混凝土碳化影響因素及碳化防治與處理措施探討

于王均,張澤文,金清平

（1.湖北交通工程檢測中心；2.武漢科技大學）

1 概述

我國的混凝土結構中鋼筋混凝土結構占有相當的比例,由鋼筋混凝土耐久性引起的結構破壞問題已經非常嚴重。鋼筋銹蝕是導致鋼筋混凝土結構耐久性失效的主要原因之一,而影響鋼筋銹蝕的主要原因是由于鋼筋保護層的混凝土碳化而引起的。然而迄今為止,這一領域的系統研究進展不大,究其原因是該研究所涉及的學科較廣、難度較大。因而研究探討鋼筋混凝土的耐久性,尤其是研究混凝土碳化對提高結構使用性能具有十分重要意義。

2 混凝土碳化影響因素

2.1 原材料的影響

（1）水泥品種

水泥品種不同意味著其中所包含的化學成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別,直接影響著水泥的活性和混凝土的堿性,對碳化速度有重要影響。在同一試驗條件下砂漿的碳化速度大小順序為,高爐礦渣水泥（BFC）＞普通硅酸鹽水泥（OPC）＞早強水泥（HEC）。礦渣水泥混凝土,之所以碳化速度較快,主要是因為礦渣水泥的水化過程存在二次水化反應,導致氫氧化鈣含量減少。

（2）集料品種和級配

集料的品種和級配不同,其內部孔隙結構差別很大,直接影響著混凝土的密實性。試驗說明,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。

2.2 設計原因

（1）水灰比對混凝土碳化的影響

水灰比是決定混凝土性能的重要參數,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構,水灰比越大,混凝土內部的孔隙率就越大。混凝土中的氣孔主要有膠孔、氣孔和毛細孔。膠孔的半徑很小,CO2分子很難自由進出；CO2擴散均在內部的氣孔和毛細孔中進行。因此水灰比一定程度上決定了CO2在混凝土中的擴散速度,水灰比越大,孔隙率越高,CO2的擴散越容易,混凝土碳化速度越快。國內外進行了大量的快速碳化試驗和長期暴露試驗來研究水灰比與混凝土碳化速度的關系。南京水科院通過快速試驗,彥承斌通過長期暴露試驗研究了混凝土碳化速度與水灰比的關系,此關系大致呈線性關系；山東建科院在濟南、青島、佛山進行了室外長期暴露試驗及快速試驗,得到碳化速度與水灰比的關系,并根據濟南地區暴露試驗給出了碳化速度系數與水灰比的表達式

k=12.1W/C-3.2

式中：W/C為混凝土的水灰比。

（2）水泥用量對混凝土碳化的影響

增加水泥用量,一方面可以改變混凝土的和易性,提高混凝土的密實度；另一方面可以增加混凝土的堿性儲備,直接影響混凝土吸收二氧化碳的量。混凝土吸收二氧化碳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,Meryer等人通過試驗給出了不同水泥用量的碳化深度比值。同濟大學也進行了快速碳化試驗,得出了碳化與水泥用量指數的倒數成正比。以大量的試驗數據為前提,根據最小二乘法可以擬和水泥用量對碳化速度的影響公式

φ=2.582-4.71x

式中：φ為碳化速度；x為單位體積水泥用量,t。

（3）混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度是混凝土基本性能指標之一,也是衡量混凝土品質的綜合性參數,它與混凝土的水灰比有非常密切的關系,并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、摻和劑以及施工質量與養護方法等對混凝土品質的共同影響。據有關資料表明,混凝土強度越高,抗碳能力越強。

（4）不同應力狀態對混凝土碳化的影響

混凝土試件在不同應力狀態下其碳化速度有所不同。通過對混凝土施加荷載后進行快速碳化試驗研究可以在實際工程中對不同受力構件采取不同的防碳化措施以提高混凝土的耐久性。混凝土施加應力之后對內部的微細裂縫起到了抑制或擴散作用。微細裂縫的存在使CO2容易滲透,引起碳化速度加快。但施加了壓應力之后,使混凝土的大量微細裂縫閉合或寬度減小,CO2的滲透速度減慢,從而減弱了混凝土的碳化速度；當然,混凝土中的壓應力過大時,也可使混凝土產生微觀裂縫,加速碳化過程。相反,施加拉應力后,混凝土的微裂縫擴展,加快了混凝土的碳化速度。

2.3 施工原因

（1）施工質量的影響

施工質量差表現為振搗不密實,養護不善,造成混凝土密實度低,蜂窩麻面多,為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創造了條件,加速了混凝土的碳化速度。調查研究發現,施工時混凝土原材料選用不當、混凝土配合比計量不準、振搗不密實、使混凝土表面掉皮及棱角剝落、拆模后不養護或養護不足等問題,直接影響混凝土的成品質量,降低混凝土的抗碳化性能。如果將施工質量劃分為優、良、一般、差四個等級,則相應的碳化速度分別為0.5∶0.7∶1.0∶1.4。

（2）養護對碳化的影響

混凝土養護狀況對碳化也有比較大的影響。研究表明,水泥完全水化所需要的用水量僅為水泥用量的22％～27％,但是由于拆模過早、拆模以后未采取防混凝土表面或孔隙水流失措施,或灑水養護不到位,在高溫或強風等條件下,使混凝土水分迅速流失。水分的流失,導致水泥水化不充分,水泥石中Ca（OH）2含量偏低,同時使表層混凝土滲透性增大,碳化速度加快。

