混凝土碳化精講課件

第二章混凝土碳化高小建博士副教授1）水泥水化反應：C3SC2SC3A知識回顧知識回顧2）水化產(chǎn)物組成：混凝土中高堿性環(huán)境(pH值大于12.5)，有效防止鋼筋銹蝕。

基本概念

混凝土中性化：當空氣、土壤、地下水等環(huán)境中的酸性氣體或液體侵入混凝土中，與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應，使混凝土中的pH值降低的過程；

混凝土碳化：由大氣環(huán)境中的CO2引起的中性化過程，最普遍的混凝土中性化過程。本章內(nèi)容混凝土碳化機理

混凝土碳化的影響因素

混凝土碳化深度的檢測與預測方法混凝土快速碳化試驗

部分碳化區(qū)及其對鋼筋銹蝕的影響

碳化對混凝土強度與鋼筋銹蝕的影響

碳化混凝土的再堿化技術(shù)2.1混凝土碳化機理Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O(氫氧化鈣)3CaO?SiO2?3H2O+CO2

→

3CaCO3+2SiO2+3H2O(水化硅酸鈣)3CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O+3CO2

3CaCO3+2Al(OH)3+3CaSO4

?H2O+23H2O(鈣礬石)大氣中的CO2通過孔隙向混凝上內(nèi)部擴散并在孔隙水中溶解，固態(tài)Ca(OH)2在孔隙水中溶解并向其濃度低的區(qū)域(已碳化區(qū)域)擴散；溶解在孔隙水中的CO2與Ca(OH)2發(fā)生化學反應生成CaCO3；同時，CSH、AFt等水化物也在固液界面發(fā)生碳化反應：液相反應，一定濕度條件下發(fā)生。水泥石結(jié)構(gòu)形成過程完全干燥或完全飽水的混凝土幾乎不發(fā)生碳化作用?；炷撂蓟慕Y(jié)果使混凝土產(chǎn)生體積收縮混凝土孔隙率降低、密實度提高CO2鋼筋表面脫鈍、生銹＊混凝土中pH值降低＜9，導致鋼筋脫鈍而銹蝕。2.2混凝土碳化的影響因素1)材料因素水灰比：決定CO2有效擴散系數(shù)及混凝土碳化速度的主要因素之一；水灰比增加，混凝土的碳化速度加快。水泥品種與用量:Ａ)硅酸鹽水泥≤普通硅酸鹽水泥≤粉煤灰水泥、火山灰水泥和礦渣水泥；B)水泥用量越大，混凝土碳化速度越慢。骨料粒徑與級配:連續(xù)級配、顆粒粒徑小的骨料，使混凝土碳化速率減緩。外加劑:摻減水劑、引氣劑均能有效降低混凝土碳化速度。養(yǎng)護方法與齡期:保濕養(yǎng)護齡期越長，混凝土碳化速率越慢?；炷翉姸?混凝土強度越高，其碳化速度越?。坏囼灲Y(jié)果離散較大，主要是由于強度難以反映水泥用量等對碳化速率的影響。施工質(zhì)量：密實性差及存在蜂窩、麻頂、漏漿、裂縫等缺陷部位的碳化深度比振搗密實、表面無缺陷部位大得多。2)環(huán)境因素溫、濕度:溫度升高可促進混凝土碳化速度；相對濕度為50％~70％的中等濕度環(huán)境下，混凝土碳化速度最快。CO2濃度:碳化速度與空氣中CO2濃度的平方根近似成正比關(guān)系。表面覆蓋層:含可碳化物質(zhì)的覆蓋層(水泥砂漿)，主要通過消耗其中可碳化物質(zhì)以延緩CO2侵入混凝土速率；不含可碳化物質(zhì)覆蓋層（瀝青、涂料、瓷磚等），因其結(jié)構(gòu)致密，能封堵混凝土表面部分開口孔隙，從而延緩碳化速度。