混凝土碳化深度與處理措施

1、目 錄一、碳化作用機(jī)理2二、影響商品混凝土碳化的因素2三、商品混凝土碳化的預(yù)防措施5四、混凝土碳化處理措施 6混凝土碳化的影響因素及其預(yù)防措施 商品混凝土碳化是影響商品混凝土耐久性的一個(gè)重要因素。本文對(duì)商品混凝土碳化的影響因素及其預(yù)防措施進(jìn)行了總結(jié)。從商品混凝土本身的密實(shí)度和堿性大小的角度考慮，商品混凝土的碳化受材料、環(huán)境和施工等因素的影響。降低水灰比、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和增加保護(hù)層厚度可以提高商品混凝土的抗碳化能力。 一、碳化作用機(jī)理 空氣中CO2滲透到商品混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽和水，使商品混凝土堿度降低的過(guò)程稱為商品混凝土碳化，也可稱為中性化，其化學(xué)反

2、應(yīng)為：Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O水泥在水化過(guò)程中生成大量的氫氧化鈣，使商品混凝土空隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液，其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為鈍化膜。碳化本身對(duì)商品混凝土沒(méi)有破壞作用，其主要危害是由于碳化會(huì)降低商品混凝土的堿度。當(dāng)碳化超過(guò)商品混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣同時(shí)存在的條件下，鋼筋開(kāi)始生銹。鋼筋銹蝕產(chǎn)生的體積膨脹將導(dǎo)致鋼筋長(zhǎng)度方向出現(xiàn)縱向裂縫，并使保護(hù)層脫落，進(jìn)而使得構(gòu)件的截面減小、承載能力降低，最終將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或者失效。二、影響商品混凝土碳化的因素 影響商品混凝土碳化最主要的因素是商品混凝土本身

3、的密實(shí)度和堿性大小，即商品混凝土的滲透性及其Ca(OH)2含量。影響商品混凝土碳化的因素主要分為三個(gè)方面：材料因素、環(huán)境因素和施工因素。2.1 材料因素材料因素包括水灰比、水泥品種與用量、摻合料、外加劑、骨料品種與級(jí)配、商品混凝土表面覆蓋層等等，主要通過(guò)影響商品混凝土的堿度和密實(shí)性來(lái)影響商品混凝土的碳化速度。2.1.1 水灰比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

4、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。另外，水灰比大會(huì)使商品混凝土孔隙中的游離水增多，一定程度上也有利于碳化反應(yīng)。研究結(jié)果表明：當(dāng)水灰比大于0.65時(shí)，碳化深度會(huì)急劇加大。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。得到碳化速度與水灰比的關(guān)系，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混凝土的水灰比。2.1.2 水泥品種與用量的影響水泥品種決定了單位體積商品混凝土中可碳化物質(zhì)的含量。研究表明：在相同的試驗(yàn)條件下，不同水泥配置的

5、商品混凝土的碳化速度大小順序?yàn)椋汗杷猁}水泥<普通硅酸鹽水泥<其他品種的水泥；礦渣水泥商品混凝土要比普通硅酸鹽水泥的碳化快1020%，室外暴露的情況下高達(dá)50%以上；早強(qiáng)水泥與同強(qiáng)度其它水泥相比，抗碳化能力更高。水泥用量也直接影響到商品混凝土中可碳化物質(zhì)的含量。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)度；另一方面可以增加混凝土的堿性儲(chǔ)備，直接影響混凝土吸收二氧化碳的量。混凝土吸收二氧化碳的量取決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，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：  =2.582-4.71

6、x其中，為碳化速度； x為單位體積水泥用量(T)。2.1.3 摻合料的影響商品混凝土中摻入的粉煤灰、礦渣等摻合料與水泥水化后的Ca(OH)2結(jié)合，降低商品混凝土的堿性，進(jìn)而減弱了商品混凝土的抗碳化能力。相關(guān)研究表明，粉煤灰等量取代水泥越多，商品混凝土的抗碳化能力下降越大。但是采用超量取代技術(shù)，可提高商品混凝土的抗碳化能力。2.1.4 外加劑的影響高效減水劑能夠降低商品混凝土的用水量，改善其和易性，降低商品混凝土的孔隙率，可以提高商品混凝土的抗碳化能力。引氣劑在商品混凝土中引入大量的微細(xì)氣泡。初期引氣劑能夠使商品混凝土中的毛細(xì)孔形成封閉的氣孔，切斷毛細(xì)管通道，可以在一定程度上抑制商品混凝土的碳化

