混凝土碳化的機理

1、混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響摘要：本文分析了大氣環(huán)境中CO2、SO2等物質使混凝土發(fā)生碳化的作用機理及影響混凝土碳化的主要因素，闡述了鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕的電化學過程，運用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化對鋼筋蝕的影響。關鍵詞：混凝土；碳化；鈍化膜；鋼筋腐蝕自從1824年波特蘭水泥（又稱之為硅酸鹽水泥）問世以來，混凝土材料就以其性能優(yōu)越、施工方便和經(jīng)濟成本低等方面的顯著優(yōu)勢在土木工程領域內得到廣泛的應用。然而在大氣中的CO2、SQ等外部介質作用下，混凝土結構會逐漸發(fā)生碳化，從而導致鋼筋腐蝕（銹蝕），其性能產(chǎn)生衰減，混凝土結構的使用壽命往往也沒有人們所預想的那樣長。根據(jù)煤碳部1996年對

2、部分礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的鋼筋混凝土結構建筑的調查報告，顯示因混凝土碳化造成混凝土中鋼筋銹蝕，其鋼筋銹蝕深度達20%以上，結構的可靠度大大降低。因此混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響逐漸引起了結構工程界的重視。1混凝土的碳化1.1混凝土碳化的作用機理混凝土的碳化是指空氣中的CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中液相的Ca（OH2作用，生成CaCOffiHO的中性化過程。此外水泥石中水化硅酸鈣（CSH和未水化的硅酸三鈣（QS）及硅酸二鈣（GS）也要消耗一定的CO2氣體。由于混凝土是一種多孔性材料，在其內部往往存在著大小不同的毛細管、孔隙、氣泡等缺陷，具有一定的透氣性?？諝庵械腃Q首先滲透到混凝土內部充滿空氣的孔隙和

3、毛細管中，而后溶解于毛細管中的液相，與水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH2和水化硅酸鈣（CSH等物質相互作用，形成CaCQCa（OH2是水泥的主要水化產(chǎn)物之一，對于普通硅酸鹽水泥而言，水化生成的Ca（OH）2可達10%15%。Ca（OH2一方面是混凝土高堿度的主要提供者，另一方面又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一，很容易與環(huán)境中的酸性介質發(fā)生中和反應，從而使混凝土碳化。經(jīng)過大量的研究表明，混凝土的碳化過程是CQ氣體由表及里向混凝土內部逐漸擴散、反應復雜的物理化學過程，主要的碳化反應方程如下：Ca（OH）2+H2O+CQfCaCO3+2H2O3CaO-2SiSO2THQ+3CO-3CaCOa-SiO23

4、H2O3CaO-2SiSO23HO2+nO-3CaCO2SiO2-nH2O3CaO-2SiSO2-3HO2+nWO-2CaCQ-SiO2-nH2O隨著混凝土碳化過程的進行，混凝土毛細孔中Ca(OH2的含量會逐漸減少，必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH值可以用下式表示：PH=14+log102義103義Ca(OH)2(aq)式中Ca(OH)2(aq)表示混凝土內部毛細孔中液態(tài)Ca(OH2的含量?；炷恋奶蓟淖兞嘶炷恋幕瘜W成分和組織結構，對混凝土的化學性能和物理力學性能有著明顯的影響。1.2混凝土碳化的影響因素從混凝土碳化作用機理的闡述中可知，影響混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的

5、密實性和堿性儲備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca(OH2堿性物質含量的大小。可以說，如果混凝土的孔隙率越小、滲透性越低、密實性越高、Ca(OH)2含量越大，則混凝土的抗碳化性能越好；反之，則越差。影響混凝土密實性及其堿性儲備的因素十分復雜，與多種因素有關，具體來說有材料因素、環(huán)境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種及其用量、混凝土強度等級、骨料級配、外加劑等；環(huán)境因素包括環(huán)境相對濕度、溫度、壓力以及CO2氣體濃度等”施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護條件等。1.2.1水灰比的影響。水灰比增加，混凝土硬化后，多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中，會提高混凝土內部毛細孔的含量，

6、滲透性提高，因此CQ氣體在混凝土毛細孔中的擴散速度加快，從而將加快混凝土的碳化速度，使混凝土碳化區(qū)的碳化深度提高。對于普通混凝土，水灰比大小對混凝土碳化的影響可以用下式表述：“=4.15XW/C-1.03式中“水灰比對混凝土碳化影響系數(shù)；W/C混凝土水灰比大小。圖1為幾種不同水灰比下的混凝土制作成標準試件，進行混凝土快速碳化試驗(快速碳化試驗條件：CO2的濃度為20±5C,水泥為普通硅酸鹽水泥)，從試驗結果中可以看出增加混凝土的水灰比，可以加快混凝土的碳化速度。1.2.2 水泥品種的影響。礦不法水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快。這是因為火山

