混凝土碳化影响因素及碳化防治与处理措施探讨

于王均,张泽文,金清平

（1.湖北交通工程检测中心；2.武汉科技大学）

1 概述

我国的混凝土结构中钢筋混凝土结构占有相当的比例,由钢筋混凝土耐久性引起的结构破坏问题已经非常严重。钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一,而影响钢筋锈蚀的主要原因是由于钢筋保护层的混凝土碳化而引起的。然而迄今为止,这一领域的系统研究进展不大,究其原因是该研究所涉及的学科较广、难度较大。因而研究探讨钢筋混凝土的耐久性,尤其是研究混凝土碳化对提高结构使用性能具有十分重要意义。

2 混凝土碳化影响因素

2.1 原材料的影响

（1）水泥品种

水泥品种不同意味着其中所包含的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别,直接影响着水泥的活性和混凝土的碱性,对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下砂浆的碳化速度大小顺序为,高炉矿渣水泥（BFC）＞普通硅酸盐水泥（OPC）＞早强水泥（HEC）。矿渣水泥混凝土,之所以碳化速度较快,主要是因为矿渣水泥的水化过程存在二次水化反应,导致氢氧化钙含量减少。

（2）集料品种和级配

集料的品种和级配不同,其内部孔隙结构差别很大,直接影响着混凝土的密实性。试验说明,普通混凝土的抗碳化性能最好,在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然轻骨科混凝土的0.56倍。

2.2 设计原因

（1）水灰比对混凝土碳化的影响

水灰比是决定混凝土性能的重要参数,对混凝土碳化速度影响极大。众所周知,水灰比基本上决定了混凝土的孔结构,水灰比越大,混凝土内部的孔隙率就越大。混凝土中的气孔主要有胶孔、气孔和毛细孔。胶孔的半径很小,CO2分子很难自由进出；CO2扩散均在内部的气孔和毛细孔中进行。因此水灰比一定程度上决定了CO2在混凝土中的扩散速度,水灰比越大,孔隙率越高,CO2的扩散越容易,混凝土碳化速度越快。国内外进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化速度的关系。南京水科院通过快速试验,彦承斌通过长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关系,此关系大致呈线性关系；山东建科院在济南、青岛、佛山进行了室外长期暴露试验及快速试验,得到碳化速度与水灰比的关系,并根据济南地区暴露试验给出了碳化速度系数与水灰比的表达式

k=12.1W/C-3.2

式中：W/C为混凝土的水灰比。

（2）水泥用量对混凝土碳化的影响

增加水泥用量,一方面可以改变混凝土的和易性,提高混凝土的密实度；另一方面可以增加混凝土的碱性储备,直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。混凝土吸收二氧化碳的量取决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,Meryer等人通过试验给出了不同水泥用量的碳化深度比值。同济大学也进行了快速碳化试验,得出了碳化与水泥用量指数的倒数成正比。以大量的试验数据为前提,根据最小二乘法可以拟和水泥用量对碳化速度的影响公式

φ=2.582-4.71x

式中：φ为碳化速度；x为单位体积水泥用量,t。

（3）混凝土抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土基本性能指标之一,也是衡量混凝土品质的综合性参数,它与混凝土的水灰比有非常密切的关系,并在—定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度、骨料品种、掺和剂以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。据有关资料表明,混凝土强度越高,抗碳能力越强。

（4）不同应力状态对混凝土碳化的影响

混凝土试件在不同应力状态下其碳化速度有所不同。通过对混凝土施加荷载后进行快速碳化试验研究可以在实际工程中对不同受力构件采取不同的防碳化措施以提高混凝土的耐久性。混凝土施加应力之后对内部的微细裂缝起到了抑制或扩散作用。微细裂缝的存在使CO2容易渗透,引起碳化速度加快。但施加了压应力之后,使混凝土的大量微细裂缝闭合或宽度减小,CO2的渗透速度减慢,从而减弱了混凝土的碳化速度；当然,混凝土中的压应力过大时,也可使混凝土产生微观裂缝,加速碳化过程。相反,施加拉应力后,混凝土的微裂缝扩展,加快了混凝土的碳化速度。

2.3 施工原因

（1）施工质量的影响

施工质量差表现为振捣不密实,养护不善,造成混凝土密实度低,蜂窝麻面多,为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件,加速了混凝土的碳化速度。调查研究发现,施工时混凝土原材料选用不当、混凝土配合比计量不准、振捣不密实、使混凝土表面掉皮及棱角剥落、拆模后不养护或养护不足等问题,直接影响混凝土的成品质量,降低混凝土的抗碳化性能。如果将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级,则相应的碳化速度分别为0.5∶0.7∶1.0∶1.4。

（2）养护对碳化的影响

混凝土养护状况对碳化也有比较大的影响。研究表明,水泥完全水化所需要的用水量仅为水泥用量的22％～27％,但是由于拆模过早、拆模以后未采取防混凝土表面或孔隙水流失措施,或洒水养护不到位,在高温或强风等条件下,使混凝土水分迅速流失。水分的流失,导致水泥水化不充分,水泥石中Ca（OH）2含量偏低,同时使表层混凝土渗透性增大,碳化速度加快。

