混凝土碳化的機(jī)理

1、混凝土的碳化及其對(duì)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(zhì)使混凝土發(fā)生碳化的作用機(jī)理及影響混凝土碳化的主要因素,闡述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的電化學(xué)過程,運(yùn)用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化對(duì)鋼筋蝕的影響.關(guān)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(jì)本錢低等方面的顯著優(yōu)勢(shì)在土木工程領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用.然而在大氣中的CO2、SQ等外部介質(zhì)作用下,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生碳化,從而導(dǎo)致鋼筋腐蝕銹蝕,其性能產(chǎn)生衰減,混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命往往也沒有人們所預(yù)想的那樣長(zhǎng).根據(jù)煤碳部1996年對(duì)局部礦區(qū)

2、生產(chǎn)系統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查報(bào)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(dá)20%以上,結(jié)構(gòu)的可靠度大大降低.因此混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響逐漸引起了結(jié)構(gòu)工程界的重視.1混凝土的碳化1.1混凝土碳化的作用機(jī)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CaOH2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(nèi)部往往存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡等缺陷,具有一定的透氣性.空氣中的CQ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

3、毛細(xì)管中的液相,與水泥水化過程中產(chǎn)生的CaOH2和水化硅酸鈣CSH等物質(zhì)相互作用,形成CaCQCaOH2是水泥的主要水化產(chǎn)物之一,對(duì)于普通硅酸鹽水泥而言,水化生成的CaOH2可達(dá)10%15%.CaOH2一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(zhì)發(fā)生中和反響,從而使混凝土碳化.經(jīng)過大量的研究說明,混凝土的碳化過程是CQ氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐漸擴(kuò)散、反響復(fù)雜的物理化學(xué)過程,主要的碳化反響方程如下：CaOH2+H2O+CQfCaCO3+2H2O3CaO-2SiSO2THQ+3CO-3CaCOa-SiO23H2O3CaO-2SiSO23HO2

4、+nO-3CaCO2SiO2-nH2O3CaO-2SiSO2-3HO2+nWO-2CaCQ-SiO2-nH2O隨著混凝土碳化過程的進(jìn)行,混凝土毛細(xì)孔中Ca(OH2的含量會(huì)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(nèi)部毛細(xì)孔中液態(tài)Ca(OH2的含量.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(duì)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混凝土碳化的影響因素從混凝土碳化作用機(jī)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密實(shí)性和堿性儲(chǔ)藏的大小,即混凝土的滲

5、透性及其Ca(OH2堿性物質(zhì)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(shí)性越高、Ca(OH)2含量越大,那么混凝土的抗碳化性能越好；反之,那么越差.影響混凝土密實(shí)性及其堿性儲(chǔ)藏的因素十分復(fù)雜,與多種因素有關(guān),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(qiáng)度等級(jí)、骨料級(jí)配、外加劑等；環(huán)境因素包括環(huán)境相對(duì)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(hù)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(huì)提升混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的含量,滲透性提升,因此CQ氣體在混凝土毛

6、細(xì)孔中的擴(kuò)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)的碳化深度提升.對(duì)于普通混凝土,水灰比大小對(duì)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)試件,進(jìn)行混凝土快速碳化試驗(yàn)(快速碳化試驗(yàn)條件：CO2的濃度為20±5C,水泥為普通硅酸鹽水泥),從試驗(yàn)結(jié)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.這是由于火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含

7、量低而SiS2的含量高,水泥水化時(shí),SiO2和CaO發(fā)生反響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(guān).經(jīng)過大量實(shí)踐可以證實(shí)：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(duì)溫度和溫度相同情況下,幾種混凝土碳化深度的比擬,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(duì)濕度的影響.混凝土的碳化與混凝土環(huán)境的相對(duì)濕度有著重要關(guān)系.Ca(OH2與CO2反響生成

8、的水要向外擴(kuò)散,以保持混凝土內(nèi)部與大氣之間的濕度平衡.如果水向外的擴(kuò)散速度由于環(huán)境濕度大而被減慢,混凝土內(nèi)部的水蒸氣壓力將增大,CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散滲透的速度將降低乃至終止,混凝土的碳化反響也隨之減慢.在相對(duì)濕度接近100%寸,混凝土中的孔隙被水蒸氣的冷凝水所充滿,反響產(chǎn)生的水向外擴(kuò)散和CC2向內(nèi)滲透的速度大幅度降低,碳化將終止.而當(dāng)相對(duì)濕度小于25%時(shí),雖然CO2的擴(kuò)散滲透速度很快,但混凝土毛細(xì)孔中沒有足夠的水,空氣中的CO2無法溶解于混凝土毛細(xì)管水中,或其溶解量非常有限,使之不能與堿性溶液發(fā)生反響,因此碳化反響實(shí)際上也無法進(jìn)行.有資料說明,在相對(duì)溫度為50%-70%的條件下,最有利于

9、促進(jìn)混凝土的碳化.這就是為何我國(guó)內(nèi)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(shí)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(rèn)為,CO2在混凝土中的碳化深度可按下式計(jì)算：Z)=i2KCt/n式中D混凝土碳化深度；KCO2擴(kuò)散系數(shù)；C混凝土外表CO2的濃度；t混凝土碳化持續(xù)時(shí)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,那么在一定使用期內(nèi)混凝土碳化速度越快,碳化深度D越大.1.2.5 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響.混凝土強(qiáng)度等級(jí)越

