混凝土碳化機(jī)理及處理措施

1、混凝土碳化機(jī)理及處理措施混凝土碳化機(jī)理及處理措施 朱茂根 田芝龍 李建民1 前言混凝土的強(qiáng)度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要指標(biāo)。 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)有詳細(xì)的計(jì) 算和試驗(yàn)方法，達(dá)不到指標(biāo)的即為不合格產(chǎn)品，而對(duì)耐久性，卻沒有嚴(yán)格的衡量參數(shù)，同一 強(qiáng)度指標(biāo)的混凝土其實(shí)際耐久性可能相差很大。 混凝土抗碳化能力是衡量混凝土結(jié)構(gòu)耐久性 非常重要的一個(gè)指標(biāo)。 過去由于在設(shè)計(jì)和施工時(shí)對(duì)混凝土碳化問題重視不夠，導(dǎo)致混凝土抗 碳化能力較低，造成不少建筑物的耐久性差，被迫提前加固。本文通過對(duì)混凝土碳化和鋼筋 去鈍化物理化學(xué)反應(yīng)的分析， 揭示了混凝土碳化對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理和規(guī)律，提出了在設(shè)計(jì)和 施工時(shí)對(duì)混凝土防碳化處理

2、的建議，并提供了一些在除險(xiǎn)加固工程中實(shí)用的防碳化處理方 案。2 混凝土碳化機(jī)理拌和混凝土?xí)r，硅酸鹽水泥的主要成份 CaO水化作用后生成Ca(OH 2,它在水中的溶 解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成為飽和堿性溶液外，大部分以結(jié)晶狀態(tài)存在，成 為孔隙液保持高堿性的儲(chǔ)備，它的 PH值為12.513.5。空氣中的CO2氣體不斷地透過混凝 土中未完全充水的粗毛細(xì)孔道， 氣相擴(kuò)散到混凝土中部分充水的毛細(xì)孔中，與其中的孔隙液 所溶解的Ca(OH)2進(jìn)行中和反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物為 CaCO和 H2O CaCO溶解度低，沉積于毛細(xì) 孔中。該反應(yīng)式為：Ca( OH 2+CO2>CaCO3+H2O反應(yīng)后，毛細(xì)

3、孔周圍水泥石中的羥鈣石補(bǔ)充溶解為 Ca2+和OH-,反向擴(kuò)散到孔隙液中， 與繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的CO2反應(yīng)，一直到孔隙液的PH值降為8.59.0時(shí)，這層混凝土的毛細(xì)孔 中才不再進(jìn)行這種中和反應(yīng)，此時(shí)即所謂“已碳化”。確切地說，碳化應(yīng)稱為碳酸鹽化。另 外，凡是能與Ca(OH 2進(jìn)行中和反應(yīng)的一切酸性氣體，如 SO2 SO3 H2S以至于氣相HCI 等，均能進(jìn)行上述中和反應(yīng)，使混凝土堿度降低，故混凝土碳化應(yīng)廣義地稱為“中性化”。 混凝土表層碳化后，大氣中的CO2繼續(xù)沿混凝土中未完全充水的毛細(xì)孔道向混凝土深處氣相 擴(kuò)散，更深入地進(jìn)行碳化反應(yīng)。碳化后的混凝土質(zhì)地疏松，強(qiáng)度降低3 混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理最初的混

4、凝土孔隙中充滿了飽和 Ca(OH)2溶液，它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學(xué)腐蝕， 該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物，即 Fe2O3和Fe3O4這層覆蓋物稱為鈍化膜, 在高堿性環(huán)境中，即PH> 11.5時(shí)，它可以阻止鋼筋被進(jìn)一步腐蝕。當(dāng)混凝土碳化深度超過保護(hù)層達(dá)到鋼筋表面時(shí)，鋼筋周圍孔隙液的PH值降低到8.59.0，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。2Fe+O2> 2FeOFeO+H2CO3FeCO3+H2O4FeCO3+1OH2O+O0Fe （ OH 3+4H2CO3鋼筋一生銹，體積增大，破壞了混凝土覆蓋層，沿鋼筋產(chǎn)生裂縫。水、空氣進(jìn)入裂縫， 加速了鋼筋的銹蝕。當(dāng)