受力狀態(tài):壓應力不超過0.7fc(fc為混凝土的抗壓強度)時，壓應力對碳化起延緩作用；壓應力超過0.7fc時會使碳化速度加快；拉應力不超過0.3ft(ft為混凝土的抗拉強度)時，應力作用不明顯；當拉應力超過0.3ft時，應力越大，碳化速率越快。材料因素水灰比降低水灰比＋＋水泥品種與用量硅酸鹽水泥、充足水泥用量＋＋骨料粒徑與級配小粒徑、級配良好＋外加劑減水劑、引氣劑＋養(yǎng)護方法與齡期早期濕養(yǎng)，延長養(yǎng)護時間＋＋混凝土強度提高強度＋施工質(zhì)量充分振搗，填充密實＋＋環(huán)境因素溫、濕度中等濕度、高溫度－－CO2濃度增加濃度－－表面覆蓋層致密、足夠厚＋受力狀態(tài)高應力作用－－各因三素對三混凝三土碳三化的三影響2.三3混凝三土碳三化深三度檢三測與三預測三方法1)檢測三方法X射線三法:通過X射線三衍射三儀，直三接測三量出三混凝三土中三不同三深度三處水三泥石三所含氫氧三化鈣三與碳三酸鈣三晶體三的含三量，三判斷三出混三凝土三受碳三化情三況?？扇瑫r三測得完全三碳化三與部三分碳三化深三度，適三用于三實驗三室精確三測量。C:三2三9.三4oCH三:三17三.9o化學三試劑三法:利用三不同三化學三試劑三在不三同pH值環(huán)三境下三的顏三色變?nèi)郎y出三混凝三土碳三化深三度。三常用1%濃度三的酚三酞酒三精溶三液，三以pH＝9為界三線，三已碳三化區(qū)三呈無三色，三未碳三化區(qū)三呈粉三紅色三。另有三一種三彩虹三指示三劑(R三ai三nb三ow三i三nd三ic三at三or三)，根三據(jù)反三應的三顏色三判別三不同三的pH值(5三~1三3)，可三測試三完全三碳化三和部三分碳三化的三深度三。理論三模型阿列三克謝三耶夫三模型三：控制三碳化三速度三的是CO2在混三凝土三孔隙三中的三擴散三過程三，基三于Fi三ck第一三定律三及CO2在多三孔介三質(zhì)中三擴散三和吸三收特三征。式中三：x一碳三化深三度；α一碳三化速三度系三數(shù)；t一碳三化時三間；C0一環(huán)境三中CO2的濃三度；De一CO2在混三凝土三中的三有效三擴散三系數(shù)三；m0一單三位體三積混三凝土三對CO2的吸三收量三。該模三型形三式簡三單，三與實三際試三驗結(jié)三果接三近，三被大三多數(shù)三學者三接受三引用三；該模三型中De與m0兩個三參數(shù)三定義三較模三糊，三參數(shù)三如何三計算三尚未三交代三清楚;不適三用于三較低三濕度三環(huán)境三下混三凝土三碳化三。2)混凝三土碳三化深三度預三測模三型理論三模型三與經(jīng)三驗模三型兩三類：碳化三深度三與碳三化時三間的三平方三根成三正比三。Pa三pa三da三ki三s模型:根據(jù)CO2及各三可碳三化物三質(zhì)Ca三(O三H)2、CS三H、C3S、C2S在碳三化過三程中三的質(zhì)三量平三衡條三件，三建立三偏微三分方三程組三求解三而得三．各參三數(shù)都三有明三確的三定義三和量三綱，三相關(guān)三文獻三中給三出計三算方三法；僅適三用于三普通三硅酸三鹽水三泥混三凝土三，對三于其三它水三泥需三要修三正；在較三低濕三度環(huán)三境下三計算三值與三試驗三結(jié)果三相差三較大三。式中：x一碳化深度；t一碳化時間；[CO2]0一環(huán)境中CO2的濃度；Dce一CO2擴散系數(shù)，

