混凝土碳化研究綜述

劉道寬 王 磊 劉芳芳 趙燕茹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

大氣環(huán)境中的CO2與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，混凝土的pH值降低，這個(gè)過程稱為混凝土的碳化?；炷林械膒H值降低會使鋼筋表面的鈍化膜逐漸被破壞，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。這些都會對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生一些不良的影響。因此 ,進(jìn)行混凝土碳化作用研究分析，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究具有重要的意義。

1 碳化機(jī)理

水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化物主要包括氫氧化鈣、水化硅酸鈣、未水化的硅酸三鈣、硅酸二鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及鈣礬石［1］。其中氫氧化鈣約占三分之一［2］。其碳化的化學(xué)過程主要是，CO2氣體融于混凝土孔隙中的水形成碳酸，碳酸與混凝土的水化物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鈣，氫氧化鈣溶出以補(bǔ)充混凝土孔隙液相中的氫氧化鈣濃度，所以早期的混凝土呈堿性。混凝土PH一般大于12.5，在如此高的堿性環(huán)境中，鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，并在鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠有效阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)空氣中的二氧化碳和水汽從混凝土表面通過空隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部和混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，會導(dǎo)致混凝土的PH值降低。當(dāng)混凝土完全碳化后，就會出現(xiàn)PH值小于9的情況，這時(shí)，混凝土中的鋼筋表面的鈍化膜會逐漸被破壞，在加上一些其他的條件，鋼筋就會發(fā)生銹蝕［3］。鋼筋的銹蝕會產(chǎn)生體積膨脹進(jìn)而導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂、以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞。

2 影響碳化的因素

混凝土的碳化是一個(gè)比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它的碳化速率取決于二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散速率及二氧化碳與混凝土成分的反應(yīng)性［4］。而二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散速率又受混凝土本身的組織密實(shí)性、二氧化碳?xì)怏w的濃度等影響。因此，本文大致總結(jié)為材料、環(huán)境和施工三類因素。

2.1 材料因素

首先是水灰比的影響，水灰比越大孔隙率越大，能夠更有效的促進(jìn)二氧化碳擴(kuò)散，從而加速了碳化過程。其次混凝土的碳化性能與水泥的品種與用量有關(guān)，在水泥品種確定的情況下，水泥用量越大, 單位體積混凝土中可碳化的水化產(chǎn)物就越多，可以消耗的 CO2也就越多，從而碳化速率越小。［5］

2.2 環(huán)境因素

影響混凝土碳化的環(huán)境因素主要包括以下幾個(gè)：（1）二氧化碳的濃度，二氧化碳的濃度越大，從分子理論來說擴(kuò)散速度就越快，碳化的也就越快。（2）溫度，試驗(yàn)研究表明，溫度對氣體的擴(kuò)散速率較大，溫度升高，碳化速率加快。（3）濕度，濕度太小缺少碳化的水分，碳化就較慢；水分太多會阻止二氧化碳擴(kuò)散，碳化也較慢。試驗(yàn)研究表明，濕度在50%-70%時(shí)，碳化速度較快。（4）風(fēng)，風(fēng)壓和風(fēng)向都會對碳化有影響，風(fēng)壓會加速碳化，但風(fēng)比較復(fù)雜，很難具體的反映影響的大小［6］。

2.3 施工因素

施工因素主要指的是混凝土的攪拌、振搗以及養(yǎng)護(hù)等其他條件。主要是通過影響混凝土的密實(shí)性來影響混凝土的碳化性能。振搗的越密實(shí)，抗碳化能力越高；如果振搗不均勻，內(nèi)部裂縫比較多，其抗碳化能力就比較弱。

3 碳化區(qū)的劃分

為了更好的解釋為什么碳化未到達(dá)鋼筋之前，鋼筋已經(jīng)開始銹蝕的現(xiàn)象，也為了認(rèn)識鋼筋銹蝕和混凝土碳化之間的關(guān)系，英國學(xué)者parrott最先驗(yàn)證了部分碳化區(qū)的存在［7］。已有的研究［8］表明混凝土中存在著完全碳化區(qū)、部分碳化區(qū)以及未碳化區(qū)。在應(yīng)用上：因此通常認(rèn)為9＜PH＜11.5的混凝土處于部分碳化區(qū)。從混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理來看，鋼筋銹蝕的速度在PH=9～11.5的區(qū)段內(nèi)恰恰是隨PH值的下降而增大的,PH值在9以下是銹蝕速度保持不變,PH值在11.5以上時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài)。隨著碳化過程的發(fā)展，鋼筋位置的PH值逐漸下降，鋼筋銹蝕的速度也就逐漸增大，直到鋼筋全部處于完全碳化區(qū)后銹蝕速度就基本穩(wěn)定下來。

4 碳化對鋼筋混凝土性能的影響

碳化對混凝土的密實(shí)性有加強(qiáng)作用,并會提高其相對抗壓、劈拉強(qiáng)度。國內(nèi)外研究的結(jié)果表明,混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度提高,延性降低,其靜力彈性模量的變化正比于強(qiáng)度的變化, 具有明顯的脆性,對抗震不利。碳化對于混凝土強(qiáng)度的提高作用有限,碳化后混凝土峰值壓應(yīng)變明顯降低,彈性模量提高,試件破壞時(shí)脆性更加明顯;不同碳化深度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段十分接近,下降段則隨碳化加深變得越來越陡。混凝土碳化對鋼筋的保護(hù)作用減弱, 引起鋼筋銹蝕。并且鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力降低［10］。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度碳化后, 其構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度會提高, 而延性降低, 強(qiáng)度和剛度的提高會使結(jié)構(gòu)承受的地震作用增加, 延性降低會使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耗能能力降低, 因此, 混凝土碳化后會削弱混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。

5 結(jié)論與展望

本文對混凝土碳化機(jī)理、影響因素、碳化區(qū)域劃分及其力學(xué)與結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了綜述。碳化對混凝土本身的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響同時(shí)碳化反應(yīng)由于改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步影響鋼筋和混凝土材料本身強(qiáng)度的發(fā)揮。在今后的研究中還應(yīng)考慮其他因素對混凝土碳化的耦合作用，建立相應(yīng)的混凝土耐久性壽命預(yù)測模型。

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