。水泥中含堿量越多,孔溶液中的PH值會(huì)越高值,使得部分碳化后的混凝土中CaCO3的沉淀濃度會(huì)減少,在一定程度上可以改善混凝土的整體密實(shí)性。在其他用量不變時(shí),水泥用量的增加會(huì)使得混凝土碳化的速度有所減小。在水泥用量增多的同時(shí),混凝土構(gòu)件的整體密實(shí)度也會(huì)隨著加大,二氧化碳在混凝土內(nèi)部的滲透能力將逐漸減小,保證鋼筋不會(huì)因?yàn)榛炷恋奶蓟M(jìn)一步銹蝕。
2.1.4 摻合料的影響
混凝土中摻入礦渣、粉煤灰等活性物質(zhì)的摻和料,過多的活性物質(zhì)與水泥水化后的氫氧化碳結(jié)合,致使堿性物質(zhì)在混凝土中總量下降,對(duì)混凝土的碳化起了加速的作用。粉煤灰混凝土相對(duì)于后期而言,早期有著較好的抗碳化能力,但是隨著時(shí)間的推移,由于粉煤灰與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),所以抗碳能力會(huì)不如沒有摻雜粉煤灰的混凝土。
混凝土中加入了摻和料有著兩種不同的作用:一方面,因?yàn)榧尤氲膿胶土?,取代了水泥的部分用量,使得水泥的用量?huì)有所減少,水用量保持固定的情況下,水灰比也會(huì)增大,水泥水化反應(yīng)后的堿儲(chǔ)備量會(huì)因此減少,導(dǎo)致混凝土的抗碳性能降低;另一方面,摻和料參與了二次水化反應(yīng),混凝土的空隙得到有效的填充,混凝土的整體密實(shí)性會(huì)因此提高。所以粉煤灰的用量必須控制在一定的范圍內(nèi),才能發(fā)揮出最好的性能。
2.1.5 外加劑的影響
外加劑中的活性物質(zhì)與混凝土有很好的適應(yīng)性,但是相同的外加劑摻入不同品種的水泥,配制時(shí)對(duì)混凝土的抗碳能力也可能有不同的結(jié)果。適當(dāng)合理的外加劑,可以與混凝土很好的相結(jié)合,使混凝土構(gòu)件更具有牢固性。一般來說,選用優(yōu)質(zhì)的加氣劑和緩凝劑可以加強(qiáng)混凝土的工程質(zhì)量,使混凝土發(fā)揮出更優(yōu)越的性質(zhì),從而使碳化反應(yīng)大大減低。
環(huán)境因素主要包括了自然環(huán)境和使用環(huán)境兩個(gè)方面。自然環(huán)境包括環(huán)境相對(duì)濕度,室內(nèi)外溫度、應(yīng)力以及二氧化碳濃度等;使用環(huán)境主要指混凝土構(gòu)件的所能承受的受力水平,受力水平也是通過二氧化碳濃度的高低和碳化的速度來反應(yīng)混凝土的碳化。
2.2.1 環(huán)境相對(duì)濕度的影響
相對(duì)濕度較高時(shí),混凝土內(nèi)部的空隙中水分會(huì)阻礙甚至停止二氧化碳的擴(kuò)散,二氧化碳與混凝土的中性化反應(yīng)受到抑制,從而混凝土的抗碳化性能會(huì)提高;相對(duì)濕度較低時(shí),混凝土內(nèi)部會(huì)相對(duì)暢通,二氧化碳可以順利的流通,但是此時(shí)混凝土的水分欠缺,使得水化反應(yīng)的效率將變慢,在一定程度上也可以使混凝土的碳化隨之減慢??諝庵械亩趸紳舛瓤梢苑譃槭覂?nèi)濃度與室外濃度。一般來說,室內(nèi)的二氧化碳的濃度會(huì)比室外二氧化碳的濃度高,所以室內(nèi)的混凝土碳化速度會(huì)略快。
2.2.2 環(huán)境溫度的影響
溫度的高低也會(huì)影響著混凝土的碳化。溫度越高,從物理學(xué)知識(shí)可以知道,離子運(yùn)動(dòng)速度加快,二氧化碳的擴(kuò)散速度也會(huì)加快,因而混凝土的抗碳能力降低。一般來說,只要溫度上升了10℃,化學(xué)反應(yīng)的速度將提高2倍。但也有部分學(xué)者認(rèn)為溫度升高將使得二氧化碳的溶解率降低,使得混凝土的碳化也降低[6]。所以溫度高低的對(duì)混凝土碳化的影響因素到目前為止還沒有得出一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。
攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件等施工因素也是影響著混凝土抗碳化的能力,混凝土的密實(shí)性最能體現(xiàn)出混凝土抗碳能力的優(yōu)良。工程實(shí)踐表明:在同樣的基礎(chǔ)條件下,優(yōu)越的工程質(zhì)量,使得混凝土的強(qiáng)度更高,整體密實(shí)性更好,抗碳的能力越高;反之,劣性的工程質(zhì)量,會(huì)出現(xiàn)很多的裂縫、孔洞,疏松的混凝土,有利于二氧化碳的擴(kuò)散,發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),將使混凝土的碳化加重。養(yǎng)護(hù)條件的不同也會(huì)使得水泥的水化反應(yīng)結(jié)果不用,水化的程度對(duì)混凝土的孔隙體積有著重要的影響,而且孔隙體積的大小又直接影響了混凝土的密實(shí)性,所以養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土有著極其重要的意義。一般來說,普通混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)比一般自然養(yǎng)護(hù)的碳化速度高1.5倍[7]。
3.1.1 水灰比的控制
水灰比對(duì)混凝土的強(qiáng)度有著重要的影響。一般情況下,用水量參與水泥水化的比例只占了15%左右,多余的水會(huì)在水泥硬化后,以蒸汽的形式散發(fā)出去,導(dǎo)致混凝土表面會(huì)產(chǎn)生許許多多的小孔,通過這些小孔,混凝土的整體密實(shí)性會(huì)大大降低,導(dǎo)致了混凝土的抗碳性也要降低。但從另一方面來看,不可盲目為提高水泥的強(qiáng)度,而將用水量控制在制備標(biāo)準(zhǔn)以下,這樣不僅浪費(fèi)了水泥,用水量的減少對(duì)混凝土的整體和易性也會(huì)有影響。保證最優(yōu)的水灰比,在施工質(zhì)量方便時(shí),將水灰比控制在0.75以下,水泥水化后的水泥漿濃度不至于過低,膠體與骨料的結(jié)合面積不會(huì)因?yàn)樗冶冗^大而減小,整體粘結(jié)能力下降[8]。所以優(yōu)化的水灰比能混凝土的抗碳性能有較顯著的提升。
3.1.2 優(yōu)化水泥用量
在水泥選擇方面,主要是通過水泥用量以及水泥品種兩方面來衡量。水泥用量在我國最小采用的是300kg/m3。水泥的用量涉及到了水灰比的值,目前不同地區(qū)不同工程對(duì)水灰比的用量也是不盡相同,但有一點(diǎn)是公認(rèn)的,混凝土自身的強(qiáng)度越高,水灰比就會(huì)越低。在混凝土強(qiáng)度等級(jí)固定的情況下,選擇水泥品種要與之相對(duì)應(yīng),不可選用強(qiáng)度過高的水泥來減少水泥用量,這樣既不符合經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)導(dǎo)致水灰比過高,影響混凝土的抗碳化能力[9]。
3.1.3 優(yōu)化水泥品種
在水泥品種的選擇上,優(yōu)先選擇保水性好,沁水性小的水泥。通過工程的實(shí)例證明了,水泥品種標(biāo)號(hào)的選擇必須根據(jù)不同的工程環(huán)境和混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)來判斷。其中對(duì)于工程環(huán)境來說,在相對(duì)干燥的環(huán)境中優(yōu)先選擇硅酸鹽水泥,水泥水化后不易產(chǎn)生裂縫,能較好適應(yīng)干燥的工程環(huán)境。對(duì)于相對(duì)濕熱的環(huán)境,則采用粉煤灰礦渣水泥,它不僅保證了水泥早期的水化的強(qiáng)度,對(duì)后期水泥的整體密實(shí)性也大有幫助。對(duì)于需要高強(qiáng)度的混凝土的制備,應(yīng)選擇硅酸鹽水泥,雖然硅酸鹽水泥的價(jià)格較高,但它的標(biāo)號(hào)強(qiáng)度能很好的適應(yīng)混凝土強(qiáng)度的要求。地下環(huán)境中的混凝土,由于地下的酸性物質(zhì)長期與混凝土緊密接觸,影響混凝土的腐蝕,因此需要選擇較高的抗腐蝕能力的水泥,火山灰水泥就成為較好的選擇。
3.1.4 摻和料的使用
