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(cè)中心；2.武漢科技大學(xué)）

1 概述

我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)?shù)谋壤?由鋼筋混凝土耐久性引起的結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題已經(jīng)非常嚴(yán)重。鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(hù)層的混凝土碳化而引起的。然而迄今為止,這一領(lǐng)域的系統(tǒng)研究進(jìn)展不大,究其原因是該研究所涉及的學(xué)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(duì)提高結(jié)構(gòu)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(xué)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(duì)碳化速度有重要影響。在同一試驗(yàn)條件下砂漿的碳化速度大小順序?yàn)?高爐礦渣水泥（BFC）＞普通硅酸鹽水泥（OPC）＞早強(qiáng)水泥（HEC）。礦渣水泥混凝土,之所以碳化速度較快,主要是因?yàn)榈V渣水泥的水化過(guò)程存在二次水化反應(yīng),導(dǎo)致氫氧化鈣含量減少。

（2）集料品種和級(jí)配

集料的品種和級(jí)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(yàn)說(shuō)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(shè)計(jì)原因

（1）水灰比對(duì)混凝土碳化的影響

水灰比是決定混凝土性能的重要參數(shù),對(duì)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(jié)構(gòu),水灰比越大,混凝土內(nèi)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(xì)孔。膠孔的半徑很小,CO2分子很難自由進(jìn)出；CO2擴(kuò)散均在內(nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔中進(jìn)行。因此水灰比一定程度上決定了CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度,水灰比越大,孔隙率越高,CO2的擴(kuò)散越容易,混凝土碳化速度越快。國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的快速碳化試驗(yàn)和長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)來(lái)研究水灰比與混凝土碳化速度的關(guān)系。南京水科院通過(guò)快速試驗(yàn),彥承斌通過(guò)長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)研究了混凝土碳化速度與水灰比的關(guān)系,此關(guān)系大致呈線(xiàn)性關(guān)系；山東建科院在濟(jì)南、青島、佛山進(jìn)行了室外長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)及快速試驗(yàn),得到碳化速度與水灰比的關(guān)系,并根據(jù)濟(jì)南地區(qū)暴露試驗(yàn)給出了碳化速度系數(shù)與水灰比的表達(dá)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(duì)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(shí)度；另一方面可以增加混凝土的堿性?xún)?chǔ)備,直接影響混凝土吸收二氧化碳的量?；炷廖斩趸嫉牧咳Q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(guò)試驗(yàn)給出了不同水泥用量的碳化深度比值。同濟(jì)大學(xué)也進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn),得出了碳化與水泥用量指數(shù)的倒數(shù)成正比。以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為前提,根據(jù)最小二乘法可以擬和水泥用量對(duì)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(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土基本性能指標(biāo)之一,也是衡量混凝土品質(zhì)的綜合性參數(shù),它與混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)系,并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強(qiáng)度、骨料品種、摻和劑以及施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)方法等對(duì)混凝土品質(zhì)的共同影響。據(jù)有關(guān)資料表明,混凝土強(qiáng)度越高,抗碳能力越強(qiáng)。

（4）不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土碳化的影響

混凝土試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下其碳化速度有所不同。通過(guò)對(duì)混凝土施加荷載后進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)研究可以在實(shí)際工程中對(duì)不同受力構(gòu)件采取不同的防碳化措施以提高混凝土的耐久性?；炷潦┘討?yīng)力之后對(duì)內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴(kuò)散作用。微細(xì)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(yīng)力之后,使混凝土的大量微細(xì)裂縫閉合或?qū)挾葴p小,CO2的滲透速度減慢,從而減弱了混凝土的碳化速度；當(dāng)然,混凝土中的壓應(yīng)力過(guò)大時(shí),也可使混凝土產(chǎn)生微觀裂縫,加速碳化過(guò)程。相反,施加拉應(yīng)力后,混凝土的微裂縫擴(kuò)展,加快了混凝土的碳化速度。

2.3 施工原因

（1）施工質(zhì)量的影響

施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí),養(yǎng)護(hù)不善,造成混凝土密實(shí)度低,蜂窩麻面多,為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件,加速了混凝土的碳化速度。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),施工時(shí)混凝土原材料選用不當(dāng)、混凝土配合比計(jì)量不準(zhǔn)、振搗不密實(shí)、使混凝土表面掉皮及棱角剝落、拆模后不養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)不足等問(wèn)題,直接影響混凝土的成品質(zhì)量,降低混凝土的抗碳化性能。如果將施工質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、一般、差四個(gè)等級(jí),則相應(yīng)的碳化速度分別為0.5∶0.7∶1.0∶1.4。

（2）養(yǎng)護(hù)對(duì)碳化的影響

混凝土養(yǎng)護(hù)狀況對(duì)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?jī)H為水泥用量的22％～27％,但是由于拆模過(guò)早、拆模以后未采取防混凝土表面或孔隙水流失措施,或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)不到位,在高溫或強(qiáng)風(fēng)等條件下,使混凝土水分迅速流失。水分的流失,導(dǎo)致水泥水化不充分,水泥石中Ca（OH）2含量偏低,同時(shí)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(shí)間關(guān)系

