混凝土碳化問題的分析研究

　　前言

　　空氣、土壤或地下水等環(huán)境中的酸性物質(zhì)如CO₂、HCl、SO₂、Cl₂深入混凝土表面，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土中的PH值下降的過程稱為混凝土的中性化，其中由大氣環(huán)境中的CO₂引起的中性化過程稱為混凝土的碳化。由于大氣中有一定含量的CO₂，故碳化是最普遍的混凝土中性化過程。

　　混凝土在空氣中的碳化是空氣中二氧化碳與混凝土中的堿性物質(zhì)相互作用，使其機(jī)能下降的一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程。在某些條件下，混凝土的碳化會增加其密實性，提高混凝土的抗化學(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(hù)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，分析混凝土的碳化機(jī)理、影響因素及其控制是很有必要的。

　　一、混凝土的碳化機(jī)理

　　混凝土的基本組成材料為水泥、水、砂和石子，其中硅酸鹽水泥熟料礦物主要由硅酸三鈣和硅酸二鈣組成，在拌和混凝土?xí)r，它們與水發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

　　2(3CaO·SiO₂) + 6H₂O·3CaO→2SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂

　　2(2CaO·SiO₂) + 4H₂O·3CaO→2SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂

　　由上可知，硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣和Ca(OH)_{2 ,}其中Ca(OH)2 在水中的溶解度極低，少量溶于孔隙液中，使孔隙液成為飽和堿性溶液，它的PH值為12.5-13.5，這種高堿性的環(huán)境有利于保護(hù)鋼筋，相當(dāng)于在鋼筋周圍產(chǎn)生了一層“保護(hù)膜”，使其免遭銹蝕。由于施工過程中的種種原因，混凝土內(nèi)部存在許多大小不一的毛細(xì)孔、孔隙、氣泡，甚至缺陷，因此形成的混凝土實際是一個含固相、液相、氣相的非均勻物質(zhì)，于是環(huán)境中的二氧化碳?xì)怏w便通過這些無法避免的缺陷，滲透到毛細(xì)孔和孔隙中，與其中的孔隙液所溶解的

　　Ca(OH)₂ 進(jìn)行中和反應(yīng)，其化學(xué)方程式如下:

　　CO₂ + H₂O→H₂CO₃

　　Ca(OH)₂ + H₂CO₃ →CaCO₃ + 2H₂O

　　反應(yīng)后，毛細(xì)孔周圍混凝土中的羥鈣石補充溶解為Ca²⁺和OH^- ，反向擴(kuò)散到孔隙液中，與繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)來的CO₂反應(yīng)，一直到孔溶液中的PH值降為8.5-9.0時，這層毛細(xì)孔才不再進(jìn)行這種中和反應(yīng)，即所謂“已碳化”?；炷帘韺犹蓟?大氣中的CO₂繼續(xù)沿混凝土中未完全充水的毛細(xì)孔道向混凝土深處氣相擴(kuò)散，更深入地進(jìn)行碳化反應(yīng)。這些反應(yīng)使混凝土中的堿度降低，破壞鋼筋周圍的“保護(hù)膜”，這樣就會加速鋼筋的銹蝕，因銹蝕就會引起體積膨脹使混凝土覆蓋層遭受破壞，從而發(fā)生沿鋼筋界面出現(xiàn)裂縫以及混凝土覆蓋層剝落等現(xiàn)象。

　　二、影響混凝土碳化的因素

　　2.1影響混凝土碳化的內(nèi)在因素

　?。?）水灰比對碳化速度的影響。水灰比是決定混凝土性能的重要參數(shù)，對混凝土碳化速度影響極大。眾所周知，水灰比基本上決定了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率就越大。由于CO₂擴(kuò)散是在混凝土內(nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔中進(jìn)行的，因此，水灰比在一定程度上決定了CO₂在混凝土中的擴(kuò)散速度，水灰比越大，混凝土碳化速度也就越快。

　　（2）水泥品種的影響。水泥品種不同，水泥水化產(chǎn)物中堿性物質(zhì)的含量及混凝土的滲透性不同，故對混凝土碳化速度有一定影響。在快速試驗條件下，礦渣水泥混凝土比同一水灰比的普通水泥混凝土碳化快10～20%，在室外暴露條件下，快50～90%。

　?。?）水泥用量的影響。水泥用量直接影響混凝土吸收CO₂的量，因此對混凝土碳化速度有一定影響。混凝土吸收CO₂的量取決于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢。

　?。?）骨料的品種及顆粒級配。骨料的品種和顆粒級配影響混凝土的密實度，從而影響到碳化速度。粗骨料粒越大，越容易造成離析、泌水，影響穩(wěn)定性，增加了透氣性，降低密實度。而輕骨料本身氣泡多，透氣性大。所以骨料的品種及顆粒級配能影響混凝土的碳化速度。

　　（5）混凝土摻合料對碳化的影響。在普通水泥混凝土中，摻加粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相應(yīng)地減少了，致使混凝土吸收CO₂的能力降低，同時，由于粉煤灰混凝土的早期強度低，孔結(jié)構(gòu)差，加速了CO₂的擴(kuò)散速度，從而使碳化速度加快。文獻(xiàn)指出，當(dāng)粉煤灰摻量小于10%時，可不考慮粉煤灰的影響；當(dāng)粉煤灰摻量超過20%時，則必須考慮粉煤灰對碳化的影響，并應(yīng)控制粉煤灰摻量（不超過30%）。

