混凝土的碳化分析

摘 要：本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者的研究成果，分析了大氣環(huán)境中CO2等物質(zhì)使混凝土發(fā)生碳化的作用機(jī)理及影響混凝土碳化的主要因素，并提出了防止發(fā)生混凝土碳化的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：混凝土 碳化 分析

中圖分類號(hào)：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)12(c)-0000-00

1 引言

混凝土材料以其性能優(yōu)越、施工方便和成本低等方面的顯著優(yōu)勢(shì)在土木工程領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。然而在大氣中的CO2、SO2等外部介質(zhì)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生碳化，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土耐久性降低。因此，掌握混凝土的碳化機(jī)理和防控措施逐漸引起了工程技術(shù)人員的重視。

2 混凝土的碳化作用機(jī)理

混凝土的碳化是指空氣中的CO2與混凝土中堿性物質(zhì)相互作用，生成CaCO3和H2O的中性化過(guò)程。

由于混凝土是一種多孔性材料，在其內(nèi)部往往存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等缺陷，具有一定的透氣性?？諝庵械腃O2首先滲透到混凝土內(nèi)部的孔隙和毛細(xì)管中，與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca(OH)2和水化硅酸鈣等物質(zhì)相互作用，形成CaCO3 。

Ca(OH)2是水泥的主要水化產(chǎn)物之一，對(duì)于普通硅酸鹽水泥而言，水化生成的Ca(OH)2可達(dá)10～15%。Ca(OH)2一方面是混凝土高堿度的主要提供者，另一方面又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一，很容易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，使混凝土碳化。

隨著混凝土碳化過(guò)程的進(jìn)行，混凝土毛細(xì)孔中Ca(OH)2的含量會(huì)逐漸減少，必然會(huì)使混凝土PH值降低，改變了混凝土的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著明顯的影響。碳化一旦達(dá)到鋼筋表面，鋼筋就會(huì)因其表面的鈍化膜遭到破壞而發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，一方面鋼筋徑向膨脹，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層順受力鋼筋開(kāi)裂；另外一方面因鋼筋的銹蝕，致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯降低，安全性下降；與此同時(shí)，混凝土的碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，引起混凝土產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)物的使用。

3 影響混凝土碳化的因素

大量的研究表明，混凝土的碳化過(guò)程是伴隨著CO2氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐漸擴(kuò)散、反應(yīng)的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。影響混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小?；炷恋目紫堵试叫?、滲透性越低、Ca(OH)2含量越大，混凝土的抗碳化性能越好；反之，則越差。然而影響混凝土密實(shí)性及其堿性儲(chǔ)備的因素十分復(fù)雜，具體來(lái)說(shuō)有材料因素、環(huán)境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、骨料級(jí)配、礦物摻合料的數(shù)量等；環(huán)境因素包括環(huán)境相對(duì)濕度、溫度、壓力以及CO2氣體濃度等；施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件等。

3.1 水灰比的影響

在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土硬化后會(huì)提高混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的含量，密實(shí)度降低，滲透性增大，因此空氣中的CO2氣體在混凝土毛細(xì)孔中的擴(kuò)散速度加快，從而將加快混凝土的碳化速度，使混凝土碳化區(qū)的碳化深度提高。

3.2 水泥品種的影響

不同品種的水泥，其礦物組成、混合材料的種類與摻量不同，將直接影響著水泥的活性和混凝土內(nèi)部堿含量大小，對(duì)混凝土的碳化速度有著重要影響。研究表明：礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快。這是因?yàn)榛鹕交宜?、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiO2的含量高，水泥水化時(shí)，SiO2和CaO發(fā)生反應(yīng)大量生成水化硅酸鈣，而生成的Ca(OH)2含量較少，混凝土的堿性低；而硅酸鹽水泥中CaO的含量高，能生成較多的Ca(OH)2，堿性高。另外，混凝土的碳化還與CO2氣體的滲透速度有關(guān)。試驗(yàn)證明：火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO2氣體的滲透速度要比硅酸鹽水泥混凝土的滲透速度大。

3.3 水泥用量的影響

研究表明：混凝土的碳化速度隨著水泥用量的增大而降低。增加水泥用量，既可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，還可以增加混凝土內(nèi)部的堿性儲(chǔ)備，從而使混凝土結(jié)構(gòu)的抗碳化能力提高。

3.4 CO2濃度的影響

試驗(yàn)研究表明：混凝土的碳化速度與CO2氣體濃度的平方根成正比。即在其他條件不變的情況下，周圍環(huán)境中CO2氣體的濃度越高，則在一定使用期內(nèi)混凝土碳化速度越快，碳化深度越大。