7、灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiS2的含量高，水泥水化時，SiO2和CaO發(fā)生反應大量生成水化硅酸鈣，而生成的Ca(OH2含量較少，混凝土的堿性低；而硅酸鹽水泥中CaO的含量高，能生成較多的Ca(OH2,堿性高。另外，混凝土的碳化還與CQ氣體的滲透速度有關。經(jīng)過大量實踐可以證明：在相同濕度情況下，火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CQ氣體的滲透速度要比硅酸鹽水泥混凝土的滲透速度大。圖2為在水灰比相同、CO2氣體濃度相同、空氣相對溫度和溫度相同情況下，幾種混凝土碳化深度的比較，可見硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度為最小。1.2.3 空氣相對濕度的影響?；炷恋奶蓟c混凝土環(huán)境的相對濕度有著重要

8、關系。Ca(OH2與CO2反應生成的水要向外擴散，以保持混凝土內部與大氣之間的濕度平衡。如果水向外的擴散速度由于環(huán)境濕度大而被減慢，混凝土內部的水蒸氣壓力將增大，CO2氣體向混凝土內部擴散滲透的速度將降低乃至終止，混凝土的碳化反應也隨之減慢。在相對濕度接近100%寸，混凝土中的孔隙被水蒸氣的冷凝水所充滿，反應產(chǎn)生的水向外擴散和CC2向內滲透的速度大幅度降低，碳化將終止。而當相對濕度小于25%時，雖然CO2的擴散滲透速度很快，但混凝土毛細孔中沒有足夠的水，空氣中的CO2無法溶解于混凝土毛細管水中，或其溶解量非常有限，使之不能與堿性溶液發(fā)生反應，因此碳化反應實際上也無法進行。有資料表明，在相對溫度

9、為50%-70%的條件下，最有利于促進混凝土的碳化。這就是為何我國內陸地區(qū)較沿海地區(qū)碳化明顯的原因。*9M軸釜7U創(chuàng)部0阿爵11)圖3給出了水灰為0.65,濃度為50%,碳化時間為5天，在不同濕度環(huán)境下，混凝土的碳化深度。1.2.4 空氣中CO2濃度的影響。通常認為，CO2在混凝土中的碳化深度可按下式計算：Z)=i2KCt/n式中D混凝土碳化深度；KCO2擴散系數(shù)；C混凝土表面CO2的濃度；t混凝土碳化持續(xù)時間；m單位體積?M凝土所吸收CO2的體積。由上式可以看出，在其他條件不變的情況下，環(huán)境中CO2氣體的濃度越高（C值越大），則在一定使用期內混凝土碳化速度越快，碳化深度（D）越大。1.2.5

10、 混凝土強度等級的影響?；炷翉姸鹊燃壴礁?，混凝土則越密實，CO2的擴散速度則降低，從而使混凝土的碳化速度隨之降低，混凝土的抗碳化能力得到提高。混凝土強度等級大小與混凝土碳化速度之間的關系，可以用下式表述：K=210/fcu-3.3式中K混凝土碳化速度系數(shù)；fcu混凝土的立方體抗壓強度1.2.6 混凝土振搗、養(yǎng)護的影響。混凝土在施工操作過程中如振搗和養(yǎng)護良好，則混凝土硬化后密實度較高，混凝土的碳化速度慢。如果混凝土在施工初期養(yǎng)護不良，混凝土中的水分蒸發(fā)過快，混凝土面層的滲透性增大，則可加快混凝土的碳化。2混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響2.1 鋼筋腐蝕的作用機理根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機理，鋼筋腐蝕一般分

11、為化學腐蝕與電化學腐蝕等幾種形式，對于鋼筋混凝土構件中的鋼筋腐蝕主要是電化學腐蝕。鋼筋發(fā)生電化學腐蝕必須具備兩個條件：2.1.1 陽極部位的鋼筋表面處于活性狀態(tài)，可以自由地釋放電子，在陰極部位鋼筋表面存在足夠的水和氧氣。在潮濕的環(huán)境下，鋼筋表面總是存在水膜和深于水膜中的氧氣。由于鋼筋不是單一的金屬鐵，同時含有碳、硅、鈕等合金元素和雜質，這樣不同元素處在相同或不同介質中，具電極電位也不同，其間必然存在著電位差，因此，在潮濕的環(huán)境下鋼筋表面的鈍化膜受到破壞時，就可以發(fā)生電化學反應。電化學反應過程如下：陽極反應：陽極區(qū)鐵原子離開晶格轉變?yōu)楸砻嫖皆樱⑨尫烹娮愚D變?yōu)殛栯x子。一_2+Fe-2e-Fe

