混凝土碳化的控制措施

陳文濤 李清瑞 馮 衛(wèi)

摘要:混凝土碳化是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一,通過對混凝土碳化機(jī)理以及影響因素的分析,我們可以采取更好的相關(guān)控制措施來減少碳化的危害。

關(guān)鍵詞:混凝土;碳化;影響因素;控制措施

前言

目前,很多工程碳化值較大,對工程帶來了諸多不良影響,已成為一大工程質(zhì)量通病,降低了建筑物的耐久性。本文旨在揭示混凝土碳化對結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理和規(guī)律,提出了在設(shè)計和施工時對混凝土防碳化處理的建議。

1 混凝土碳化的作用機(jī)理

1.1 碳化反應(yīng)

空氣中的CO2、SO2等酸性氣體首先滲透到混凝土內(nèi)部充滿空氣的孔隙和毛細(xì)管中,而后溶解于毛細(xì)管中的液相,與水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca(OH)2和水化硅酸鈣(CSH)等物質(zhì)相互作用,形成CaCO3和H2O的中性化過程稱為混凝土的碳化。

經(jīng)過大量的研究表明,混凝土的碳化過程是CO2氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐漸擴(kuò)散、反應(yīng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,主要的碳化反應(yīng)方程如下:

Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+3CO3→3CaCO3·SiO2·3H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→3CaCO3·2SiO2·nH2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→2CaCO3·SiO2·nH2O

混凝土的碳化改變了混凝土的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu), 對混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能有著明顯的影響。

1.2 混凝土的碳化特性

國內(nèi)外大量的研究資料表明,在混凝土碳化初期碳酸氣在混凝土中擴(kuò)散和反應(yīng)的速度很快,即碳化深度增長快。隨著時間的延長則逐步衰減,至一定齡期后,漸趨穩(wěn)定。

2 混凝土碳化與鋼筋銹蝕的關(guān)系:

混凝土碳化深度檢測的目的之一是定性地推定混凝土中的鋼筋銹蝕情況。下面對混凝土碳化與鋼筋銹蝕的關(guān)系作以下分析。

2.1 鋼筋腐蝕的作用機(jī)理

最初的混凝土孔隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液,它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學(xué)腐蝕,該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物,即Fe2O3和Fe3O4,這層覆蓋物稱為鈍化膜,在高堿性環(huán)境中,即PH≥11.5時,它可以阻止鋼筋被進(jìn)一步腐蝕。

2.2 鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)的影響

鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響。一是鐵銹的生成造成鋼筋截面減小,構(gòu)件承載力降低;二是鐵銹體積膨脹(體積一般要增長2～4倍),使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用;三是鐵銹的生成破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié),從而使鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力降低,甚至造成整個構(gòu)件失效。

3 影響混凝土碳化的因素

混凝土的碳化速度取決于CO2的擴(kuò)散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2的濃度、環(huán)境溫度、試件的含水率等因素影響,可主要?dú)w結(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素和與環(huán)境有關(guān)的外部因素,當(dāng)然,除此之外還存在一些其他因素。

3.1 內(nèi)部因素

3.1.1 水泥用量

水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量。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(shí)性;另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備。因此,水泥用量越大,混凝土強(qiáng)度越高,其碳化速度越慢。

3.1.2 水泥品種

不同的水泥,其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學(xué)成分不同,直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度,對碳化速度有重要影響。一般而言,水泥中熟料越多,則混凝土的碳化速度越慢。

3.1.3 水灰比

水灰比對混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)影響極大,控制著混凝土的滲透性。在水泥用量一定的條件下,增大水灰比,混凝土的孔隙率增加,密實(shí)度降低,滲透性增大,碳化速度增大。

3.1.4 骨料種類和級配

集料的品種和級配不同,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大,直接影響著混凝土的密實(shí)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。

3.1.5 施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法對碳化的影響

混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個重要因素。如果混凝土澆筑時不規(guī)范,特別是振搗不密實(shí),以及養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時間不足時,就會造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道粗大,且大多相互連通,使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。

3.2外部因素

酸性氣體(如CO2)滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸,與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng),導(dǎo)致水泥石逐漸變質(zhì),混凝土的堿度降低,這是引起混凝土碳化的直接原因。

3.2.1 環(huán)境條件

碳化是液相反應(yīng),一直處于相對濕度低于25%空氣中的混凝土很難碳化;在空氣濕度50%～75%的大氣中,不密實(shí)的混凝土最容易碳化;但在相對濕度>95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化,這是因為混凝土含水時透氣性小,碳化慢;在濕度相同時,風(fēng)速愈高、溫度愈高,混凝土碳化也愈快。

3.2.2光照和溫度

混凝土碳化與光照和溫度有直接關(guān)系?；炷翜囟润E降,其表面收縮產(chǎn)生拉力,一旦超過混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土表面便開裂,導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落,加速混凝土碳化。

3.2.3氯離子濃度的影響

氯離子在混凝土液相中形成鹽酸,與氫氧化鈣作用生成氯化鈣。氯化鈣在其濃度及濕度較高時,能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋發(fā)生潰爛性銹蝕。氯離子濃度的影響在沿海地區(qū)表現(xiàn)更為突出。

3.2.4 凍融和滲漏

在混凝土浸水飽和或水位變化部位,由于溫度交替變化,使混凝土內(nèi)部孔隙水交替地凍結(jié)膨脹和融解松弛,造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫,導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失,在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶,引起混凝土水化產(chǎn)物的分解,其結(jié)果是嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和堿度,惡化鋼筋銹蝕條件。

4 混凝土碳化處理措施

4.1碳化處理方法

混凝土碳化的程度不同,部位不同,處理方法也不同。對碳化深度過大,鋼筋銹蝕明顯、危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件(建筑)應(yīng)拆除重建;對碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度,碳化層比較堅硬的,可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉;對碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的,均應(yīng)鑿除碳化層,粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土;對鋼筋銹蝕嚴(yán)重的,應(yīng)在修補(bǔ)前除銹,并應(yīng)根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋。

4.2 混凝土碳化的防止措施

減小和消除混凝土碳化對結(jié)構(gòu)的影響,關(guān)鍵是對影響碳化的因素加以預(yù)防和控制,防患于未然。

4.2.1 設(shè)計方面

根據(jù)建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素,設(shè)計時應(yīng)合理設(shè)計混凝土配合比,對混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度,應(yīng)盡量避免一律采用2~3cm。

4.2.2 施工方面

混凝土質(zhì)量好壞,施工是關(guān)鍵。

一是要認(rèn)真選擇建筑材料。在施工中應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地理位置、周圍環(huán)境,選擇合適的水泥品種;集料選用質(zhì)地硬實(shí)和級配良好的砂和石料,注意剔除集料中的有害物質(zhì),摻入優(yōu)質(zhì)適宜的外加劑。

二是要嚴(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。

三是加強(qiáng)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,養(yǎng)護(hù)一定要及時,混凝土達(dá)到初凝后立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù),并按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護(hù),以使混凝土在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

四是鋼筋混凝土保護(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。

5 結(jié)束語

本文簡要概括了建筑物混凝土碳化、影響因素及其防治的主要措施,我們的原則應(yīng)該是防重于治,首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境,合理進(jìn)行配合比設(shè)計;其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān),加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理,發(fā)現(xiàn)碳化,及時采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施,以達(dá)到或延長工程的使用壽命。

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