混凝土碳化的機理

1、混凝土的碳化及其對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，運用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化對鋼筋蝕的影響。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)濟成本低等方面的顯著優(yōu)勢在土木工程領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。然而在大氣中的CO2、SO2等外部介質(zhì)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會逐漸發(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。根據(jù)煤碳部1996年

2、對部分礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查報告，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20%以上，結(jié)構(gòu)的可靠度大大降低。因此混凝土碳化對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11混凝土碳化的作用機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Ca（OH）2作用，生成CaCO和HO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（GS）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管、孔隙、氣泡等缺陷，具有一定的透氣性。空氣中的CO2首先滲透到混凝土內(nèi)部充滿空氣的孔隙和

3、毛細管中，而后溶解于毛細管中的液相，與水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH2和水化硅酸鈣（CSH等物質(zhì)相互作用，形成CaCQCa（OH2是水泥的主要水化產(chǎn)物之一，對于普通硅酸鹽水泥而言，水化生成的Ca（OH）2可達10%-15%。Ca（OH2一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)生中和反應(yīng)，從而使混凝土碳化。經(jīng)過大量的研究表明，混凝土的碳化過程是CO2氣體由表及里向混凝土內(nèi)部逐漸擴散、反應(yīng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，主要的碳化反應(yīng)方程如下：Ca（OH）2+H2O+CC2CaCO3+2H2O3CaO?2SiS02?3HO2+3CQ3CaCOa?Si

4、O2?3H2O3CaO?2SiSO2HO2+nH2O3CaCO?2SiO2?nH2O3CaO-2SiSO2HO2+nH2O2CaCQ?SiO2?nH2O隨著混凝土碳化過程的進行，混凝土毛細孔中Ca(OH)2的含量會逐漸減少，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：3PH=14+log102X10xCa(OH)2(aq)式中Ca(OH)2(aq)表示混凝土內(nèi)部毛細孔中液態(tài)Ca(OH2的含量?；炷恋奶蓟淖兞嘶炷恋幕瘜W(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，對混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能有著明顯的影響。12混凝土碳化的影響因素從混凝土碳化作用機理的闡述中可知，影響混凝土碳化的最主要因素是混凝土

5、本身的密實性和堿性儲備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca(OH)2堿性物質(zhì)含量的大小?？梢哉f，如果混凝土的孔隙率越小、滲透性越低、密實性越高、Ca(OH)2含量越大，則混凝土的抗碳化性能越好；反之，則越差。影響混凝土密實性及其堿性儲備的因素十分復(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、混凝土強度等級、骨料級配、外加劑等；環(huán)境因素包括環(huán)境相對濕度、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)護條件等。121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，會提高混凝土內(nèi)部毛細孔的含

6、量，滲透性提高，因此CO2氣體在混凝土毛細孔中的擴散速度加快，從而將加快混凝土的碳化速度，使混凝土碳化區(qū)的碳化深度提高。對于普通混凝土，水灰比大小對混凝土碳化的影響可以用下式表述：n=4.15xW/C-1.03式中n水灰比對混凝土碳化影響系數(shù)；W/C混凝土水灰比大小。i-au5*V-HCi圖1為幾種不同水灰比下的混凝土制作成標(biāo)準(zhǔn)試件，進行混凝土快速碳化試驗(快速碳化試驗條件：CO2的濃度為20±5°C,水泥為普通硅酸鹽水泥)，從試驗結(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。水泥品種的影響。礦不渣水泥、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

7、土的碳化速度快。這是因為火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiS2的含量高，水泥水化時，SiO2和CaO發(fā)生反應(yīng)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)過大量實踐可以證明：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。0123圖2為在水灰比相同、CO2氣體濃度相同、空氣相對溫度和溫度相同情況下，種混凝土碳化深度的比較,可見硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度為最小系。Ca(OH123空氣相對濕度的影響。混

8、凝土的碳化與混凝土環(huán)境的相對濕度有著重要關(guān)2與CO2反應(yīng)生成的水要向外擴散，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)部擴散滲透的速度將降低乃至終止，混凝土的碳化反應(yīng)也隨之減慢。在相對濕度接近100%寸，混凝土中的孔隙被水蒸氣的冷凝水所充滿，反應(yīng)產(chǎn)生的水向外擴散和CQ向內(nèi)滲透的速度大幅度降低，碳化將終止。而當(dāng)相對濕度小于25%時，雖然CO2的擴散滲透速度很快，但混凝土毛細孔中沒有足夠的水，空氣中的CO2無法溶解于混凝土毛細管水中，或其溶解量非常有限，使之不能與堿性溶液發(fā)生反應(yīng)，因此碳化反應(yīng)實際上也無法進行

9、。有資料表明，在相對溫度為50%-70%的條件下，最有利于促進混凝土的碳化。這就是為何我國內(nèi)陸地區(qū)較沿海地區(qū)碳化明顯的原因。圖3給出了水灰為0.65，濃度為50%，碳化時間為5天，在不同濕度環(huán)境下，混凝土的碳化深度?？諝庵蠧O2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算：Z)=i式中D混凝土碳化深度；KCO2擴散系數(shù)；C混凝土表面CO2的濃度;t混凝土碳化持續(xù)時間;m單位體積混凝土所吸收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），則在一定使用期內(nèi)混凝土碳化速度越快，碳化深度（D）越大。混凝土強度等級的影響?；炷翉姸鹊燃壴礁?，