2.4 自然因素

（1）混凝土碳化與時間關系

混凝土碳化的機理是CO2氣體通過混凝土中的裂縫與孔隙擴散至混凝土內部,然后與混凝土中孔隙水形成H2CO3,再與Ca（OH）2反應,硬化水泥漿中的水化硅酸鈣也可能與CO2反應,造成混凝土本身pH值降低,破壞鈍化膜的過程。假設混凝土中二氧化碳濃度呈直線分布,混凝土表面二氧化碳濃度為C0,未碳化區濃度為零,單位體積混凝土吸收二氧化碳量為恒定值。在此假設下,混凝土碳化過程遵循Fick第一擴散定律,根據微分方程式中：dm為在dt時間內碳酸透過試塊表面的數量；D為CO2的有效擴散系數,與混凝土的濃度,混凝土的密實度以及混凝土的強度有關；F為透過試塊的表面積；C0為試塊表面的濃度；C為吸收區的濃度；L為混凝土碳化層厚度。

在時間間隔dt內,混凝土吸收的CO2數量等于式中：m0為單位混凝土體積吸收碳酸氣的量或結合的體積濃度。

據（1）、（2）式,積分得微分方程的解為

由此可見,碳化深度與時間的平方根成正比。

（2）溫度

混凝土碳化與溫度有直接關系,隨著溫度提高,分子運動速加快,CO2在空氣中的擴散速度逐漸增大,為其與Ca（OH）2反應提供了有利條件。陽光的直射,加速了其化學反應,碳化速度加快。

（3）相對濕度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca（OH）2進行化學反應,所以非常干燥時,混凝土碳化無法進行,但由于混凝土的碳化本身既是一個釋放水的過程,環境相對濕度過大,生成的水無法釋放也會抑制碳化進一步進行。因此環境濕度太大或太小對混凝土碳化都會產生抑制作用。試驗結果表明,相對濕度在50％～70％之間時,混凝土碳化速度最快。

（4）CO2的濃度

混凝土碳化過程遵循Fick第一擴散定律,可以推斷出CO2濃度、時間因素對碳化深度的影響公式

可以看出CO2濃度越高,碳化速度越快。

2.5 混凝土深度的理論模型

在基于混凝土碳化機理的基礎上,考慮混凝土配合比、環境濕度、溫度、CO2濃度及時間因素,通過回歸分析建立混凝土的碳化模型如下

式中：L為混凝土碳化深度,mm；RH為環境相對濕度,％,適用范圍45％～95％RH；T為環境溫度,℃,適用范圍,10～60℃；W/C為混凝土水灰比,適用范圍0.35～0.74；qc為環境中CO2濃度,％；t為混凝土碳化時間,h。

3 混凝土碳化防治與處理措施

3.1 混凝土的防碳化措施

混凝土防碳化后的結果,就是要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內的目的,使其內部和鋼筋一直處在高堿性環境中,因此可以參考采取如下的防碳化措施。

（1）選用抗碳化能力強的水泥品種。由礦渣水泥32.5形成普通混凝土的碳化速度系數比由普通硅酸鹽水泥42.5形成普通混凝土的碳化速度系數提高1.5倍。52.5水泥配制混凝土的抗碳化性能比42.5水泥配制的要好。同標號早強型水泥比普通型水泥的抗碳化性能要好。

（2）在施工條件允許的情況下,盡可能采用較小的水灰比。水灰比是影響混凝土碳化的關鍵因素。混凝土吸收二氧化碳的量主要取決于水泥用量,當水灰比大于0.65時,其抗碳化能力急劇下降；當水灰比小于0.55時,混凝土抗碳化能力一般可得到保證。

（3）選用能夠提高混凝土抗碳化能力的外加劑,如羥基羧酸鹽復合性高性能減水劑等。

（4）采用優質粉煤灰和超摻系數。在混凝土中摻入優質粉煤灰,可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式時,只要選擇配合比適中,混凝土抗碳化能力一般可得到保證。

（5）采用適量硅粉、粉煤灰共摻技術。在混凝土中采用適量硅粉、粉煤灰共摻技術,可以大大增強混凝土密實性,提高混凝土抗碳化能力。

（6）施工選擇模板應盡可能選擇鋼材、膠合板、塑料等材料制成的模板。若選擇木模板應控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時要牢固,拆模應在混凝土達到一定強度后方可進行。

（7）施工中混凝土應用機械震搗,以保護混凝土密實性；混凝土澆筑完畢后,應用草料等加以覆蓋,并根據情況及時澆水養護混凝土。

（8）采用涂料防護法。在混凝土表面涂刷環氧涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等,可以阻止環境中二氧化碳氣體向混凝土內部孔隙擴散,從而提高混凝土抗碳化能力。

3.2 混凝土碳化處理措施

混凝土的碳化對混凝土的耐久性將產生很大的危害,因此必須及時的采取相應的防碳化措施。

（1）對碳化深度過大,鋼筋銹蝕明顯,危及結構安全的構件應拆除重建。

（2）對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度,碳化層比較堅硬的,可用優質涂料封閉。

（3）對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的,應鑿除碳化層,粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土。

（4）對鋼筋銹蝕嚴重的,應在修補前除銹,并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋。

4 結語

混凝土碳化速度的大小,直接影響混凝土構件的耐久性和結構的安全性。要想控制混凝土的碳化速度,就必須從原材料、設計、施工及養護等各個環節著手,盡力控制或減少各影響因素的影響度,才能提高混凝土的耐久性和安全性。

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