浅述混凝土碳化影响因素_论文发表__墨水学术,论文发表,发表论文,

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:227

副标题#e#
　　浅述混凝土碳化影响因素
　　樊爱民
　　桂林市吉安基础工程有限公司广西桂林541002
　　[摘要]混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的不可忽视的问题。由于今年来温室气体的大量排放、工程中水泥使用的变化、混凝土配合比的变化，使得混凝土碳化速度不断加快，因此研究混凝土的混凝土碳化影响因素为防止混凝土碳化作准备亟有必要。本文介绍混凝土碳化的概念、碳化机理以及碳化影响因素。
　　[关键词]混凝土碳化碳化机理影响因素内在因素外在因素
　　1.前言
　　碳化是指空气中的C02与混凝土中的Ca(OH)2生成CaCO3和水的过程。随着各国工业的发展，近几年温室气体大量排放，大气环境中二氧化碳浓度不断增长，大量处于暴露环境中的混凝土结构面临的碳化问题越来越严重；而且近几年取消了P.O32.5水泥以后大量使用P.C32.5水泥生产混凝土，导致了混凝土碳化速度加快；随着混凝土生产工艺的不断发展，混凝土中水泥用量不断减少，矿渣、粉煤灰掺量不断增加，混凝土碳化速度也在不断加快[1]。在地下混凝土结构中，人员的密集、空气的不流通、将会使环境中二氧化碳的浓度更高，相关调查和研究表明，45%左右的地下结构病害是由地下空间中腐蚀性大气环境导致结构中钢筋锈胀破坏引起的，而这些破坏又大多由混凝土碳化引起[2]。因此研究混凝土的混凝土碳化影响因素为防治混凝土碳化作准备亟有必要。
　　2.碳化机理分析
　　硅酸盐类水泥的水化反应，主要生成水化硅酸钙凝胶和Ca(0H)2，Ca(OH)2除少数溶于孔隙液中使之成为饱和碱溶液外，大部分以结晶的形式存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，PH值为12.5～13.5，埋置于混凝土中的钢筋一般不锈蚀，根本原因就在于这种高碱性的混凝土使钢筋表面生成一层致密的钝化膜（成分是Fe203和Fe3O4），阻止阳极铁的溶解，保护钢筋不被锈蚀。
　　大气中的二氧化碳首先扩散到混凝土内部的孔隙中，同时固态氢氧化钙在孔隙水中溶解并向其浓度低的区域扩散。溶解在孔隙溶液中的二氧化碳形成H2C03，与水化硅酸钙和Ca(0H)2等水化产物相互作用，生成碳酸钙等产物。碳酸钙属非溶解性钙盐，比原反应物的体积膨胀约17%，因此，混凝土的凝胶孔隙和部分毛细孔隙将被碳化产物堵塞，使混凝土的密实度和强度有所提高，一定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝土内部的扩散。另一方面当混凝土碱性降低到PH值为8.5～9.O时，钢筋表面的钝化膜遭到破坏，混凝土失去对钢筋的保护作用，混凝土中钢筋锈蚀，锈蚀产生的体积比原来膨胀2~4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内，从而又加速了碳化和钢筋的锈蚀。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。对素混凝土来说，混凝土碳化有增加混凝土强度和减少渗透性的作用，这可能是因为碳化放出的水分促进水泥的水化及碳酸钙沉淀减少了水泥石的孔隙之故；对钢筋混凝土来说，混凝土碳化后，其碱性降低，加快钢筋腐蚀。因此碳化是衡量钢筋混凝土结构物耐久性可靠度的一个重要指标。
　　3.混凝土碳化影响因素
　　由上可知，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境温度、湿度等因素影响，所以混凝土碳化影响因素有内在因素，也有外界因素。
　　3.1内在因素
　　3.1.1水泥的品种、标号、用量
　　不同的水泥品种和标号，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，导致水泥水化时，氢氧化钙析出量不同。氢氧化钙含量影响着碳化速度的快慢，普通硅酸盐水泥析出的氢氧化钙比矿渣水泥、火山灰水泥多，所以其抗碳化性能优于矿渣水泥、火山#p#副标题#e#灰水泥，同理高标号水泥优于低标号水泥。增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。
　　3.1.2水灰比
　　一方面从碳化的定义我们可以看出如果水泥用量多的话，混凝土中的Ca(OH)2就多，碱性就越强，越不容易碳化。另一方面混凝土的碳化速度与它的渗透性有很密切的关系，混凝土的渗透性越小，碳化进行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实，透气性小，因而碳化速度就慢。而在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。
