論水泥混凝土的碳化

論水泥混凝土的碳化本學(xué)期上了《土木工程材料》這門(mén)課，另外還選修了一門(mén)《綠色建材耐久性使用壽命的預(yù)測(cè)》這兩門(mén)課之間有著那么一絲的聯(lián)系。兩門(mén)課程都講到了混凝土，而我剛好在選修課上對(duì)混凝土的碳化進(jìn)行了一定的學(xué)習(xí)，并在班上進(jìn)行了研討。于是便把研討的結(jié)果記下，以供以后回顧學(xué)習(xí)。首先是混凝土碳化的影響因素。先從內(nèi)部因素說(shuō)起：水灰比一一水灰比越大，混凝土碳化速度也就越快?；炷恋乃冶仍降?，其強(qiáng)度越高，混凝土的密實(shí)程度也越高；反之亦然。水泥品種一一水泥品種不同，水泥水化產(chǎn)物中堿性物質(zhì)的含量及混凝土的滲透性不同，故對(duì)混凝土碳化速度有一定影響。同一試驗(yàn)條件下砂漿的碳化速度為：BFC(高爐礦渣水泥)>OPC(普通硅酸鹽水泥)>HEC(早強(qiáng)水泥)水泥用量一一混凝土吸收CO2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。骨料的品種及顆粒級(jí)配——骨料的品種和顆粒級(jí)配影響混凝土的密實(shí)度，從而影響到碳化速度。粗骨料粒越大，越容易造成離析、泌水，影響穩(wěn)定性，增加了透氣性，降低密實(shí)度。而輕骨料本身氣泡多，透氣性大?；炷翐胶狭弦灰粨郊臃勖夯液?，由于水泥中的熟料量相應(yīng)地減少了，致使混凝土吸收CO2的能力降低，同時(shí)，由于粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度低，孔結(jié)構(gòu)差，加速了CO2的擴(kuò)散速度，從而使碳化速度加快?；炷量箟簭?qiáng)度——研究結(jié)果表明，混凝土碳化深度與抗壓強(qiáng)度的倒數(shù)成正比。施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法一一施工質(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，蜂窩麻面多，為大氣中的CO2、O2和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土的養(yǎng)護(hù)狀況對(duì)碳化也有一定影響。再?gòu)耐獠恳蛩貋?lái)說(shuō)：相對(duì)濕度一一碳化是液相反應(yīng)，在相對(duì)濕度低于45%的空氣中(干燥狀態(tài))的混凝土很難碳化；在相對(duì)濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土由于透氣性小，反而難以碳化。在50%-70%的環(huán)境相對(duì)濕度范圍，混凝土碳化速度最快。光照和溫度一一溫度升高，碳化反應(yīng)和CO2擴(kuò)散速度加快，所以碳化速度加快。陽(yáng)光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，也能使碳化速度加快。環(huán)境中CO2濃度——CO2濃度越高，碳化速度就越快。對(duì)于CO2濃度對(duì)碳化的影響，理論模式大多基于菲克(Fick)第一擴(kuò)散(滲透)定律x=2Dqca?t其中，x為碳化系數(shù)；D為CO2濃度；a為單位體積混凝土吸收CO2能力的系數(shù)。其他因素一一例如不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土碳化的影響、裂縫對(duì)混凝土碳化的影響、凍融環(huán)境下凍融與碳化的耦合作用?；炷猎谑褂眠^(guò)程中因?yàn)橥庠诃h(huán)境的作用會(huì)產(chǎn)生碳化，使設(shè)施的使用壽命減少，對(duì)設(shè)施造成損壞，因此必須要對(duì)它進(jìn)行預(yù)防，從而達(dá)到避免或者延緩混凝土碳化的目的。預(yù)防可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行：設(shè)計(jì)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(duì)混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2—3cm.施工方面混凝土質(zhì)量好壞，施工是關(guān)鍵。一是要認(rèn)真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強(qiáng)的硅酸鹽水泥；集料選用質(zhì)地硬實(shí)和級(jí)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(qiáng)度和密實(shí)性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴(yán)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(hù)，振搗一定要充分并嚴(yán)格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，必要時(shí)可作表面處理；養(yǎng)護(hù)一定要及時(shí)，一旦混凝土達(dá)到初凝時(shí)，就應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并堅(jiān)持按不同水泥品種所要求的時(shí)間養(yǎng)護(hù)，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(jìn)行養(yǎng)護(hù)。五是鋼筋混凝土保護(hù)層厚度，施工時(shí)要將鋼筋用事先預(yù)制好的高標(biāo)號(hào)砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)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。管理方面對(duì)于水工建筑中混凝土構(gòu)件的管理，主要是定期檢查、加強(qiáng)維護(hù)。對(duì)于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件，則應(yīng)派專(zhuān)人定期觀察及測(cè)試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細(xì)記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象時(shí)，則應(yīng)及時(shí)利用防護(hù)涂料對(duì)混凝土表面進(jìn)行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對(duì)不允許其裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，必要時(shí)可作混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理。使用方面對(duì)于水工建筑物在使用上不要隨意改變?cè)O(shè)計(jì)的使用條件。因?yàn)樗そㄖ锸褂脳l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(duì)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(hù)。若建筑物一旦發(fā)生了混凝土碳化破壞，最好采用環(huán)氧材料修樸.