7、。但是隨著碳化的延續(xù)，引氣劑在商品混凝土內(nèi)部留下的孔隙成為CO2擴(kuò)散的通道。2.1.5 骨料的影響骨料的粒徑大小對(duì)骨料-水泥漿粘結(jié)由很大的影響，而骨料-水泥漿的界面有一個(gè)過(guò)渡層，過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)較為疏松、孔隙較多。因此，不同骨料對(duì)骨料-水泥漿的過(guò)渡層由影響，也會(huì)影響CO2的擴(kuò)散，進(jìn)而影響商品混凝土的碳化速率。2.1.6 商品混凝土覆蓋層的影響商品混凝土覆蓋層的種類與厚度對(duì)商品混凝土的碳化有著不同程度的影響。氣密性覆蓋使CO2滲入商品混凝土的數(shù)量減少，可以提高商品混凝土的抗碳化能力。增加覆蓋層厚度和提高覆蓋層的密實(shí)度是有效延緩商品混凝土碳化的手段。2.2 環(huán)境因素環(huán)境因素包括自然環(huán)境和使用環(huán)境兩個(gè)方

8、面。其中，自然環(huán)境包括環(huán)境相對(duì)濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境應(yīng)力及CO2濃度等；使用環(huán)境主要指商品混凝土構(gòu)件的受力狀態(tài)及應(yīng)力水平。環(huán)境因素主要通過(guò)影響CO2的擴(kuò)散速度及碳化反應(yīng)速率來(lái)影響商品混凝土碳化速度。2.2.1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分布，混凝土表面二氧化碳濃度為Co，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Fi

9、ck第一擴(kuò)散定律，根據(jù)微分程：                  式中,dm在dt時(shí)間內(nèi)碳酸透過(guò)試塊表面的數(shù)量；  DCO2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透過(guò)試塊的表面積；  Co試塊表面的濃度；  C吸收區(qū)的濃度；  L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：  dm=m0Fd

10、L    (2） 式中,m0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： 由此可見(jiàn)，碳化深度與時(shí)間的平方根成正比。2.2.2 CO2的濃度根據(jù)菲克第一擴(kuò)散定律可知，CO2的濃度梯度越大，其向商品混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的動(dòng)力也就越大，越容易向商品混凝土孔隙中擴(kuò)散。另外，CO2的濃度越大，碳化的反應(yīng)速率就越大。2.2.2 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

11、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。2.2.3 溫度對(duì)于一般的化學(xué)反應(yīng)而言，溫度每升高10，反應(yīng)速率加快23倍。隨著溫度的升高，CO2在商品混凝土的擴(kuò)散速度加快，且碳化反應(yīng)速度加快，加快了商品混凝土的碳化速度。2.3 施工因素施工質(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,烽窩麻面多,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，

12、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。2.3.1 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

13、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混凝土碳化深度,mm； RH環(huán)境相對(duì)濕度,%,適用范圍45%95%RH； T 環(huán)境溫度，,適用范圍,1060； w/c混凝土水灰比,適用范圍0.350.74；qc環(huán)境中CO2濃度,%；t混凝土碳化時(shí)間，h。 三、商品混凝土碳化的預(yù)防措施商品混凝土的密實(shí)程度是決定碳化速度的關(guān)鍵因素，提高抗碳化能力主要依靠降低水灰比、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、配合比設(shè)計(jì)和增加保護(hù)層厚度。（1）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；對(duì)于水位變化區(qū)以及干濕交替作用

14、的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)選用抗硫酸鹽普通水泥；沖刷部位宜選高強(qiáng)度水泥。（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。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

15、高混凝土抗碳化能力。 （5）增加保護(hù)層厚度，可以改善構(gòu)件的受力鋼筋粘結(jié)錨固性能、耐久性和防火性能越好。但是，過(guò)大的保護(hù)層厚度會(huì)使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過(guò)大，就會(huì)影響其使用性能。保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)應(yīng)符合商品混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。 （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;混凝土澆注完畢后 ,應(yīng)用薄膜等加以覆蓋 ,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。如有必要的可以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。 四、混凝土碳化處理措施  混凝土的碳化對(duì)混凝