3.5 骨料級(jí)配的影響

骨料級(jí)配不同，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)度也不同，從而直接影響空氣中CO2氣體在混凝土內(nèi)部的滲透速度。選用材質(zhì)致密堅(jiān)實(shí)、級(jí)配較好的骨料配制而成的混凝土，其碳化速度較低。

3.6 礦物摻合料數(shù)量的影響

摻入具有活性的礦物摻合料，其自身不能發(fā)生硬化，但能夠與水泥水化析出的Ca(OH)2作用生成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部堿度降低，混凝土碳化速度加快。試驗(yàn)證明：摻合料摻入量越高，碳化速度越快。

3.7 空氣相對(duì)濕度的影響

混凝土的碳化速度與混凝土周圍環(huán)境的相對(duì)濕度有著重要關(guān)系。Ca(OH)2與CO2反應(yīng)生成的水要向外擴(kuò)散，以保持混凝土內(nèi)部與大氣之間的濕度平衡。如果水向外的擴(kuò)散速度由于環(huán)境濕度大而被減慢，混凝土內(nèi)部的水蒸氣壓力將增大，CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散滲透的速度將降低乃至終止，混凝土的碳化反應(yīng)也隨之減慢。在相對(duì)濕度接近100% 時(shí)，混凝土中的孔隙被水充滿， CO2的滲透速度大幅度降低，碳化將終止。而當(dāng)相對(duì)濕度小于25% 時(shí)，雖然CO2的擴(kuò)散滲透速度很快，但混凝土毛細(xì)孔中沒(méi)有足夠的水，空氣中的CO2無(wú)法溶解于混凝土毛細(xì)管水中，或其溶解量非常有限，使之不能與堿性溶液發(fā)生反應(yīng)，碳化反應(yīng)也無(wú)法進(jìn)行。研究表明：在相對(duì)濕度為50～70% 的條件下，最有利于混凝土的碳化。

3.8 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土越密實(shí)， CO2的擴(kuò)散速度則降低，混凝土的碳化速度隨之降低，抗碳化能力得到提高。

3.9 混凝土振搗、養(yǎng)護(hù)的影響

混凝土施工操作過(guò)程中加強(qiáng)振搗和養(yǎng)護(hù)，則混凝土硬化后密實(shí)度較高，能阻止大氣中CO2氣體和水分的侵入，延緩混凝土的碳化。如果混凝土在施工初期養(yǎng)護(hù)不良，混凝土中的水分蒸發(fā)過(guò)快，混凝土滲透性增大，則可加快混凝土的碳化。

3.10 凍融的影響

由于外界溫度交替變化，在混凝土浸水飽和或水位升降變化部位，致使混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)生凍結(jié)膨脹，造成混凝土結(jié)構(gòu)物表面出現(xiàn)疏松剝落和產(chǎn)生裂縫，加快混凝土的碳化。

4 預(yù)防混凝土碳化的技術(shù)措施

通過(guò)對(duì)上述各種影響因素的分析可知，材料因素主要是通過(guò)影響混凝土的堿度來(lái)影響混凝土的碳化；環(huán)境因素主要是通過(guò)影響碳化反應(yīng)的發(fā)生條件來(lái)影響混凝土的碳化速度；施工因素主要是通過(guò)影響混凝土的密實(shí)性來(lái)影響混凝土碳化。為預(yù)防混凝土的碳化，提高鋼筋抗銹蝕能力，保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，應(yīng)采取以下技術(shù)措施：(1)保持混凝土內(nèi)部具有一定的堿度。保持混凝土內(nèi)部具有一定的堿度，不僅是保護(hù)鋼筋免遭腐蝕的前提條件，而且還是維持混凝土自身化學(xué)穩(wěn)定性必要條件，因此凡是能使混凝土堿性降低的一切因素（不論是先天因素還是環(huán)境因素），均對(duì)鋼筋的腐蝕會(huì)產(chǎn)生不利影響。在工業(yè)污染嚴(yán)重的今天，應(yīng)特別重視混凝土的碳化對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋的腐蝕破壞。(2)適當(dāng)增加混凝土結(jié)構(gòu)物保護(hù)層的厚度。(3)改進(jìn)混凝土施工工藝，提高混凝土結(jié)構(gòu)物的密實(shí)度，嚴(yán)格控制混凝土施工質(zhì)量。(4)在混凝土結(jié)構(gòu)物的外表面涂刷聚合物保護(hù)層。

參考文獻(xiàn)

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