混凝土碳化防護研究

鐘桂文 吳海波

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074; 2.中交二公局第一工程有限公司，湖北武漢 430019)

0 引言

隨著經濟的持續增長和社會進入現代化時期，社會運輸需求總量增長，其需求結構和需求形式也在不斷變化。混凝土材料在土木工程中隨著經濟的發展而運用越來越廣泛。因而混凝土材料的強度、適用性、耐久性等強度指標直接影響混凝土結構的性能。影響混凝土結構的因素有很多，比如混凝土的配合比、鋼筋強度、混凝土碳化等。本文就混凝土碳化對結構影響機理分析，提出相應的防護措施。國內外對混凝土碳化的研究有了一定的成果，通過相應的試驗研究得出混凝土碳化的影響因素與混凝土碳化深度預測模型。對混凝土碳化的研究主要有以下幾方面:1)碳化混凝土力學性能;2)碳化混凝土的研究方法;3)碳化深度預測的數學模型;4)碳化機理及混凝土碳化的影響因素;其中，混凝土碳化防護措施處理已成為當今的研究重點，具有重大的實際意義。

1 混凝土碳化機理

一般情況下，混凝土中氫氧化鈣溶液的pH值大于12，這種堿性介質在鋼筋表面形成一層致密的薄膜，此薄膜難溶于Fe2O3，Fe3O4，對鋼筋有很好的保護作用。當鋼筋處于鈍化狀態時，鋼筋很難因空氣和水的進入導致腐蝕。但是當混凝土的堿度因外界因素降低時，鈍薄膜失效，鋼筋銹蝕導致結構不穩定。影響混凝土堿度降低的主要原因是空氣中二氧化碳與混凝土氫氧化鈣作用，生成CaCO3和H2O，降低了氫氧化鈣的濃度。除此之外，水化硅酸鈣以及未水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣也會和CO2氣體發生反應。混凝土的碳化過程主要如下所示:

混凝土碳化改變了混凝土的化學成分、物理結構，對化學、物理性質有明顯的變化。從而導致對混凝土結構整體產生危害。

2 混凝土碳化的影響因素及危害

2.1 混凝土碳化影響因素

由混凝土碳化的過程和機理得知，混凝土碳化主要從兩個方面去考慮:1)材料結構本身，從設計配合比、水泥選用、用水量等各方面提高混凝土的密實度;2)從混凝土所處的環境去考慮，盡力延遲二氧化碳進入混凝土結構，以提高碳化能力。比如表面涂材料、養護。

綜上所述，影響混凝土碳化的因素具體包括:水灰比、水泥品種和用量、骨料品種與級配、外摻劑等、環境相對濕度、溫度、壓力以及CO2濃度等、混凝土攪拌、振搗和養護條件。

2.2 混凝土碳化危害

碳化對混凝土結構的危害主要體現在以下幾方面:

1)混凝土的初期碳化可以使孔被形成的碳酸鈣密封，這對降低碳化層的滲透性和提高強度有一定的作用。隨著碳化時間的延長，溶液的pH變小，當pH達到9時，此時遠小于鋼筋保持鈍化狀態的條件。碳化降低了混凝土的堿度，同時增加了氫氧離子數量，降低了混凝土對鋼筋的保護作用。從而導致鋼筋銹蝕，混凝土結構穩定性降低。

2)碳化還會引起混凝土收縮(碳化收縮)，容易使混凝土的表面產生細微的裂縫。

3)碳化影響混凝土的穩定，混凝土結構能否穩定與pH值的大小有很大關系，碳化會降低混凝土的pH值，故破壞混凝土的穩定結構。

3 混凝土碳化防護措施

混凝土的碳化導致混凝土結構出現裂縫、混凝土保護層出現剝落、鋼筋產生銹蝕，最終導致混凝土結構整體破壞。混凝土的碳化有如此大的危害性，我們應該積極地采取措施來防治或減緩混凝土的碳化。根據混凝土碳化的過程及機理，我們可以從以下各過程防護碳化，降低碳化速度，延長混凝土碳化年限。