混凝土碳化的機(jī)理是CO2氣體通過(guò)混凝土中的裂縫與孔隙擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部,然后與混凝土中孔隙水形成H2CO3,再與Ca（OH）2反應(yīng),硬化水泥漿中的水化硅酸鈣也可能與CO2反應(yīng),造成混凝土本身pH值降低,破壞鈍化膜的過(guò)程。假設(shè)混凝土中二氧化碳濃度呈直線(xiàn)分布,混凝土表面二氧化碳濃度為C0,未碳化區(qū)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(shè)下,混凝土碳化過(guò)程遵循Fick第一擴(kuò)散定律,根據(jù)微分方程式中：dm為在dt時(shí)間內(nèi)碳酸透過(guò)試塊表面的數(shù)量；D為CO2的有效擴(kuò)散系數(shù),與混凝土的濃度,混凝土的密實(shí)度以及混凝土的強(qiáng)度有關(guān)；F為透過(guò)試塊的表面積；C0為試塊表面的濃度；C為吸收區(qū)的濃度；L為混凝土碳化層厚度。

在時(shí)間間隔dt內(nèi),混凝土吸收的CO2數(shù)量等于式中：m0為單位混凝土體積吸收碳酸氣的量或結(jié)合的體積濃度。

據(jù)（1）、（2）式,積分得微分方程的解為

由此可見(jiàn),碳化深度與時(shí)間的平方根成正比。

（2）溫度

混凝土碳化與溫度有直接關(guān)系,隨著溫度提高,分子運(yùn)動(dòng)速加快,CO2在空氣中的擴(kuò)散速度逐漸增大,為其與Ca（OH）2反應(yīng)提供了有利條件。陽(yáng)光的直射,加速了其化學(xué)反應(yīng),碳化速度加快。

（3）相對(duì)濕度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca（OH）2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),所以非常干燥時(shí),混凝土碳化無(wú)法進(jìn)行,但由于混凝土的碳化本身既是一個(gè)釋放水的過(guò)程,環(huán)境相對(duì)濕度過(guò)大,生成的水無(wú)法釋放也會(huì)抑制碳化進(jìn)一步進(jìn)行。因此環(huán)境濕度太大或太小對(duì)混凝土碳化都會(huì)產(chǎn)生抑制作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)濕度在50％～70％之間時(shí),混凝土碳化速度最快。

（4）CO2的濃度

混凝土碳化過(guò)程遵循Fick第一擴(kuò)散定律,可以推斷出CO2濃度、時(shí)間因素對(duì)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(jī)理的基礎(chǔ)上,考慮混凝土配合比、環(huán)境濕度、溫度、CO2濃度及時(shí)間因素,通過(guò)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(huán)境相對(duì)濕度,％,適用范圍45％～95％RH；T為環(huán)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(huán)境中CO2濃度,％；t為混凝土碳化時(shí)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(jié)果,就是要達(dá)到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進(jìn)入混凝土內(nèi)的目的,使其內(nèi)部和鋼筋一直處在高堿性環(huán)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(qiáng)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(shù)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(shù)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(biāo)號(hào)早強(qiáng)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(guān)鍵因素?；炷廖斩趸嫉牧恐饕Q于水泥用量,當(dāng)水灰比大于0.65時(shí),其抗碳化能力急劇下降；當(dāng)水灰比小于0.55時(shí),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(fù)合性高性能減水劑等。

（4）采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和超摻系數(shù)。在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)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(shí),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(shù)。在混凝土中采用適量硅粉、粉煤灰共摻技術(shù),可以大大增強(qiáng)混凝土密實(shí)性,提高混凝土抗碳化能力。

（6）施工選擇模板應(yīng)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(yīng)控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時(shí)要牢固,拆模應(yīng)在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行。

（7）施工中混凝土應(yīng)用機(jī)械震搗,以保護(hù)混凝土密實(shí)性；混凝土澆筑完畢后,應(yīng)用草料等加以覆蓋,并根據(jù)情況及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)混凝土。

（8）采用涂料防護(hù)法。在混凝土表面涂刷環(huán)氧涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等,可以阻止環(huán)境中二氧化碳?xì)怏w向混凝土內(nèi)部孔隙擴(kuò)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(duì)混凝土的耐久性將產(chǎn)生很大的危害,因此必須及時(shí)的采取相應(yīng)的防碳化措施。

（1）對(duì)碳化深度過(guò)大,鋼筋銹蝕明顯,危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建。

（2）對(duì)碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度,碳化層比較堅(jiān)硬的,可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉。

（3）對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的,應(yīng)鑿除碳化層,粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土。

（4）對(duì)鋼筋銹蝕嚴(yán)重的,應(yīng)在修補(bǔ)前除銹,并根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土碳化速度的大小,直接影響混凝土構(gòu)件的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全性。要想控制混凝土的碳化速度,就必須從原材料、設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)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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