5、然， 引起混凝土中鋼筋銹蝕的因素不只是混凝土的碳化， 其中氯化物就是一個(gè)非常重 要的影響因素。事實(shí)上，氯化物引起的鋼筋去鈍化一般要比混凝土碳化引起的鋼筋去鈍化要 嚴(yán)重得多。例如同樣是 C45級(jí)混凝土，如果鋼筋去鈍化時(shí)間都是 50年，則在一般的碳化環(huán) 境中，混凝土最小保護(hù)層厚度只要 1cm而在含氯化物的環(huán)境中，就至少要 7cm因此，在 氯化物影響明顯的工程（如海洋工程）中，在考慮混凝土碳化對(duì)鋼筋銹蝕的影響時(shí)更要考慮 到氯化物的影響。4 影響混凝土碳化的因素大氣中結(jié)構(gòu)混凝土的碳化通常是一個(gè)緩慢過程。 碳化速度取決于混凝土滲透性與大氣的 CO2濃度，大體上符合費(fèi)克擴(kuò)散定律。表示混凝土碳化深度與時(shí)間關(guān)

6、系的經(jīng)驗(yàn)公式為：x= =k t0.5式中 x 碳化深度， mm；k碳化系數(shù)，mmS-0.5 ;Dk通過已碳化混凝土的 CO2擴(kuò)散系數(shù)，mm2 S-1 ;C混凝土表面CO2濃度，g mm3 ;b單位體積混凝土碳化所需的 CO2量，g mm3 ;t 碳化時(shí)間， s。k值主要取決于混凝土滲透性和環(huán)境條件。環(huán)境條件包括濕度、溫度和CO2濃度等；混凝土滲透性取決于混凝土成品的密實(shí)性，而密實(shí)性又取決于水泥品種、骨料種類、水灰比， 澆筑養(yǎng)護(hù)質(zhì)量等。4. 1 環(huán)境條件因?yàn)樘蓟且合喾磻?yīng)，十分干燥的混凝土即一直處于相對(duì)濕度低于25%空氣中的混凝土很難碳化；在空氣濕度50%-75%勺大氣中，不密實(shí)的混凝土最容易碳

7、化；但在相對(duì)濕度95% 的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化，這是因?yàn)榛炷梁畷r(shí)透氣性小，碳化慢；C02濃在濕度相同時(shí)，風(fēng)速愈高、溫度愈高，混凝土碳化也愈快；混凝土碳化速度與空氣中 度的平方根成正比。4. 2 水泥品種一般說來(lái)， 普通硅酸鹽水泥要比早強(qiáng)硅酸鹽水泥碳化稍快， 摻混合材的水泥碳化速度更 快，混合材摻量越大，碳化速度越快。摻用優(yōu)質(zhì)減水劑或加氣劑，可以大大改善混凝土的和 易性，減小水灰比， 制成密實(shí)的混凝土， 使碳化減慢。 尤其是加氣減水劑， 由于抗凍性提高， 可以大大改善鋼筋混凝土建筑物的耐久性。4. 3 骨料種類混凝土中的骨料本身一般比較堅(jiān)硬、密實(shí)，總的說來(lái)，天然砂、礫石、碎

8、石比水泥漿的 透氣性小，因此混凝土的碳化主要通過水泥漿體進(jìn)行。但是，在輕混凝土中，由于輕質(zhì)骨料 本身氣泡多，透氣性大，所以能通過骨料使混凝土碳化。一般說來(lái)，輕混凝土比普通混凝土 碳化快，需要摻用加氣劑或減水劑來(lái)減緩它的碳化速度。4. 4 水灰比混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關(guān)系， 混凝土的透氣性越小， 碳化進(jìn)行越慢。 水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實(shí)，透氣性小，因而碳化速度就慢。同理，單位水泥 用量多的混凝土碳化較慢。4. 5 澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量密實(shí)的混凝土表層孔隙很小，易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水，故不易碳化；欠密 實(shí)的混凝土表層中大孔隙內(nèi)無(wú)水，C02可以由氣相擴(kuò)散到充滿水的毛細(xì)

9、孔隙而完成碳化。所 以越是密實(shí)的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個(gè)重要因素。如果混凝土澆筑時(shí)不規(guī) 范，特別是振搗不密實(shí)，以及養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足時(shí)，就會(huì)造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔 道粗大，且大多相互連通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起混凝土再現(xiàn)蜂窩、裂縫等缺陷，使水、空氣、侵蝕 性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐 蝕。5 混凝土碳化處理的工程措施5. 1 碳化處理方法混凝土碳化的程度不同， 部位不同， 處理方法也不同。 對(duì)碳化深度過大， 鋼筋銹蝕明顯、 危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建； 對(duì)碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度，碳化層比較堅(jiān)硬

