混凝土碳化精講課件

1、第二章 混凝土碳化高小建 博士 副教授1）水泥水化反應(yīng)：C3SC2SC3A知 識(shí) 回 顧知 識(shí) 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(dāng)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(yīng)，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(jī)理 混凝土碳化的影響因素 混凝土碳化深度的檢測與預(yù)測方法 混凝土快速碳化試驗(yàn) 部分碳化區(qū)及其對鋼筋銹蝕的影響 碳化對混凝土強(qiáng)度與鋼筋銹蝕的影響 碳化混凝土的再堿化技術(shù)2

2、.1 混凝土碳化機(jī)理Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O(氫氧化鈣)3CaOSiO2 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(kuò)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(kuò)散；溶解在孔隙水中的CO2與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3；同時(shí)，CSH、AFt等水化物也在固液界面發(fā)生碳化反應(yīng)： 液相反應(yīng)，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

3、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(shí)度提高CO2鋼筋表面脫鈍、生銹混凝土中pH值降低9，導(dǎo)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(kuò)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: ) 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(hù)方法與齡期: 保濕養(yǎng)護(hù)齡期越長，混凝

4、土碳化速率越慢。 混凝土強(qiáng)度: 混凝土強(qiáng)度越高，其碳化速度越小；但試驗(yàn)結(jié)果離散較大，主要是由于強(qiáng)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(shí)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(shí)、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(jìn)混凝土碳化速度；相對濕度為 5070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

5、開口孔隙，從而延緩碳化速度。 受力狀態(tài): 壓應(yīng)力不超過0.7fc (fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度)時(shí)，壓應(yīng)力對碳化起延緩作用；壓應(yīng)力超過0.7fc時(shí)會(huì)使碳化速度加快；拉應(yīng)力不超過0.3 ft (ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度)時(shí)，應(yīng)力作用不明顯；當(dāng)拉應(yīng)力超過0.3ft時(shí)，應(yīng)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(hù)方法與齡期早期濕養(yǎng)，延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間混凝土強(qiáng)度提高強(qiáng)度施工質(zhì)量充分振搗，填充密實(shí)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(yīng)力作用各因素對混凝土碳化的影響2.3 混凝

6、土碳化深度檢測與預(yù)測方法 1) 檢測方法 X射線法: 通過X射線衍射儀，直接測量出混凝土中不同深度處水泥石所含氫氧化鈣與碳酸鈣晶體的含量，判斷出混凝土受碳化情況。可同時(shí)測得完全碳化與部分碳化深度，適用于實(shí)驗(yàn)室精確測量。C: 29.4CH: 17.9 化學(xué)試劑法: 利用不同化學(xué)試劑在不同pH值環(huán)境下的顏色變化，測出混凝土碳化深度。常用1%濃度的酚酞酒精溶液，以pH9為界線，已碳化區(qū)呈無色，未碳化區(qū)呈粉紅色。另有一種彩虹指示劑(Rainbow indicator)，根據(jù)反應(yīng)的顏色判別不同的pH值(513)，可測試完全碳化和部分碳化的深度。 理論模型阿列克謝耶夫模型：控制碳化速度的是CO2在混凝土孔

7、隙中的擴(kuò)散過程，基于Fick第一定律及CO2在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散和吸收特征。式中： x一碳化深度；一碳化速度系數(shù)；t一碳化時(shí)間；C0一環(huán)境中CO2的濃度； De一CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)；m0一單位體積混凝土對CO2的吸收量。 該模型形式簡單，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果接近，被大多數(shù)學(xué)者接受引用； 該模型中De與m0兩個(gè)參數(shù)定義較模糊，參數(shù)如何計(jì)算尚未交代清楚; 不適用于較低濕度環(huán)境下混凝土碳化。 2) 混凝土碳化深度預(yù)測模型 理論模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢深悾禾蓟疃扰c碳化時(shí)間的平方根成正比。Papadakis模型: 根據(jù)CO2及各可碳化物質(zhì)Ca(OH)2、CSH、C3S、C2S 在碳化過程中的質(zhì)量平衡條件，建

