水工建筑物混凝土碳化分析

馮進?李紹成

摘 要：混凝土的碳化是指混凝土中原呈堿性的氫氧化鈣，在大氣中受到二氧化碳和水分的作用，逐漸變成呈中性的碳酸鈣的過程，混凝土碳化對混凝土結(jié)構(gòu)破壞影響很大。

關(guān)鍵詞：水工建筑物；混凝土；碳化

1 混凝土碳化機理

水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。

混凝土具有毛細管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點，這些毛細管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細孔和凝膠孔，以及水泥石和集料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8～10%。

混凝土的碳化是指大氣中的二氧化碳首先滲透到混凝土內(nèi)部的孔隙中，而后溶解于毛細孔中的水分，與水泥水化過程中所產(chǎn)生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物相互作用，生成碳酸鈣等產(chǎn)物。所以，混凝土碳化是由于混凝土存在著孔隙，里面充滿著水分和空氣，在混凝土的氣相、液相、固相中進行著一個十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過程。

混凝土碳化有增加混凝土強度和減少滲透性的作用，這可能是因為碳化放出的水分促進水泥的水化及碳酸鈣沉淀減少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后，其堿性降低，加快鋼筋腐蝕。

2 混凝土碳化影響因素

水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多，有內(nèi)在因素，也有外界因素。

2.1 影響混凝土碳化的內(nèi)在因素

2.1.1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。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗?jié)B性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強劑則會嚴重加速鋼筋銹蝕，應(yīng)嚴格控制其用量。

2.1.2集料品種和級配

集料品種和級配不同，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性。材質(zhì)致密堅實，級配較好的集料的混凝土，其碳化的速度較慢。

2.1.3磨細礦物摻料的品種和數(shù)量

如具有活性水硬性材料的摻料，其不能自行硬化，但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強較穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)，使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下，摻料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

2.1.4水泥用量

增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備，使其抗碳化性能增強，碳化速度隨水泥用量的增大而減少。

2.1.5水灰比

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，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學(xué)物質(zhì)較多的浸入混凝土體內(nèi)，加快混凝土碳化。

2.1.6施工質(zhì)量

施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實，造成混凝土強度低，蜂窩、麻面、空洞多，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。

2.1.7養(yǎng)護質(zhì)量

混凝土成型后，必須在適宜的環(huán)境中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護好的混凝土，具有膠凝好、強度高、內(nèi)實外光和抗侵蝕能力強，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內(nèi)，延緩碳化速度。

2.2 影響混凝土碳化的外界因素

2.2.1酸性介質(zhì)

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。試驗研究已證明，混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數(shù)隨二氧化碳濃度的增加而加快。

混凝土中鋼筋銹蝕的另一個重要和普通的原因是氯離子（CL-）作用。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，氯化鈣具有高吸濕性，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)生潰燦性銹蝕。

2.2.2溫度和光照

混凝土溫度驟降，其表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面便開裂，導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件，加速混凝土碳化。

陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)較大，為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件，陽光的直接照射，加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。

2.2.3含水量和相對濕度

周圍介質(zhì)的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過高的濕度（如100%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴散到水泥石中，過低的濕度（如25%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進行；當(dāng)周圍介質(zhì)的相對濕度為50～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質(zhì)的相對濕度。實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)下部的碳化程度較上部輕，主要是濕度影響的結(jié)果。

2.2.4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)果是嚴重降低混凝土強度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

3 混凝土碳化的簡易測試

采用化學(xué)測試法。即先鑿掉混凝土保護層，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色（碳化），若發(fā)現(xiàn)有碳化情況，則可迅速地測試出其碳化深度。

3.1 酚酞劑的配制

根據(jù)實踐試驗結(jié)果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色；用96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。二者均可用來測試混凝土的碳化情況。

3.2混凝土碳化判定及其深度檢測

首先將所需檢測的混凝土表面打鑿到需要的測試深度，然后把表面清理干凈，涂抹或滴入已配制好的酚酞劑。當(dāng)酚酞劑涂抹或滴入混凝土內(nèi)1～2分種后，便有反應(yīng)。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化；若混凝土不變色，則混凝土已碳化。因為酚酞劑內(nèi)含有大量酒精，容易揮發(fā)，所以在測試和觀察時速度要快，要盡快量出混凝土內(nèi)碳化與非碳化的界面尺寸，以便得到準(zhǔn)確的碳化深度。

3.3 混凝土碳化檢測值的取得

由于水工建筑中混凝土結(jié)構(gòu)物的部位不同，其碳化程度也不盡相同，所以在進行混凝土碳化測試時，一定要多測幾次，以其平均值為混凝土碳化檢測值。

3.4 測試混凝土碳化鑿開面的處理

在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應(yīng)用環(huán)氧樹脂砂漿或環(huán)氧混凝土作填補封閉處理。

4 混凝土碳化的防止措施

混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，關(guān)鍵是應(yīng)采取防止措施。

4.1 設(shè)計方面

根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2～3cm。

4.2 施工方面

混凝土質(zhì)量好壞，施工是關(guān)鍵。一是要認真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質(zhì)地硬實和級配良好的砂和石料；施工中除砂要篩、石要洗外，還要特別注意剔除集料中的有害物質(zhì)。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質(zhì)適宜的外加劑，如減水劑、阻水劑等，以改善混凝土的某些性能，提高其強度和密實性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴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。四是振搗和養(yǎng)護，振搗一定要充分并嚴格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進行，必要時可作表面處理；養(yǎng)護一定要及時，一旦混凝土達到初凝時，就應(yīng)立即進行養(yǎng)護，并堅持按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護，控制好環(huán)境的溫度和濕度，以使混凝土在適宜的環(huán)境中進行養(yǎng)護。五是鋼筋混凝土保護層厚度，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層厚度滿足設(shè)計要求。六是施工縫要做到少留或不留，必須要留的，應(yīng)作好接縫處的工藝處理。

4.3 使用方面

對于水工建筑物在使用上不要隨意改變原設(shè)計的使用條件。因為水工建筑物使用條件的改變，直接關(guān)系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內(nèi)部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構(gòu)件的容易碰撞部位，更應(yīng)當(dāng)設(shè)置包角和隔層保護。

4.4 管理方面

對于水工建筑中混凝土構(gòu)件的管理，主要是定期檢查、加強維護。對于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件，則應(yīng)派專人定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開裂、剝落現(xiàn)象時，則應(yīng)及時利用防護涂料對混凝土表面進行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續(xù)擴大，必要時可作混凝土補強處理。

5 結(jié)束語

影響水工建筑物中混凝土碳化的因素很多，問題比較復(fù)雜，其檢測手段與預(yù)防對策還有待于進一步分析研究。本文所述的水工建筑物混凝土碳化的因素與對策，也適用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。