若碳化程度較大，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進(jìn)入的有害物質(zhì)，將混凝土銜接面鑿毛.用環(huán)氧砂漿或細(xì)石混凝土填補(bǔ)，最后以環(huán)氧基液做涂基保護(hù)。當(dāng)混凝土產(chǎn)生碳化時(shí)，就必須對(duì)混凝土的碳化程度及狀況進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的方法有許多種，我從網(wǎng)上查了一種，步驟如下：在砼表面鑿個(gè)小洞，深1cm左右；用洗耳球或小皮老虎吹掉灰塵碎屑；在鑿開(kāi)的砼表面滴或者噴1%的酚猷酒精溶液；用游標(biāo)卡尺或碳化深度深度測(cè)定儀測(cè)定沒(méi)有變色的砼的深度。測(cè)量完之后需對(duì)測(cè)量出的碳化深度值與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，從而得出結(jié)論。此處便不一一贅述。檢測(cè)出混凝土的碳化后，便需要針對(duì)混凝土的碳化程度與外部環(huán)境制定出正確的治理方法。常見(jiàn)的治理方法有以下幾種：表面修補(bǔ)法表面修補(bǔ)法是常見(jiàn)的修補(bǔ)方法，它主要適用于穩(wěn)定和對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力沒(méi)有影響的表面裂縫以及深進(jìn)裂縫的處理。通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥砂漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，在防護(hù)的同時(shí)為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開(kāi)裂，通?？梢圆捎迷诹芽p的表面粘貼玻璃纖維布等措施。灌漿、嵌縫封堵法灌漿法主要適用于對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補(bǔ)。嵌縫法師裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫鑿槽，在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。結(jié)構(gòu)加固法當(dāng)裂縫影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時(shí)，就要考慮采取加固法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)加固中常用的主要有以下幾種方法：加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積，在構(gòu)建的角部外包鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、增設(shè)支點(diǎn)加固以及噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固?；炷林脫Q法混凝土置換法是處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的一種有效方掛，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。電化學(xué)防護(hù)法電化學(xué)防腐是利用施加電場(chǎng)在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐的目的。陰極防護(hù)法、氯鹽提取法、堿性復(fù)原法是化學(xué)防護(hù)法中常用而有效的三種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)方法受環(huán)境因素的影響較小，適用于鋼筋、混凝土的長(zhǎng)期防錯(cuò)，既可用于已裂結(jié)構(gòu)也可用于新建結(jié)構(gòu)。防治的原則應(yīng)是防重于治，由于混凝土的品種、摻和料及配合比等各不相同，外界環(huán)境介質(zhì)條件的影響也各有差異。要綜合考慮荷載、材料、環(huán)境腐蝕介質(zhì)、齡期等因素對(duì)混凝土耐久性影響。首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境.合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理，出現(xiàn)堿化、凍融破壞及時(shí)采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施，以達(dá)到延長(zhǎng)工程的使用壽命的目的。說(shuō)到混凝土的使用壽命，就不得不提到混凝土耐久性，以及混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在可預(yù)見(jiàn)的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在預(yù)期的使用年限內(nèi)抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其他劣化過(guò)程，而不需要花費(fèi)大量資金維修，也能保持其安全性和適用性的功能。這個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的定義實(shí)際上包含了三個(gè)基本要素：環(huán)境:結(jié)構(gòu)處于某一特定環(huán)境(包括自然環(huán)境、使用環(huán)境)中，并受其侵蝕作用；功能:結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)結(jié)構(gòu)多種功能(安全性、適用性等)與使用時(shí)間相關(guān)聯(lián)的多維函數(shù)；經(jīng)濟(jì):結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程(即設(shè)計(jì)要求的自然物理剩余壽命)中不需要大修。定義中的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用指的是物理或化學(xué)作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境情況、破損機(jī)理、形態(tài)以及國(guó)內(nèi)各行業(yè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，可將混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境分成6大類(lèi):大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、海洋環(huán)境、受環(huán)境水影響的環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)侵蝕環(huán)境以及特殊工作環(huán)境。同時(shí)，結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)的綜合性能，既涉及結(jié)構(gòu)的承載能力、又涉及結(jié)構(gòu)的正常使用以及維修等，反映了結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化，這樣就不可簡(jiǎn)單地把耐久性歸入為承載能力狀態(tài)或正常使用狀態(tài)。