8、立偏微分方程組求解而得各參數(shù)都有明確的定義和量綱，相關(guān)文獻(xiàn)中給出計(jì)算方法；僅適用于普通硅酸鹽水泥混凝土，對于其它水泥需要修正；在較低濕度環(huán)境下計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。 式中： x一碳化深度；t一碳化時(shí)間； CO20一環(huán)境中CO2的濃度； Dce一CO2擴(kuò)散系數(shù)，(B) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停憾鄥?shù)模型：如中國建筑科學(xué)研究院龔洛書?；炷撂蓟俣认禂?shù)，普通混凝土、輕集料混凝土不同；k1、k2、k3、k4、k5、k6 - 分別表示水泥品種、水泥用量、水灰比、粉煤灰取代量、骨料品種、養(yǎng)護(hù)方法等因素影響系數(shù)?；谒冶鹊慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停喝缟綎|建筑科學(xué)研究院朱安民。1、2、 分別表明混凝土水泥品種、粉煤灰取代量和氣候條

9、件影響系數(shù)?；诳箟簭?qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停喝缰袊ㄖ茖W(xué)研究院邸小壇。1、2、3分別為混凝土養(yǎng)護(hù)條件、水泥品種、環(huán)境條件修正系數(shù)。(C) 基于擴(kuò)散理論與試驗(yàn)的碳化模型：上海同濟(jì)大學(xué)張譽(yù)。C0 x各碳化模型計(jì)算比較某混凝土工程使用已44年，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料：周圍環(huán)境CO2濃度約0.25，平均溫度16.3，相對濕度79%；混凝土強(qiáng)度等級為C15，采用32.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量為400kg/m3，水灰比為0.55；該結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，自然養(yǎng)護(hù)，經(jīng)測試混凝土平均碳化深度值為20.7mm。d)應(yīng)優(yōu)先考慮多系數(shù)碳化模型、抗壓強(qiáng)度模型，其次考慮基于理論與試驗(yàn)的碳化模型及基于水灰比的碳化模型。2.4 混凝土快速碳化

10、試驗(yàn) 通過實(shí)驗(yàn)室快速碳化試驗(yàn)，確定碳化速度方程，以此為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析提供依據(jù)。1) 試驗(yàn)方法：普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法(GB-T50082-2009 )高壓或高濃度快速試驗(yàn)常壓、低濃度快速試驗(yàn) 試件：100100400mm棱柱體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天； 預(yù)處理：溫度60烘干48h，除成型時(shí)兩側(cè)面，其余各面用石蠟密封； 碳化條件：溫度205，相對濕度705%，二氧化碳濃度203%； 碳化深度測試：3、7、14、28d混凝土試件劈裂，用1%濃度的酚酞乙醇溶液噴于斷裂面，每邊測量多點(diǎn)距離，取平均值即為碳化深度值。 混凝土碳化箱混凝土斷裂面噴酚酞溶液2) 主要設(shè)備與測試過程：混凝土試件碳化

11、深度測量3) 快速碳化與自然碳化間關(guān)系：快速碳化與自然碳化的主要區(qū)別在于二氧化碳的濃度不同，由此可得：阿列克謝耶夫模型式中： xz、 xk一分別為混凝土自然碳化、快速碳化深度；tz、tk一分別為混凝土自然碳化、快速碳化時(shí)間；Cz、k一分別為混凝土自然碳化、快速碳化環(huán)境中CO2的濃度。保護(hù)層厚度 / mm202020實(shí)驗(yàn)28d碳化深度 / mm4810碳化到鋼筋表面時(shí)間 / 年12832202.5 部分碳化區(qū)及其對鋼筋銹蝕的影響問題提出：1994年，英國學(xué)者Parrott試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用酚酞試劑測定的碳化深度發(fā)展到距離鋼筋表面一定深度而并未到達(dá)鋼筋表面時(shí)，鋼筋便開始銹蝕，而且隨著碳化深度的增加，鋼

12、筋誘蝕速度加快，直到碳化深度發(fā)展到超過鋼筋位置某個(gè)長度時(shí)，銹蝕速度才穩(wěn)定下來 ？ 鋼筋銹蝕的速度在PH911.5的區(qū)段內(nèi)隨pH值下降而增大，pH值在9以下時(shí)銹蝕速度保持穩(wěn)定不變pH值在11.5以上時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài)；受碳化混凝土試件中，pH值由外到內(nèi)是逐漸升高的，特別是當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)更加明顯。問題答案：混凝土碳化過程中部分碳化區(qū)的存在是鋼筋銹蝕速度隨碳化深度加深而增大的根本原因。 理論上：未碳化混凝土的pH12.5，完全碳化的混凝土pH7，部分碳化區(qū)混凝土7pH12.5。 應(yīng)用上：當(dāng)pH11.5時(shí)鋼筋處于鈍化狀態(tài)，當(dāng)pH9時(shí)銹蝕速度不再受pH值的影響；因此通常認(rèn)為9pH11.5的混凝土處于部