2.4 自然因素

（1）混凝土碳化与时间关系

混凝土碳化的机理是CO2气体通过混凝土中的裂缝与孔隙扩散至混凝土内部,然后与混凝土中孔隙水形成H2CO3,再与Ca（OH）2反应,硬化水泥浆中的水化硅酸钙也可能与CO2反应,造成混凝土本身pH值降低,破坏钝化膜的过程。假设混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布,混凝土表面二氧化碳浓度为C0,未碳化区浓度为零,单位体积混凝土吸收二氧化碳量为恒定值。在此假设下,混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定律,根据微分方程式中：dm为在dt时间内碳酸透过试块表面的数量；D为CO2的有效扩散系数,与混凝土的浓度,混凝土的密实度以及混凝土的强度有关；F为透过试块的表面积；C0为试块表面的浓度；C为吸收区的浓度；L为混凝土碳化层厚度。

在时间间隔dt内,混凝土吸收的CO2数量等于式中：m0为单位混凝土体积吸收碳酸气的量或结合的体积浓度。

据（1）、（2）式,积分得微分方程的解为

由此可见,碳化深度与时间的平方根成正比。

（2）温度

混凝土碳化与温度有直接关系,随着温度提高,分子运动速加快,CO2在空气中的扩散速度逐渐增大,为其与Ca（OH）2反应提供了有利条件。阳光的直射,加速了其化学反应,碳化速度加快。

（3）相对湿度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca（OH）2进行化学反应,所以非常干燥时,混凝土碳化无法进行,但由于混凝土的碳化本身既是一个释放水的过程,环境相对湿度过大,生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。因此环境湿度太大或太小对混凝土碳化都会产生抑制作用。试验结果表明,相对湿度在50％～70％之间时,混凝土碳化速度最快。

（4）CO2的浓度

混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定律,可以推断出CO2浓度、时间因素对碳化深度的影响公式

可以看出CO2浓度越高,碳化速度越快。

2.5 混凝土深度的理论模型

在基于混凝土碳化机理的基础上,考虑混凝土配合比、环境湿度、温度、CO2浓度及时间因素,通过回归分析建立混凝土的碳化模型如下

式中：L为混凝土碳化深度,mm；RH为环境相对湿度,％,适用范围45％～95％RH；T为环境温度,℃,适用范围,10～60℃；W/C为混凝土水灰比,适用范围0.35～0.74；qc为环境中CO2浓度,％；t为混凝土碳化时间,h。

3 混凝土碳化防治与处理措施

3.1 混凝土的防碳化措施

混凝土防碳化后的结果,就是要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内的目的,使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中,因此可以参考采取如下的防碳化措施。

（1）选用抗碳化能力强的水泥品种。由矿渣水泥32.5形成普通混凝土的碳化速度系数比由普通硅酸盐水泥42.5形成普通混凝土的碳化速度系数提高1.5倍。52.5水泥配制混凝土的抗碳化性能比42.5水泥配制的要好。同标号早强型水泥比普通型水泥的抗碳化性能要好。

（2）在施工条件允许的情况下,尽可能采用较小的水灰比。水灰比是影响混凝土碳化的关键因素。混凝土吸收二氧化碳的量主要取决于水泥用量,当水灰比大于0.65时,其抗碳化能力急剧下降；当水灰比小于0.55时,混凝土抗碳化能力一般可得到保证。

（3）选用能够提高混凝土抗碳化能力的外加剂,如羟基羧酸盐复合性高性能减水剂等。

（4）采用优质粉煤灰和超掺系数。在混凝土中掺入优质粉煤灰,可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式时,只要选择配合比适中,混凝土抗碳化能力一般可得到保证。

（5）采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术。在混凝土中采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术,可以大大增强混凝土密实性,提高混凝土抗碳化能力。

（6）施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板、塑料等材料制成的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固,拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行。

（7）施工中混凝土应用机械震捣,以保护混凝土密实性；混凝土浇筑完毕后,应用草料等加以覆盖,并根据情况及时浇水养护混凝土。

（8）采用涂料防护法。在混凝土表面涂刷环氧涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等,可以阻止环境中二氧化碳气体向混凝土内部孔隙扩散,从而提高混凝土抗碳化能力。

3.2 混凝土碳化处理措施

混凝土的碳化对混凝土的耐久性将产生很大的危害,因此必须及时的采取相应的防碳化措施。

（1）对碳化深度过大,钢筋锈蚀明显,危及结构安全的构件应拆除重建。

（2）对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度,碳化层比较坚硬的,可用优质涂料封闭。

（3）对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的,应凿除碳化层,粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土。

（4）对钢筋锈蚀严重的,应在修补前除锈,并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。

4 结语

混凝土碳化速度的大小,直接影响混凝土构件的耐久性和结构的安全性。要想控制混凝土的碳化速度,就必须从原材料、设计、施工及养护等各个环节着手,尽力控制或减少各影响因素的影响度,才能提高混凝土的耐久性和安全性。

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