(B三)經(jīng)驗三模型三：多參三數(shù)模三型：三如中三國建三筑科三學研三究院三龔洛三書。α—混凝三土碳三化速三度系三數(shù)，三普通三混凝三土、三輕集三料混三凝土三不同三；k1、k2、k3、k4、k5、k6–-三-分別三表示三水泥三品種三、水三泥用三量、三水灰三比、三粉煤三灰取三代量三、骨三料品三種、三養(yǎng)護三方法三等因三素影三響系三數(shù)?；谌胰鹊娜?jīng)驗三模型三：如三山東三建筑三科學三研究三院朱三安民三。γ1、γ2、γ３—分別三表明混凝三土水三泥品三種、三粉煤三灰取三代量三和氣三候條三件影三響系三數(shù)?；谌箟喝龔姸热慕?jīng)三驗模三型：如三中國三建筑三科學三研究三院邸三小壇三。α1、α2、α3—分別三為混凝三土養(yǎng)三護條三件、三水泥三品種三、環(huán)三境條三件修三正系三數(shù)。(C三)基于三擴散三理論三與試三驗的三碳化三模型三：上三海同三濟大三學張三譽。C0x各碳三化模三型計三算比三較某混三凝土三工程三使用三已44年，三根據(jù)三統(tǒng)計三資料三：周三圍環(huán)三境CO2濃度三約0.三25％，三平均三溫度16三.3三℃，相三對濕三度79三%；混三凝土三強度三等級三為C1三5，采三用32三.5普通三硅酸三鹽水三泥，三水泥三用量三為40三0k三g/三m3，水三灰比三為0.三55；該三結(jié)構(gòu)三為現(xiàn)三澆結(jié)三構(gòu)，三自然三養(yǎng)護三，經(jīng)三測試三混凝三土平三均碳三化深三度值三為20三.7三mm。d)應優(yōu)三先考三慮多系三數(shù)碳三化模三型、抗三壓強三度模三型，三其次三考慮三基于三理論三與試三驗的三碳化三模型三及基三于水三灰比三的碳三化模三型。2.三4混凝三土快三速碳三化試三驗通過三實驗三室快三速碳三化試三驗，三確定三碳化三速度三方程三，以三此為三混凝三土結(jié)三構(gòu)耐三久性三分析三提供三依據(jù)三。1)試驗三方法三：《普通三混凝三土長三期性三能和三耐久三性能三試驗三方法》(三GB三-T三50三08三2-三20三09三)高壓三或高三濃度快速三試驗常壓三、低三濃度快速三試驗試件三：10三0×三10三0×三40三0m三m棱柱三體，三標準三養(yǎng)護28天；預處三理：溫度60三℃烘干48三h，除三成型三時兩三側(cè)面三，其三余各三面用三石蠟三密封三；碳化三條件三：溫度20三±5三℃，相三對濕三度70三±5三%，二三氧化三碳濃三度20三±3三%；碳化三深度三測試三：3、7、14、28三d混凝三土試三件劈三裂，三用1%濃度三的酚三酞乙三醇溶三液噴三于斷三裂面三，每三邊測三量多三點距三離，三取平三均值三即為三碳化三深度三值。混凝土碳化箱混凝土斷裂面噴酚酞溶液2)主要三設(shè)備三與測三試過三程：混凝土試件碳化深度測量3)快速三碳化三與自三然碳三化間三關(guān)系三：快速三碳化三與自三然碳三化的三主要三區(qū)別三在于三二氧三化碳三的濃三度不三同，三由此三可得三：阿列克謝耶夫模型式中三：xz、xk一分三別為三混凝三土自三然碳三化、三快速三碳化三深度三；tz、tk一分別三為混三凝土三自然三碳化三、快三速碳三化時間三；Cz、Ｃk一分三別為三混凝三土自三然碳三化、三快速三碳化環(huán)境三中CO2的濃三度。保護層厚度/mm202020實驗28d碳化深度/mm4810碳化到鋼筋表面時間/年12832202.三5部分三碳化三區(qū)及三其對三鋼筋三銹蝕三的影三響問題三提出：19三94年，三英國三學者Pa三rr三ot三t試驗三發(fā)現(xiàn)三：當三用酚三酞試三劑測三定的碳化三深度三發(fā)展三到距三離鋼三筋表三面一三定深三度而三并未三到達三鋼筋三表面三時，三鋼筋三便開三始銹三蝕，而且三隨著三碳化三深度三的增三加，三鋼筋三誘蝕三速度三加快三，直三到碳三化深三度發(fā)三展到三超過三鋼筋三位置三某個三長度三時，三銹蝕三速度三才穩(wěn)三定下三來？鋼筋三銹蝕三的速三度在PH＝9~三11三.5的區(qū)三段內(nèi)三隨pH值下三降而三增大三，pH值在9以下三時銹三蝕速三度保三持穩(wěn)三定不三變．pH值在11三.5以上三時鋼三筋處三于鈍三化狀三態(tài)；受碳三化混三凝土三試件三中，pH值由三外到三內(nèi)是三逐漸三升高三的，三特別三是當三環(huán)境三濕度三較低三時更三加明三顯。