10、混凝土則越密實，CO2的擴散速度則降低，從而使混凝土的碳化速度隨之降低，混凝土的抗碳化能力得到提高?；炷翉姸鹊燃壌笮∨c混凝土碳化速度之間的關(guān)系，可以用下式表述：K=210/5-3.3式中K混凝土碳化速度系數(shù)；fcu混凝土的立方體抗壓強度混凝土振搗、養(yǎng)護的影響。混凝土在施工操作過程中如振搗和養(yǎng)護良好，則混凝土硬化后密實度較高，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，則可加快混凝土的碳化。2混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響鋼筋腐蝕的作用機理根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機理，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，對于鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋腐蝕主要

11、是電化學(xué)腐蝕。鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕必須具備兩個條件：2.1.1 陽極部位的鋼筋表面處于活性狀態(tài)，可以自由地釋放電子，在陰極部位鋼筋表面存在足夠的水和氧氣。在潮濕的環(huán)境下，鋼筋表面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，同時含有碳、硅、錳等合金元素和雜質(zhì)，這樣不同元素處在相同或不同介質(zhì)中，其電極電位也不同，其間必然存在著電位差，因此，在潮濕的環(huán)境下鋼筋表面的鈍化膜受到破壞時，就可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)過程如下：陽極反應(yīng)：陽極區(qū)鐵原子離開晶格轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫖皆樱⑨尫烹娮愚D(zhuǎn)變?yōu)殛栯x子。2+Fe-2eFe電子傳送過程：陽極區(qū)釋放的電子能冠軍鋼筋向陰極區(qū)傳送。陰極反應(yīng)：陰極區(qū)由周

12、圍環(huán)境通過混凝土孔隙吸附、擴散、滲透作用進來并溶解于孔隙水中的O2吸收陽極區(qū)傳來的電子，發(fā)生還原反應(yīng)。2H2O+O2+4ef4（OH綜合反應(yīng)：陽極區(qū)生成Fe2+與陰極區(qū)生成的OH-反應(yīng)，生成Fe（OH）2。在高氧條件下，F(xiàn)e(OH)2進一步氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镕e(OH)3，F(xiàn)e(OH)3脫水后變?yōu)槭杷啥嗫椎募t銹Fe2O3：在少氧條件下，F(xiàn)e(OH)2氧化不完全部分形成黑銹Fe3O4。Fe2+2(OH)-fFe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2Of4Fe(OH)32Fe(OH)3fFe2O3+3H2O6Fe(OH)2+O2f2Fe3O4+6H2O通過對上述反應(yīng)過程進行分析，可知：鋼筋腐蝕過程實質(zhì)上

13、就是活性狀態(tài)的鐵轉(zhuǎn)化為鐵離子的過程。2.2混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響眾所周知，混凝土對鋼筋具有一定的保護作用，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?；炷林詫︿摻罹哂斜Ｗo作用，是因為水泥水化過程中可產(chǎn)生一定量的Ca(OH)2(對于普通硅酸鹽水泥，Ca(OH)2含量可達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12?13，在這樣的高堿性環(huán)境中，會在鋼筋表面形成一層化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的鈍化膜層不滲透的牢固地粘附于鋼筋表面上的氧化物。鈍化膜的存在，不僅使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，而且還將鋼筋與水介質(zhì)隔離，水和氧氣無法滲透

14、過去，因此電化學(xué)腐蝕無法進行，從而使鋼筋免受腐蝕。在理想的情況下，混凝土中的PH值為12.5?13，此時鋼筋處于鈍化狀態(tài)，只要保持這個條件，鋼筋就不會腐蝕，這正是一些鋼筋混凝土建筑物能夠耐久的重要原因。經(jīng)過大量的研究與實踐表明，混凝土中鋼筋表面鈍化膜的穩(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，鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的，鋼筋表面不可能有鈍化膜存在，完全處于活化狀態(tài)，即對鋼筋沒有保護作用；當(dāng)混凝土PH值處在9.88?11.5之間時，鋼筋表面的鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài)，會逐漸溶解、破裂，鋼筋表面可能發(fā)生銹蝕，即不能完全保護鋼筋免受腐蝕；只有當(dāng)混凝土PH值11.5時，鋼筋才能完全處于鈍

15、化狀態(tài)。當(dāng)鋼筋表面的氧化物鈍化膜被破壞時，在存在氧氣和水化的情況下，鋼筋就會被造成腐蝕而破壞。能夠使混凝土中的鋼筋表面鈍化膜破壞的因素內(nèi)在和外在兩個因素。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，使鋼筋表面的鈍化膜處于不穩(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鋼筋的能力，如混凝土碳化?；炷撂蓟瘜嵸|(zhì)就是大氣中的CO2、SO2等酸性介質(zhì)，滲入混凝土內(nèi)部與Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，中和反應(yīng)的結(jié)果是降低了混凝土的堿度和含堿的數(shù)量?；炷翂A性降低的直接后果是使鋼筋表面的鈍化膜失去穩(wěn)定性或破壞，混凝土就不能保護鋼筋免受腐蝕。混凝土碳化后，完全碳化區(qū)的PH值由13左右降至9以下，此時鋼筋必然會受到電化學(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一。2.3鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響鐵銹的生成造成鋼筋截面減小，構(gòu)件承載力降低；2.3.1 鐵銹體積膨脹（體積一般要增長2?4倍），使混凝土保護層脹裂甚至脫落，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用；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)同工作能力降低，甚至造成整個構(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，不僅是保護鋼筋免遭腐蝕的前提條件，而且還是維持混凝土