　　（6） 混凝土抗壓強度的影響?；炷量箟簭姸仁腔炷磷罨镜男阅苤笜?biāo)，也是衡量混凝土品質(zhì)的綜合參數(shù)，它與混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)系，并在一定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、外加劑、以及施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)方法等對混凝土品質(zhì)的影響，混凝土強度高，其抗碳化能力強。因此，很多學(xué)者都研究了混凝土抗壓強度與碳化的關(guān)系。這些研究結(jié)果表明，混凝土碳化深度與抗壓強度的倒數(shù)成正比。

　?。?） 施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)對碳化的影響?；炷潦┕べ|(zhì)量對混凝土的品質(zhì)有很大影響，混凝土澆注、振搗不僅影響混凝土的強度，而且直接影響混凝土的密實性，因此，施工質(zhì)量對混凝土碳化有很大影響。在其它條件相同時，施工質(zhì)量好，混凝土強度高，密實性好，其抗碳化性能強；施工質(zhì)量差，混凝土表面不平整，內(nèi)部有裂縫、蜂窩、孔洞等，增加了CO₂在混凝土中的擴(kuò)散路徑，使碳化速度加快。

　　混凝土養(yǎng)護(hù)狀況對混凝土碳化也有一定影響?；炷猎缙陴B(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。另外，混凝土養(yǎng)護(hù)方法對碳化速度也有一定影響。

　　2.2環(huán)境條件對碳化速度的影響

　　（1）光照和溫度?；炷撂蓟c光照和溫度有直接關(guān)系。溫度升高，碳化反應(yīng)和CO₂擴(kuò)散速度加快，所以碳化速度加快。陽光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，也能使碳化速度加快。

　?。?）相對濕度。相對濕度決定孔隙水的飽和程度。碳化是液相反應(yīng)，在相對濕度低于45%的空氣中(干燥狀態(tài))的混凝土很難碳化；在相對濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土由于透氣性小，反而難以碳化。在45%-95%的環(huán)境相對濕度范圍，隨著環(huán)境相對濕度的增大，混凝土的碳化速度降低。

　?。?）環(huán)境中CO₂濃度。CO₂濃度越高，碳化速度就越快。一般認(rèn)為，混凝土的碳化速度與CO₂濃度的平方根成正比。

　　2.3其他因素對碳化的影響

　　（1）不同應(yīng)力狀態(tài)對混凝土碳化的影響?；炷潦┘討?yīng)力之后對內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴(kuò)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(kuò)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。

　?。?）裂縫對混凝土碳化的影響?；炷恋奶蓟茐倪^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。

　　三、混凝土的碳化規(guī)律

　　國內(nèi)外學(xué)者對混凝土碳化進(jìn)行了深入的研究，在分析碳化實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了碳化深度D與時間t的關(guān)系式：

　　式中a， 為碳化速度系數(shù), D1、D2分別為測得的和要預(yù)測的混凝土碳化深度，t1、t2為測定D1和預(yù)測D2時的碳化時間。

　　碳化系數(shù)體現(xiàn)了混凝土的抗碳化能力，它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養(yǎng)護(hù)方法、孔尺寸與分布有關(guān)，而且還與環(huán)境的相對濕度、溫度及CO₂濃度有關(guān)。

　　混凝土構(gòu)件角部的雙向碳化使得角部的鋼筋銹蝕比較嚴(yán)重，文獻(xiàn)試圖經(jīng)過簡化得到它的解析解，但有待實驗的進(jìn)一步驗證。文獻(xiàn)把混凝土的抗壓強度視為服從正態(tài)分布的變量，并且均值與方差隨著碳化時間的變化而變化，通過總結(jié)國內(nèi)外暴露實驗的數(shù)據(jù)，提出了均值與方差的具體表達(dá)式，這對了解混凝土構(gòu)件的抗力變化是十分有益的。

　　四、混凝土碳化的防止措施

　?。?）設(shè)計方面。根據(jù)建筑物混凝土所處不同的構(gòu)件、強度等級和環(huán)境類別，分別對混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度，設(shè)計單位在保護(hù)層厚度上應(yīng)考慮碳化對保護(hù)層作用的影響，要構(gòu)件應(yīng)適當(dāng)加大保護(hù)層厚度。

　?。?）施工方面?；炷临|(zhì)量好壞施工是關(guān)鍵。

　　一是要認(rèn)真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質(zhì)地硬實和級配良好的砂和石料；施工中除砂要篩、石要選外，還要特別注意剔除集料中的有害物質(zhì)。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質(zhì)適宜的外加劑，如減水劑、阻水劑等，以改善混凝土的某些性能， 提高其強度和密實性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴(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。四是振搗和養(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，必要時可作表面處理；養(yǎng)護(hù)一定要及時，一旦混凝土達(dá)到初凝時，就應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并堅持按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護(hù)，控制好環(huán)境的溫度和濕度，以使混凝土在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。五是鋼筋混凝土保護(hù)層厚度，施工時要將鋼筋用事先預(yù)制好的高標(biāo)號砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計要求。若混凝土發(fā)生碳化深度較大，最好采用環(huán)氧材料修補，也可鑿除混凝土松散部分，將混凝土銜接面鑿毛，用優(yōu)質(zhì)混凝土重做鋼筋保護(hù)層使用方面。

　?。?）使用方面。對于建筑物在使用上不要隨意改變原設(shè)計的使用條件。因為建筑物使用條件的改變，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。

　　五、結(jié)束語

　　本文在查閱大量國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，簡要分析了混凝土的碳化原理及危害，逐一詳細(xì)介紹了影響混凝土的碳化深度和碳化速度的各種因素。由于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個影響著混凝土壽命長期而重要的因素。但混凝土的碳化耐久性壽命與混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境條件、混凝土保護(hù)層厚度以及混凝土強度等諸因素有關(guān)，我們?nèi)孕柽M(jìn)行大量的實驗和研究，才能對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命進(jìn)行科學(xué)的、綜合的評估。

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