混凝土碳化深度與處理措施

1、目錄 一、 碳化作用機理 . 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重要因素。 本文對商品混凝土碳 化的影響因素及其預(yù)防措施進行了總結(jié)。 從商品混凝土本身的密實度和堿性大小 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、加強養(yǎng)護和增加保護層厚度可以提高商品混凝土的抗碳化能 力。 一、 碳化作用機理 空氣中CO溶透到商品混凝土內(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程稱為

2、商品混凝土碳化， 也可稱為中性化，其化學(xué)反 應(yīng)為： Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O 水泥在水化過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 C a(OH)2溶液，其堿性介質(zhì)對鋼筋有良好的保護作用,使鋼筋表面生成難溶的 Fe 2O3和Fe3O4稱為鈍化膜。 碳化本身對商品混凝土沒有破壞作用， 其主要危害是由丁碳化會降低商品混 凝土的堿度。當(dāng)碳化超過商品混凝土的保護層時，在水與空氣同時存在的條件下， 鋼筋開始生銹。鋼筋銹蝕產(chǎn)生的體積膨脹將導(dǎo)致鋼筋長度方向出現(xiàn)縱向裂縫， 并 使保護層脫落，進而使得構(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、

3、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的密實度和堿性大小， 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、骨料品種與級配、 商品混凝土表面覆蓋層等等,主要通過影響商品混凝土的堿度和密實性來影響商 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

4、孔。膠孔的半徑很小， CO2子 很難自由進出；CO散均在內(nèi)部的氣孔和毛細孔中進行。因此水灰比一定程度 上決定了 CO圳混凝土中的擴散速度，水灰比越大，孔隙率越高， CO2的擴散越 容易，混凝土碳化速度越快。另外，水灰比大會使商品混凝土孔隙中的游離水增 多，一定程度上也有利丁碳化反應(yīng)。研究結(jié)果表明：當(dāng)水灰比大丁 0.65時，碳 化深度會急劇加大。國內(nèi)外進行了大量的快速碳化試驗和長期暴露試驗來研究水 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，暴露試驗給出了 碳化速度系數(shù)與水灰比的表達式： k=12.1w/c-3.2 式中,w/c 一混凝土的水灰比。 2.1.2水泥品種與用量的影響 水

5、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 同的試驗條件下，不同水泥配置的商品混凝土的碳化速度大小順序為： 硅酸鹽水 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10 20%室外暴露的情況下高達50恕上；早強水泥與同強度其它水 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，提高混凝土的密實度；另一方面可以增加混凝土 的堿性儲備，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 丁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

6、驗數(shù)據(jù)為前提，根據(jù)最小二乘法可以擬和水泥用量對碳化速度的影響公式： 。=2.582-4.71x 其中，4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

7、微細氣泡。初期引氣劑能夠使商品混凝土中的毛細孔形成封閉的氣孔， 切斷毛 細管通道，可以在一定程度上抑制商品混凝土的碳化。 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 CO2T散的通道。 2.1.5骨料的影響 骨料的粒徑大小對骨料-水泥漿粘結(jié)由很大的影響，而骨料-水泥漿的界面有 一個過渡層，過渡層的結(jié)構(gòu)較為疏松、孔隙較多。因此，不同骨料對骨料 -水泥 漿的過渡層由影響，也會影響 CO2的擴散，進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商品混凝土的碳化有著不同程度的影響。 氣密性覆蓋使CO瞻入商品混凝土的數(shù)量減少，可以提高商品混

8、凝土的抗碳化能 力。增加覆蓋層厚度和提高覆蓋層的密實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)境兩個方面。其中，自然環(huán)境包括環(huán)境相對 濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境應(yīng)力及CO舔度等；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)境因素主要通過影響CO2的擴散速度及碳化反應(yīng)速率來影 響商品混凝土碳化速度。 2.2.1混凝土碳化與時間關(guān)系 混凝土碳化的機理是COh體通過混凝土中的裂縫與孔隙擴散至混凝土內(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CO哌應(yīng)，造成混凝土本身PH值降低，破壞鈍化膜的過程。 假設(shè)混