12、電子傳送過程：陽極區(qū)釋放的電子能冠軍鋼筋向陰極區(qū)傳送。陰極反應：陰極區(qū)由周圍環(huán)境通過混凝土孔隙吸附、擴散、滲透作用進來并溶解于孔隙水中的O2吸收陽極區(qū)傳來的電子，發(fā)生還原反應。2Ho+O2+4e-4(OH-綜合反應：陽極區(qū)生成Fe2+與陰極區(qū)生成的OH反應，生成Fe(OH2。在高氧條件下，F(xiàn)e(OH2進一步氧化轉變?yōu)镕e(OH3,Fe(OH3脫水后變?yōu)槭杷啥嗫椎募t銹FeO3：在少氧條件下，F(xiàn)e(OH2氧化不完全部分形成黑銹FeO40Fe2+2(OH-Fe(OH24Fe(OH2+O2+2H2O-4Fe(OH32Fe(OH3-FeO3+3H2O6Fe(OH2+O2-2FeO4+6H2O通過對上述反

13、應過程進行分析，可知：鋼筋腐蝕過程實質上就是活性狀態(tài)的鐵轉化為鐵離子的過程。2.2 混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響眾所周知，混凝土對鋼筋具有一定的保護作用，在一般情況下，鋼筋混凝土結構中的鋼筋不容易受到腐蝕。混凝土之所以對鋼筋具有保護作用，是因為水泥水化過程中可產(chǎn)生一定量的Ca(OH2(對于普通硅酸鹽水泥，Ca(OH2含量可達10%-15%),Ca(OH2的溶解度很小，通常以固體形式存在，從而能使混凝土具有高堿度，其PH值一般為1213，在這樣的高堿性環(huán)境中，會在鋼筋表面形成一層化學性質非常穩(wěn)定的鈍化膜一一層不滲透的牢固地粘附于鋼筋表面上的氧化物。鈍化膜的存在，不僅使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，而

14、且還將鋼筋與水介質隔離，水和氧氣無法滲透過去，因此電化學腐蝕無法進行，從而使鋼筋免受腐蝕。在理想的情況下，混凝土中的PH值為12.513,此時鋼筋處于鈍化狀態(tài)，只要保持這個條件，鋼筋就不會腐蝕，這正是一些鋼筋混凝土建筑物能夠耐久的重要原因。經(jīng)過大量的研究與實踐表明，混凝土中鋼筋表面鈍化膜的穩(wěn)定性主要取決于周圍混凝土的PH值。當混凝土PH值9.88時，鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的，鋼筋表面不可能有鈍化膜存在，完全處于活化狀態(tài)，即對鋼筋沒有保護作用；當混凝土PH值處在9.8811.5之間時，鋼筋表面的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài)，會逐漸溶解、破裂，鋼筋表面可能發(fā)生銹蝕，即不能完全保護鋼筋免受腐蝕；只有當混凝土

15、PH值11.5時，鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。當鋼筋表面的氧化物鈍化膜被破壞時，在存在氧氣和水化的情況下，鋼筋就會被造成腐蝕而破壞。能夠使混凝土中的鋼筋表面鈍化膜破壞的因素內在和外在兩個因素。內在因素是指混凝土本身具有腐蝕性，如使用了含超標準氯鹽的地下水攪拌混凝土，混凝土中使用了過量的氯鹽類外加劑等，使鋼筋表面的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)，引起鋼筋發(fā)生電化學腐蝕。外在因素是指由于周圍介質的作用使混凝土失去保護鋼筋的能力，如混凝土碳化。混凝土碳化實質就是大氣中的CQ、SO2等酸性介質，滲入混凝土內部與Ca（OH2發(fā)生中和反應，中和反應的結果是降低了混凝土的堿度和含堿的數(shù)量?；炷翂A性降低的直接后果是使鋼

16、筋表面的鈍化膜失去穩(wěn)定性或破壞，混凝土就不能保護鋼筋免受腐蝕?；炷撂蓟?，完全碳化區(qū)的PH值由13左右降至9以下，此時鋼筋必然會受到電化學腐蝕。由此可以看出，混凝土的碳化是引起鋼筋腐蝕的主要原因之2.3 鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對混凝土結構的不利影響2.3.1 鐵銹的生成造成鋼筋截面減小，構件承載力降低；2.3.2 鐵銹體積膨脹（體積一般要增長24倍），使混凝土保護層脹裂甚至脫落，嚴重影響結構的正常使用；2.3.3 鐵銹的生成破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結，從而使鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力降低，甚至造成整個構件失效。3結束語混凝土的碳化是影響鋼筋腐蝕重要因素之一，混凝土保持高堿性，不僅是保護鋼筋免遭腐蝕的前提條件，而且還是維持混凝