問題三答案：混凝三土碳三化過三程中部分三碳化三區(qū)的三存在是鋼三筋銹三蝕速三度隨三碳化三深度三加深三而增三大的三根本三原因三。理論三上：三未碳三化混三凝土三的pH三≥1三2.三5，完三全碳三化的三混凝三土pH＝7，部三分碳三化區(qū)三混凝三土7＜pH＜12三.5。應用三上：三當pH＞11三.5時鋼三筋處三于鈍三化狀三態(tài)，三當pH＜9時銹三蝕速三度不三再受pH值的三影響三；因三此通三常認三為9＜pH＜11三.5的混三凝土三處于三部分三碳化三區(qū)。1)部分三碳化三區(qū)的三界定三范圍三：碳化混凝土中物質(zhì)分布情況示意圖2)部分三碳化三區(qū)形三成原三因：ＶdＶRCO2混凝土Ｖd≤VR時，三進入三混凝三土中三的CO2很快三與最三外層三混凝三土發(fā)三生碳三化反三應，三混凝三土主三要分三為碳三化區(qū)三和未三碳化三區(qū)兩三部分三；Ｖd＞VR時，進三入混三凝土三中的CO2不能三及時三被最三外層三混凝三土消三耗，三而進三入更三深層三混凝三土，三從而三形成三從內(nèi)三而外三的不三同碳三化程三度，最終三形成三碳化三區(qū)、三部分三碳化三區(qū)、三未碳三化區(qū)三。3)部分三碳化三區(qū)長三度的三主要三影響三因素三：環(huán)境三濕度三：當RH＝70％時三部分三碳化三區(qū)很三短，三可忽三略不三計；三當RH＜60％時三部分三碳化三區(qū)在三整個三碳化三區(qū)中三已占三有一三定比三例且三其長三度隨三濕度三下降三而迅三速增三大，三此時三應計三及部三分碳三化的三影響三。水灰三比：相對三濕度三為50三%條件三下，三混凝三土部三分碳三化區(qū)三長度三隨水三灰比三增加三而增三大。水泥三用量三：相對三濕度三為50三%條件三下，三水泥三用量三對部三分碳三化區(qū)三長度三有一三定影三響．三總的三趨勢三是水三泥用三量越三大部三分碳三化區(qū)三長度三就越三小三。CO2濃度：CO2濃度三對部三分碳三化區(qū)三長度三基本三無影三響。碳化三時間：當碳三化進三行—定時三間，三完全三碳化三區(qū)出三現(xiàn)后三，碳三化時三間對三部分三碳化三區(qū)長三度無三影響三。4)部分三碳化三區(qū)長三度的三估算三：環(huán)境三相對三濕度三對部三分碳三化區(qū)三長度三有決三定性三的影三響；水灰三比和三水泥三用量三對部三分碳三化區(qū)三長度三也有三一定三影響三；部分三碳化三區(qū)長三度基三本不三受CO三2濃度三和碳三化時三間影三響。第一三．根三據(jù)不三同相三對濕三度下三混凝三土部三分碳三化區(qū)三長度三，建三立如三下關(guān)三系式三：第二三．分三別根三據(jù)水三灰比三、水三泥用三量對三混凝三土部三分碳三化區(qū)三長度三的影三響，三得到三以下三修正三系數(shù)三：第三三．總?cè)Y(jié)以三上三三個公三式，三可得三如下三部分三碳化三區(qū)長三度估三算公三式：2.三6碳化三對混三凝土三性能三與鋼三筋銹三蝕的三影響1)對混三凝土三強度三的影三響：混凝三土抗三壓強三度隨三碳化三時間三與碳三化深三度增三加而三增大三。20%CO2恒室溫碳化后混凝土抗壓強度混凝三土劈三拉強三度隨三碳化三時間三的增三長而三提高三，但三超過三一定三時間三后則三有所三降低三？碳化前后混凝土受壓應力－應變曲線受壓三應力-應變?nèi)€三上升三和下三降段三變陡三，混三凝土三脆性三變大三?；炷量兹堵嗜档腿?，抗三滲性三能提三高。2)對混三凝土三滲透三性的三影響三：2)對鋼三筋銹三蝕的三影響三：Cl元素分布－電子探針圖(10%CO2)0天56天112天112天(酚酞)碳化三使混三凝土三中氯三離子三向未三碳化三區(qū)遷三移和三濃縮三，加速三混凝三土中三鋼筋三脫鈍三銹蝕三。3CaO

?Al2O3?CaCl2?10H2O+3CO2

→3CaCO3+2Al(OH)3+CaCl2+7H2O(Friedel復鹽)碳化三對混三凝土三結(jié)構(gòu)三性能三的影三響1)混凝土強度有所提高＋2)混凝土脆性增大－3)抗?jié)B性能提高＋4)混凝土堿性降低，鋼筋銹蝕－－5)混凝土中離子遷移和濃縮，鋼筋銹蝕加?。?.三7碳化三混凝三土的三再堿三化技三術(shù)電化三學再三堿化(E三le三ct三ro三ch三em三ic三alRe三al三ka三li三sa三ti三o