目前我國在工程項(xiàng)目中,混凝土的制備在攪拌時(shí)都會(huì)有加入一定量的摻和料。摻和料的加入可以適當(dāng)?shù)臏p少混凝土中水泥的用量,提高經(jīng)濟(jì)效益還可以促進(jìn)混凝土的優(yōu)化,提高混凝土的各種性能,例如密實(shí)性,和易性和強(qiáng)度等級(jí),防止混凝土到了后期因?yàn)閮?nèi)部的腐蝕和開裂,而導(dǎo)致混凝土碳化和坍塌等工程質(zhì)量問題[10]?;炷林袚胶土细鶕?jù)用途大致可以分為兩種,一種是活性的,另外一種是非活性的。對(duì)于活性的摻和料來說,它主要是在摻與水泥水化后,能產(chǎn)生一種膠凝材料,膠凝材料會(huì)在混凝土中通過水硬性來提高黏結(jié)能力,從而提高混凝土的密實(shí)性。非活性的摻和料來說,是較為直接的通過增強(qiáng)和易性來保證混凝土的強(qiáng)度。但是其實(shí)二者并不是各自執(zhí)行自己的性能,他們往往都是相輔相成的。在一定的條件下,可以通過轉(zhuǎn)化的形式來增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明:在混凝土中摻入礦渣粉和粉煤灰,可以有效提高混凝土抗氯離子的滲透性。在水膠比較低的情況下,混凝土的密實(shí)性得到了顯著的提升,混凝土的碳化也會(huì)降低[11]。
3.1.5 外加劑的使用
為了適應(yīng)新型結(jié)構(gòu)的使用要求,提高混凝土的抗碳化能力,人們在混凝土工程中會(huì)選擇摻入一些外加劑。外加劑并不是以單獨(dú)一種功能而存在,而是以一種復(fù)合型的外加劑共同參與混凝土的工作。混凝土中因?yàn)樗冶冗^大而使混凝土產(chǎn)生碳化的情況下,往往可以通過使用減水劑來加以控制。減水劑是一種活性的材料,在參與混凝土制備的同時(shí),會(huì)吸附在其水泥表面,使得水泥顆粒能夠因?yàn)殪o電作用而擴(kuò)散開來,并使混凝土中多余的游離水排除。在保證混凝土質(zhì)量不變的情況下,減少水灰比,使得混凝土內(nèi)部不會(huì)因?yàn)樗值牧魇Фa(chǎn)生過多的孔隙,對(duì)混凝土抗碳化能力起了重要作用。在一些特殊的工程環(huán)境中,例如在寒冷的條件下,混凝土容易因?yàn)閮鼋Y(jié)而開裂,此時(shí)采用一些亞硝酸鈉等抗凍劑,可以有效降低冰點(diǎn),還可以使混凝土更快凝結(jié),但抗凍劑不可以使用太多,太多了會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象,對(duì)結(jié)構(gòu)的美觀效果會(huì)有所影響。
3.2.1 攪拌機(jī)的選擇
攪拌機(jī)可以選用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī),它的主要優(yōu)點(diǎn)就是攪拌的效率高、質(zhì)量好、動(dòng)力消耗較小。在使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)時(shí),機(jī)械內(nèi)部的轉(zhuǎn)速不宜過大,否則在磨損的同時(shí),也會(huì)使混凝土不能攪拌充分而產(chǎn)生離析現(xiàn)象。但是為了混凝土拌合物的優(yōu)質(zhì)均勻,僅僅依靠攪拌機(jī)是不夠的,還應(yīng)該有合理的攪拌過程。
3.2.2 攪拌的過程
首先,攪拌時(shí)間的長短是影響混凝土密實(shí)性的關(guān)鍵因素,在一般情況下,攪拌時(shí)間太短,混凝土沒有達(dá)到充分的反應(yīng),內(nèi)部粘結(jié)力降低,強(qiáng)度也降低,對(duì)混凝土后期的抗碳性造成很大的影響;反之,攪拌時(shí)間太長,不僅跟不上生產(chǎn)的工作效率,而且混凝土容易分層而產(chǎn)生離析現(xiàn)象,對(duì)混凝土的和易性也有影響。其次,從投料的順序來看,在使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)時(shí),先倒進(jìn)砂子,而后倒水泥,最后再倒石子,一般先將粗細(xì)骨料和水泥先攪拌,再加水一起攪拌,攪拌的過程中,要時(shí)刻監(jiān)督和檢查混凝土的質(zhì)量問題,保證施工的質(zhì)量。
3.2.3 自然養(yǎng)護(hù)