13、分碳化區(qū)。1) 部分碳化區(qū)的界定范圍：碳化混凝土中物質(zhì)分布情況示意圖2) 部分碳化區(qū)形成原因：dRCO2混凝土dVR時(shí)，進(jìn)入混凝土中的CO2很快與最外層混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)，混凝土主要分為碳化區(qū)和未碳化區(qū)兩部分；dVR時(shí)，進(jìn)入混凝土中的CO2不能及時(shí)被最外層混凝土消耗，而進(jìn)入更深層混凝土，從而形成從內(nèi)而外的不同碳化程度，最終形成碳化區(qū)、部分碳化區(qū)、未碳化區(qū)。3) 部分碳化區(qū)長度的主要影響因素：環(huán)境濕度：當(dāng)RH70時(shí)部分碳化區(qū)很短，可忽略不計(jì)；當(dāng)RH 60時(shí)部分碳化區(qū)在整個(gè)碳化區(qū)中已占有一定比例且其長度隨濕度下降而迅速增大，此時(shí)應(yīng)計(jì)及部分碳化的影響。水灰比：相對濕度為50%條件下，混凝土部分碳化區(qū)

14、長度隨水灰比增加而增大。 水泥用量：相對濕度為50%條件下，水泥用量對部分碳化區(qū)長度有一定影響總的趨勢是水泥用量越大部分碳化區(qū)長度就越小 。 CO2濃度 ：CO2濃度對部分碳化區(qū)長度基本無影響。碳化時(shí)間 ：當(dāng)碳化進(jìn)行定時(shí)間，完全碳化區(qū)出現(xiàn)后，碳化時(shí)間對部分碳化區(qū)長度無影響 。4) 部分碳化區(qū)長度的估算： 環(huán)境相對濕度對部分碳化區(qū)長度有決定性的影響； 水灰比和水泥用量對部分碳化區(qū)長度也有一定影響； 部分碳化區(qū)長度基本不受CO2濃度和碳化時(shí)間影響。第一根據(jù)不同相對濕度下混凝土部分碳化區(qū)長度，建立如下關(guān)系式：第二分別根據(jù)水灰比、水泥用量對混凝土部分碳化區(qū)長度的影響，得到以下修正系數(shù)：第三總結(jié)以上三個(gè)

15、公式，可得如下部分碳化區(qū)長度估算公式：2.6 碳化對混凝土性能與鋼筋銹蝕的影響1) 對混凝土強(qiáng)度的影響：混凝土抗壓強(qiáng)度隨碳化時(shí)間與碳化深度增加而增大。20%CO2恒室溫碳化后混凝土抗壓強(qiáng)度混凝土劈拉強(qiáng)度隨碳化時(shí)間的增長而提高，但超過一定時(shí)間后則有所降低？碳化前后混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升和下降段變陡，混凝土脆性變大?；炷量紫堵式档停?jié)B性能提高。2) 對混凝土滲透性的影響：2) 對鋼筋銹蝕的影響：Cl元素分布電子探針圖 (10%CO2)0天56天112天112天 (酚酞)碳化使混凝土中氯離子向未碳化區(qū)遷移和濃縮，加速混凝土中鋼筋脫鈍銹蝕。 3CaO Al2O3 CaCl2

16、10H2O+3CO2 3CaCO3+2Al(OH)3+CaCl2+7H2O (Friedel復(fù)鹽)碳化對混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響1) 混凝土強(qiáng)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，鋼筋銹蝕加劇2.7 碳化混凝土的再堿化技術(shù)電化學(xué)再堿化 (Electrochemical Realkalisation)：通過電化學(xué)方法使已碳化的混凝土pH值恢復(fù)到11.5以上，即使混凝土得到再堿化。1) 基本原理：Na2CO32) 基本條件與參數(shù)范圍(1) 設(shè)備條件 直流電源：電壓為2040V，最高不超過50V； 陽極系統(tǒng)：普通鋼絲網(wǎng)、不銹鋼絲網(wǎng)、鈦金屬網(wǎng)； 電解質(zhì)溶液：堿性溶液，常用Na2CO3。(2)電化學(xué)參數(shù) 電流密度：0.82.0A/m2； 通電時(shí)間：314天。3) 對混凝土性能的影響規(guī)律使已碳