10、 的，可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松 剝落的，均應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土；對(duì)鋼筋銹蝕嚴(yán)重的，應(yīng)在修補(bǔ) 前除銹，并應(yīng)根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋。使混凝防碳化處理后的結(jié)果要達(dá)到阻止或盡可能減緩?fù)饨缬泻怏w進(jìn)入混凝土內(nèi)侵蝕， 土內(nèi)部和鋼筋一直處在高堿性環(huán)境中。5. 2 幾種實(shí)用的混凝土碳化處理方案5. 2. 1 環(huán)氧厚漿涂料1. 性能特點(diǎn)環(huán)氧厚漿涂料是由環(huán)氧基料、 增韌劑、防銹劑、防銹防滲填料及固化劑等多種成份組成， 適用于混凝土表層封閉。它具有以下一些特點(diǎn)：、穩(wěn)定性好。該涂料在大氣、淡水、海水 及酸堿溶液等介質(zhì)中長(zhǎng)期穩(wěn)定。、物理機(jī)

11、械性能好。該涂料附著力強(qiáng)，涂層堅(jiān)硬耐磨，耐 熱性及電絕緣性好。、密封性能好。該涂料涂刷后能完全密閉受涂物表面，耐水、耐濕。 、保護(hù)周期長(zhǎng)。使用壽命在12年以上。、施工方便。既適合手工涂刷，又適合機(jī)械噴 涂。2. 施工工藝（1 ）表面處理混凝土表面處理是除掉混凝土上的污跡、浮物，一般有手工清理和機(jī)械清理兩種方法。手工清理用鋼絲刷在混凝土上來(lái)回拉刷，直至除掉混凝土表面的污跡，再用水清洗。機(jī)械清理常用噴砂及高壓水、高壓氣沖洗，以不損傷混凝土表層為限。表面處理后，對(duì)于混凝土上顯露出來(lái)的裂縫、蜂窩、麻面等缺陷要先進(jìn)行修補(bǔ)，完全補(bǔ)好后才能進(jìn)行涂裝，這樣才能徹 底保護(hù)混凝土?；炷帘砻嫣幚砗蟠耆稍锖蟛拍?/p>

12、進(jìn)行涂裝。（2）涂料使用要求環(huán)氧厚漿涂料分甲、乙兩組分，使用時(shí)一般按甲、乙組分比7：1混合均勻后使用。配制量要根據(jù)需求適量配制，及時(shí)用完。二次涂裝要在一次涂裝漆膜完全干燥后進(jìn)行。（3）表面涂裝環(huán)氧厚漿涂料的人工涂裝方法與一般涂料相同，機(jī)械噴涂采用高壓無(wú)氣噴涂工藝。（4）用量環(huán)氧厚漿涂料固體組分多，揮發(fā)組分少，一般應(yīng)涂刷34遍，厚度達(dá)到250 左右,用量 0.5 0.6kg/m2。5. 2. 2 硅粉砂漿硅粉砂漿由普遍水泥砂漿摻和硅粉拌制而成，適用于混凝土碳化層鑿除后的重新粉刷。 硅粉砂漿因其優(yōu)越的力學(xué)性能和抗?jié)B性能而尤其適用于船閘、 通航節(jié)制閘閘室岸翼墻墻面的 防碳化處理。根據(jù)試驗(yàn)，其抗沖磨性能比 C60水泥砂漿高1.5倍，其抗壓強(qiáng)度達(dá)120MPa抗拉強(qiáng)度 5.2MPa,粘結(jié)強(qiáng)度3.6MPa, C02濃度為30%勺28d碳化試驗(yàn)的碳化深度為0。硅粉砂漿的施工工藝為：混凝土表面鑿毛、沖洗、刷水泥硅粉凈漿、粉硅粉砂漿，養(yǎng)護(hù)14d。硅粉砂漿粉層厚度一般為 2cm左右。5. 2. 3 混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的縫面處理難于一般方法進(jìn)行防碳化處理。 為阻緩縫內(nèi)混凝土的繼續(xù) 碳化，并能滿足變形縫的變形要求，對(duì)于水上部位的變形縫，可采用華東水利設(shè)計(jì)研究院研 制的SR嵌縫膏進(jìn)行表面封閉；對(duì)水下部位的變形縫，可采用南京水利科學(xué)研究院研制的 SBS 改