10、高,混凝土那么越密實(shí),CO2的擴(kuò)散速度那么降低,從而使混凝土的碳化速度隨之降低,混凝土的抗碳化水平得到提升.混凝土強(qiáng)度等級(jí)大小與混凝土碳化速度之間的關(guān)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(qiáng)度1.2.6 混凝土振搗、養(yǎng)護(hù)的影響.混凝土在施工操作過程中如振搗和養(yǎng)護(hù)良好,那么混凝土硬化后密實(shí)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(hù)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,那么可加快混凝土的碳化.2混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響2.1 鋼筋腐蝕的作用機(jī)理根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機(jī)理,鋼筋腐蝕一般分為化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕等幾種形式

11、,對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕.鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕必須具備兩個(gè)條件：2.1.1 陽極部位的鋼筋外表處于活性狀態(tài),可以自由地釋放電子,在陰極部位鋼筋外表存在足夠的水和氧氣.在潮濕的環(huán)境下,鋼筋外表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(shí)含有碳、硅、鈕等合金元素和雜質(zhì),這樣不同元素處在相同或不同介質(zhì)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)境下鋼筋外表的鈍化膜受到破壞時(shí),就可以發(fā)生電化學(xué)反響.電化學(xué)反響過程如下：陽極反響：陽極區(qū)鐵原子離開晶格轉(zhuǎn)變?yōu)橥獗砦皆?并釋放電子轉(zhuǎn)變?yōu)殛栯x子.一_2+Fe-2e-Fe電子傳送過程：陽極區(qū)釋放的電子能

12、冠軍鋼筋向陰極區(qū)傳送.陰極反響：陰極區(qū)由周圍環(huán)境通過混凝土孔隙吸附、擴(kuò)散、滲透作用進(jìn)來并溶解于孔隙水中的O2吸收陽極區(qū)傳來的電子,發(fā)生復(fù)原反響.2Ho+O2+4e-4(OH-綜合反響：陽極區(qū)生成Fe2+與陰極區(qū)生成的OH反響,生成Fe(OH2.在高氧條件下,Fe(OH2進(jìn)一步氧化轉(zhuǎn)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,Fe(OH2氧化不完全局部形成黑銹FeO40Fe2+2(OH-Fe(OH24Fe(OH2+O2+2H2O-4Fe(OH32Fe(OH3-FeO3+3H2O6Fe(OH2+O2-2FeO4+6H2O通過對(duì)上述反響過程進(jìn)行分析,可知：鋼筋腐蝕過

13、程實(shí)質(zhì)上就是活性狀態(tài)的鐵轉(zhuǎn)化為鐵離子的過程.2.2 混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響眾所周知,混凝土對(duì)鋼筋具有一定的保護(hù)作用,在一般情況下,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不容易受到腐蝕.混凝土之所以對(duì)鋼筋具有保護(hù)作用,是由于水泥水化過程中可產(chǎn)生一定量的Ca(OH2(對(duì)于普通硅酸鹽水泥,Ca(OH2含量可達(dá)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(huì)在鋼筋外表形成一層化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的鈍化膜一一層不滲透的牢固地粘附于鋼筋外表上的氧化物.鈍化膜的存在,不僅使鋼筋外表不存在活性狀態(tài)的鐵,而且還將鋼筋與水介質(zhì)隔離,水和氧氣

14、無法滲透過去,因此電化學(xué)腐蝕無法進(jìn)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(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài),只要保持這個(gè)條件,鋼筋就不會(huì)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(shí)踐說明,混凝土中鋼筋外表鈍化膜的穩(wěn)定性主要取決于周圍混凝土的PH值.當(dāng)混凝土PH值9.88時(shí),鋼筋外表的氧化物是不穩(wěn)定的,鋼筋外表不可能有鈍化膜存在,完全處于活化狀態(tài),即對(duì)鋼筋沒有保護(hù)作用；當(dāng)混凝土PH值處在9.8811.5之間時(shí),鋼筋外表的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài),會(huì)逐漸溶解、破裂,鋼筋外表可能發(fā)生銹蝕,即不能完全保護(hù)鋼筋免受腐蝕；只有當(dāng)混凝土PH值11.5時(shí),鋼筋才能完全處

15、于鈍化狀態(tài).當(dāng)鋼筋外表的氧化物鈍化膜被破壞時(shí),在存在氧氣和水化的情況下,鋼筋就會(huì)被造成腐蝕而破壞.能夠使混凝土中的鋼筋外表鈍化膜破壞的因素內(nèi)在和外在兩個(gè)因素.內(nèi)在因素是指混凝土本身具有腐蝕性,如使用了含超標(biāo)準(zhǔn)氯鹽的地下水?dāng)嚢杌炷?混凝土中使用了過量的氯鹽類外加劑等,使鋼筋外表的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài),引起鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕.外在因素是指由于周圍介質(zhì)的作用使混凝土失去保護(hù)鋼筋的水平,如混凝土碳化.混凝土碳化實(shí)質(zhì)就是大氣中的CQ、SO2等酸性介質(zhì),滲入混凝土內(nèi)部與CaOH2發(fā)生中和反響,中和反響的結(jié)果是降低了混凝土的堿度和含堿的數(shù)量.混凝土堿性降低的直接后果是使鋼筋外表的鈍化膜失去穩(wěn)定性或破壞,混凝土就不能保護(hù)鋼筋免受腐蝕.混凝土碳化后,完全碳化區(qū)的PH值由13左右降至9以下,此時(shí)鋼筋必然會(huì)受到電化學(xué)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 鋼筋外表被腐蝕而生成鐵銹對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響2.3.1 鐵銹的生成造成鋼筋截面減小,構(gòu)件承載力降低；2.3.2 鐵銹體積膨脹體積一般要增長(zhǎng)24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；2.3.3 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)同工作水平降低,甚至造成整個(gè)構(gòu)件失效.3結(jié)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(hù)鋼筋免遭腐蝕的前提條件,而且還是