3.1 設計過程防護措施

1)改善配合比提高抗碳化能力。

配合比是提高混凝土碳化的內在措施。提高配合比，我們可以從水灰比、水泥品種、骨料、外加劑這幾個方面考慮。

a.水灰比的控制。水灰比是決定混凝土性能的重要參數，對混凝土的孔隙結構影響極大，控制著混凝土的滲透性。水灰比的大小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。碳化速度加大。因此，在滿足設計條件下，可通過減小水灰比來提高結構抗碳化能力。

b.水泥品種及用量的選擇。首先，不同品種的水泥，其主要礦物成分、摻合料品種及其摻量不同，其水化物的堿性物質含量存在較大的差異，尤其是CaO的含量直接影響混凝土水化物中氫氧化鈣的含量。水泥中CaO含量高，混凝土中氫氧化鈣的含量高，吸收二氧化碳能力越大，故對混凝土碳化速度有很大的影響。其次，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。在工程施工中，應根據工程抗碳化能力的設計要求、環境要求、經濟要求等各方面因素，宜優先選用抗碳化能力較強的水泥品種用于混凝土結構施工，如:快硬快早強硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。

c.選擇優良的骨料。骨料的品種不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響混凝土的密實性。在混凝土強度相同的情況下，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骨料混凝土的0.56倍。

d.依據條件要求選擇外加劑。不同品種的外加劑對混凝土的抗碳化能力有不同作用。一般情況下減水劑能降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力;引氣劑能增加混凝土的孔隙含量，導致加快碳化速度。如羥基羧酸鹽復合性高性能減水劑能提高抗碳化能力。

2)表面覆蓋防護。

表面覆蓋防護對提高抗碳化能力有一定的效果，比如用瀝青、瀝青防水涂料、馬賽克和瓷磚覆蓋，對延遲碳化有比較明顯的效果。為延緩混凝土結構碳化，我們可以在混凝土結構覆蓋有機涂料，涂料應滿足以下條件:

a.涂料與混凝土有足夠的粘結強度，保證涂料與混凝土能牢固結合，并不影響混凝土結構的穩定性。

b.涂料的最低固化時間滿足施工及設計要求。

c.涂料有一定的變形能力，能適應溫度及其他外界因素的影響而不發生開裂或脫開。

d.具有良好的絕緣性，能防止二氧化碳、水和氧氣等其他有害氣體的滲透。

e.涂料能協調、美化周圍環境。

3.2 施工過程防護措施

施工質量差表現為表面不平，蜂窩麻面多，振搗不密實，養護不善，造成混凝土密實度低，從而使大氣中的二氧化碳和水分滲入混凝土結構中，加速了混凝土的碳化速度。為防止有害氣體進入混凝土結構中，我們可以采取以下措施來提高混凝土的抗碳化性:

1)改善混凝土的使用環境條件，混凝土的碳化速度與其所處環境中的二氧化碳的濃度成比例關系，因此，在允許的條件下，適當的增大使用環境的濕度、減少二氧化碳的含量，是延緩混凝土碳化的一項有效措施;

2)混凝土澆筑過程中，振搗密實，嚴格控制混凝土的水灰比，坍落度。務必符合設計規范要求;施工選擇模板應盡可能選擇鋼材、膠合板等不易變形的模板。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;

3)科學的攪拌和運輸混凝土，及時的養護等各項嚴格的工藝手段，可以減少滲流水量和其他有害物的侵蝕，以確保混凝土的密實性;

4)混凝土碳化是由于二氧化碳與混凝土的氫氧化鈣反應導致結構整體破壞。當混凝土剛施工完時，結構處于養護階段，此時強度不高，不密實，且是二氧化碳進入混凝土結構的關鍵時期。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%，但是由于拆模過早或拆模以后未采取有效的防護措施，導致混凝土表面水流失，水泥中的Ca(OH)2含量偏低，從而加大碳化速度。

我們平時用自來水養護，若我們考慮用帶一定堿性的液體來養護，比如含量低的氫氧化鈣液體。這樣，我們既可以養護混凝土結構，也可以減少二氧化碳進入結構中。能有效的延緩碳化時間。

3.3 使用維護防護措施

工程竣工后，有效的防護措施對延長結構的使用壽命有非常作用。針對混凝土碳化這一影響因素，我們可采取以下幾方面措施來提高混凝土的抗碳化能力:

1)在施工組織設計中明確規定檢修時間，檢測構件的碳化深度。依據碳化程度的深淺采取相應的措施。a.碳化深度較小，則可用優質材料涂刷封閉，防止二氧化碳進入;b.碳化深度大于保護層，鋼筋銹蝕，直接影響結構的安全，則應拆除重建。

2)對重要關鍵的結構物，應定時安排人員檢查。如排水設施、水下墩柱是否被撞壞。使結構處于良好的工作狀態。

3)制定相應的獎罰制度，防止人為損壞結構。提高人們文明使用公共設施的意識。

4 結語

混凝土結構的耐久性和穩定性直接影響工程安全性。混凝土碳化是其重要影響因素之一，要提高混凝土抗碳化能力，就應從混凝土結構開始施工到使用、養護、維修，自始至終，盡力控制或減少各因素的影響，才能提高混凝土的耐久性和穩定性，達到設計使用要求。

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