9、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包定值。在此假設(shè)下，混凝土 碳化過程遵循Fick第一擴散定律，根據(jù)微分程： 允(1) L 式中,dm一在dt時間內(nèi)碳酸透過試塊表面的數(shù)量； ACO2的有效擴散系數(shù)，與混凝土的濃度，混凝土的密實度以及混凝土的強 度有關(guān)； F透過試塊的表面積； Co-試塊表面的濃度； C一吸收區(qū)的濃度； L一混凝土碳化層厚度。 在時間間隔dt內(nèi)，混凝土吸收的CO徼量等丁： dm=mFdL (2) 式 中, mo一 單 位 混 凝 土 體 積 吸 收 碳 酸 氣 的 量 或 結(jié) 合 的 體 積 濃 度 。

10、 據(jù)(1)、(2)式，積分得微分方程的解： 由此可見，碳化深度與時間的平方根成正比。 2.2.2 CO2的濃度 根據(jù)菲克第一擴散定律可知，CO2的濃度梯度越大,其向商品混凝土內(nèi)部擴 散的動力也就越大，越容易向商品混凝土孔隙中擴散。另外， CO2勺濃度越大， 碳化的反應(yīng)速率就越大。 2.2.2相對濕度 CO2容丁水后形成H2CO防能和Ca(OH)2進行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干燥時，混 凝土碳化無法進行，但由丁混凝土的碳化本身既是一個釋放水的過程 ，環(huán)境相對 濕度過大,生成的水無法釋放也會抑制碳化進一步進行。因此環(huán)境濕度太大或太 小對混凝土碳化都會產(chǎn)生抑制作用。 試驗結(jié)果表明，相對濕度在50吩70彖問

11、時, 混凝土碳化速度最快。 2.2.3溫度 對丁一般的化學(xué)反應(yīng)而言，溫度每升高 10C,反應(yīng)速率加快2 3倍。隨著 溫度的升高,CO2&商品混凝土的擴散速度加快，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，養(yǎng)護不善，造成混凝土密實度低，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)，施工時混凝土原材料選用不當(dāng)、混凝土配合比計量不準、振搗不密實、 使混凝土表面掉皮及棱角剝落、拆模后不養(yǎng)護或養(yǎng)護不足等問題，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、

12、差四個等級，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)護對碳化的影響 混凝土養(yǎng)護狀況對碳化也有比較大的影響。研究表明，水泥完全水化所血女 的用水量僅為水泥用量的22%-27%但是由丁拆模過早、拆模以后未采取防混凝 土表面或孔隙水流失措施，或灑水養(yǎng)護不到位，在高溫或強風(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 在基丁混凝土碳化機理的基礎(chǔ)上，考慮混凝土配合比、環(huán)境濕度、溫度、 CO 濃度及時間因素，通過回歸分析建立混凝土的碳化模型如下 : 式

13、中： L. - 混凝土碳化深度，mm R -一環(huán)境相對濕度，,適用范圍45吩95%RH T 環(huán)境溫度，C，適用范圍，10 C 60C； w/c混凝土水灰比，適用范圍0.35 0.74 ; qc環(huán)境中CO淤度，%; t混凝土碳化時間，h0 三、商品混凝土碳化的預(yù)防措施 商品混凝土的密實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、加強養(yǎng)護、配合比設(shè)計和增加保護層厚度。 (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；對丁水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區(qū)選用抗硫酸鹽普通 水泥；沖刷部位宜選高強度水泥。 (2) 在施工條件允許的情況下，盡

14、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丁水泥用量。 當(dāng)水灰 比大丁 0.65時，其抗碳化能力急劇下降；當(dāng)水灰比小丁 0.55時，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：羥基埃酸鹽復(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，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 增強混凝土密實性，提高混凝土抗碳化能力。 (5) 增加保護層厚度，可以改善構(gòu)件的受力鋼筋

15、粘結(jié)錨固性能、耐久性和防火 性能越好。但是，過大的保護層厚度會使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過大， 就會 影響其使用性能。保護層厚度的設(shè)計應(yīng)符合商品混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。 LR, 10292() 45 10 (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。模板固定時要牢固，拆模應(yīng)在混凝土達 到一定強度后方可進行。 (7) 施工中混凝土應(yīng)用機械震搗，以保護混凝土密實性；混凝土澆注完畢后 ， 應(yīng)用薄膜等加以覆蓋，并根據(jù)情況及時澆水養(yǎng)護混凝土。 (8) 采用涂料防護法。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)境中二氧化碳氣體向混凝土內(nèi)部孔隙擴散， 從 而提高混凝土抗碳化能力。 四、混凝土碳化處