而耐久性的經(jīng)濟(jì)性則體現(xiàn)在以較小的維修成本達(dá)到維持混凝土結(jié)構(gòu)基本功能的要求，若業(yè)主要求延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命時(shí)則需適當(dāng)?shù)木S修成本就可達(dá)到其目的?；炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生耐久性失效，是指由于在環(huán)境作用下，混凝土或鋼筋的材料物理、化學(xué)性質(zhì)及幾何尺寸的變化，繼而引起混凝土構(gòu)件外觀變化，不能滿足正常使用的要求，導(dǎo)致承載能力退化,最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。因此,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性失效應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)外觀或表面破損已不能滿足正常使用或美學(xué)要求；鋼筋銹蝕或結(jié)構(gòu)破損已導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降到不能允許的程度；對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步維修在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)不可行。應(yīng)當(dāng)看到，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的失效過(guò)程包含在混凝土結(jié)構(gòu)的建造、使用和老化的結(jié)構(gòu)全生命過(guò)程，以及與結(jié)構(gòu)全生命過(guò)程相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法主要可以分為三類(lèi)：根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果，由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員作出評(píng)估,這就是所謂的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法；隨著基礎(chǔ)科學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，借助于模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段的綜合評(píng)估方法；基于可靠度理論的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估法。目前，學(xué)術(shù)界針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)的研究提出了以下三大類(lèi)主要理論：鋼筋脫鈍壽命理論,這種理論以侵蝕介質(zhì)侵入到鋼筋表面引起鋼筋脫鈍作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的極限狀態(tài)，以此來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命；混凝土開(kāi)裂壽命理論，這種理論以鋼筋銹蝕引起鋼筋表面混凝土出現(xiàn)裂縫作為失效準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命；抗力壽命理論，這種理論將抗力作為時(shí)變隨機(jī)變量,將荷載視為隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程,分析抗力衰減的結(jié)構(gòu)可靠度，通過(guò)可靠度指標(biāo)變化函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命。由于工程實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)中會(huì)遇到大量隨機(jī)的、模糊的以及不完善的信息，而且許多信息是不定性的，難以將其定量化，這種信息不確定性的分析還處于初級(jí)階段，尚無(wú)較為合理的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估模式。因而在實(shí)際工程應(yīng)用中，仍然是以經(jīng)驗(yàn)判斷為基礎(chǔ)，以運(yùn)用層次分析法來(lái)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估為多。目前這些壽命預(yù)測(cè)方法基本停留在單環(huán)境因素作用下混凝土構(gòu)件的評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)，并不能真正實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性全過(guò)程的性能評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)。隨著混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論的深入研究，有學(xué)者在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出了基于全生命周期的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的概念。為了能盡量準(zhǔn)確地對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，完善以下兩方面研究工作至關(guān)重要：結(jié)構(gòu)的使用壽命是材料本質(zhì)特征的反映,必須尋找耐久性指標(biāo)，建立其與混凝土的密實(shí)度、孔結(jié)構(gòu)等表征混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特征參量以及鋼筋銹蝕速度、銹蝕量等之間的關(guān)系。對(duì)已存在耐久性問(wèn)題的在役混凝土結(jié)構(gòu)，須建立混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)根據(jù)不斷積累的監(jiān)測(cè)耐久性指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,建立壽命預(yù)測(cè)模型。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估，主要依據(jù)試驗(yàn)室快速試驗(yàn)獲取的參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)同條件構(gòu)件破損試驗(yàn)結(jié)果，并依賴有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，綜合作出評(píng)價(jià)提出處理意見(jiàn)，同時(shí)間接推測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。由于該評(píng)估方法的數(shù)據(jù)有限、間