混凝土產(chǎn)生碳化的一部分原因是在于混凝土配制時(shí)沒有加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)作用。一般來說,養(yǎng)護(hù)作用可以分為自然養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)?;炷翝仓戤吅?,會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度還沒有達(dá)到充分,水分蒸發(fā)得太快,而出現(xiàn)裂縫變形,影響混凝土的強(qiáng)度。采用自然養(yǎng)護(hù)中的覆蓋澆水,在混凝土澆筑完成之后的10h,對(duì)混凝土表面噴灑澆水,澆水的時(shí)間間隔一般可以保持在3h一次,如果出現(xiàn)較為干燥的天氣,可以適當(dāng)增加澆水的次數(shù),保持一定的水分,使混凝土不至于在后期充分凝結(jié)后出現(xiàn)水分不足。
3.2.4 蒸汽養(yǎng)護(hù)
如果在冬季施工,由于溫度較低,水泥水化的速度會(huì)減慢,這時(shí)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。升高一定的溫度來加快混凝土反應(yīng)的速度,在混凝土成型后,可以將混凝土放在室內(nèi)的靜停4h后再升溫。升溫的速度不宜過快,以免以為水分蒸發(fā)太多,影響混凝土的密實(shí)性,后期再將溫度調(diào)為恒溫,待混凝土達(dá)到滿足的強(qiáng)度等級(jí),便可以取出使用。經(jīng)過加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)后的混凝土在后期會(huì)增強(qiáng)強(qiáng)度,混凝土抗碳性也會(huì)有一定的保證。
在橋梁、碼頭和水利工程中,混凝土的碳化尤其常見。據(jù)調(diào)查,在華南地區(qū)的18座海港碼頭中因碳化而引起的工程破損率高達(dá)89%,湛江25萬噸級(jí)的油碼頭,僅僅建了7年就因?yàn)榛炷恋奶蓟獾狡茐模粚?duì)于水利工程來說,據(jù)相關(guān)調(diào)查滄州地區(qū)沿海在60至70年代建的大小型水閘和橋梁都無一幸免地承受混凝土碳化帶來的破壞。
混凝土碳化的工程實(shí)例如圖2、圖3所示。
圖2中,可以看到混凝土碳化非常嚴(yán)重,導(dǎo)致混凝土保護(hù)層大面積剝落,混凝土內(nèi)部的鋼筋暴露在空氣中,在鈍化膜遭到破壞以后,鋼筋的銹蝕程度進(jìn)一步加重,已經(jīng)危及結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性。
圖3中,抗碳化能力較為突出的混凝土,它們都具有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是混凝土使用的水泥是硅酸鹽水泥,在配置混凝土?xí)r水泥的用量也較為富裕,水灰比較低,還摻入了減水劑和引氣劑。在施工和養(yǎng)護(hù)工程中,保證了混凝土質(zhì)量良好。
碳化速度很快的工程,需要及時(shí)進(jìn)行防碳化處理,減緩碳化的進(jìn)一步加重。對(duì)于碳化破壞很嚴(yán)重的工程,應(yīng)及早采取針對(duì)性的加固措施,或者拆除碳化部分的混凝土,重新修建,以確保工程的安全運(yùn)行。
圖2 混凝土碳化導(dǎo)致鋼筋銹蝕以及混凝土開裂保護(hù)層剝落
圖3 抗碳化能力較好的混凝土
目前混凝土已經(jīng)是建筑行業(yè)最為廣泛的使用材料。國內(nèi)外學(xué)者通過了幾十年來的精心研究,也對(duì)混凝土碳化有了全新的認(rèn)識(shí),其中材料因素、環(huán)境因素和施工因素仍然是公認(rèn)的影響混凝土碳化的主要因素,混凝土碳化不僅僅為施工帶來了難題,最主要的是會(huì)給工程埋下安全的隱患,因而,處理混凝土碳化是當(dāng)前建筑行業(yè)刻不容緩的事情,例如降低水泥的水灰比、提高水泥品質(zhì)和用量、摻入摻和料和外加劑以及施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)都可以有效控制混凝土碳化。但如何研究出更加出色的防碳化材料和方法依然是工程界的熱門問題。
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