　　3.1.3混凝土中的骨料种类骨料品种和级配
　　骨料的品种和颗粒级配影响混凝土密实性，从而影响到碳化速度。粗骨料粒径越大，越容易造成离析、泌水，影响稳定性，增加渗透性，降低密实度。材质致密坚实，级配较好的骨料的混凝土，其碳化的速度较慢。混凝土中的骨料本身一般比较坚硬、密实，总的说来，天然砂、砾石、碎石比水泥浆的渗透性小，因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是，在轻混凝土中，由于轻质骨料本身气泡多，渗透性大，所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来，轻混凝土比普通混凝土碳化快，需要掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化速度。
　　3.1.4矿物掺合料的品种和数量
　　矿物掺合料对混凝土抗碳化性能的影响有正面作用与负面作用两种[3]：①正面作用：矿物掺合料可以减小混凝土中总的孔隙率及细化孔隙，使CO2难以侵入混凝土内部发生碳化反应；②负面作用：矿物掺合料掺入后，其火山灰效应，能与水泥水化后的Ca（OH）2发生二次反应，使混凝土的碱度降低，从而使混凝土抗碳化能力减弱。因此，矿物掺合料应用于混凝土后，对混凝土的抗碳化性能的影响主要取决于正面作用与负面作用各自作用效果的大小。陈金平[4]在对大掺量粉煤灰高性能混凝土碳化性能进行了研究，得出：粉煤灰混凝土的抗碳化能力随粉煤灰掺量的增加而减弱，并且低于基准混凝土抗碳化能力，粉煤灰掺量小于20%时对抗碳化性能影响不大；长期养护的大掺量粉煤灰混凝土，抗碳化能力有很大提高，粉煤灰掺量越大，提高越明显。
　　3.1.5混凝土外加剂
　　外加剂（减水剂、引气剂）一般均能提高抗渗性，减弱碳化速度，掺用优质减水剂或加气剂，可以大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，使碳化减慢。尤其是加气减水剂，由于抗冻性提高，可以大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀，应严格控制其用量。
　　3.1.6浇筑与养护质量
　　密实的混凝土表层孔隙很小，易从潮湿的空气中吸取水分而充满水，故不易碳化；欠密实的混凝土表层中大孔隙内无水，CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规范，特别是振捣不密实，以及养护方法不当、养护时间不足时，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，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。混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。
　　3.1.7保护层厚度
　　混凝土保护层厚度对混凝土碳化有一定的延缓作用，气密性高的保护层能够减少CO2的渗透量，延长CO2抵达钢筋表面的时间，延缓混凝土结构的碳化破坏，从而提高使用寿命，这是保护钢筋最为常用的一种方法。
　　3.2外部因素
　　3.2.1环境相对湿度和CO2浓度
　　因为碳化#p#副标题#e#是液相反应，非常干燥和非常潮湿的时候，混凝土都不易碳化。十分干燥的混凝土即一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土，则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用不易进行；在相对湿度95%的潮湿空气中或在水中的混凝土难以碳化，这是因为混凝土含水时透气性小，碳化慢；在空气湿度为50%～75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；在湿度相同时，风速愈高、温度愈高，混凝土碳化也愈快。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。
　　3.2.2温度和光照
　　环境的温度对混凝土的碳化速度具有重要影响，二者近似呈正比关系[5]。在10ºC~60ºC的环境温度范围内，随着环境温度的升高，二氧化碳在空气中的扩散系数增大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，混凝土的碳化速度明显增大；反之，随着环境温度的下降，混凝土的碳化速度明显降低。但是当混凝土温度骤降时，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。
　　3.2.3冻融和渗漏
　　在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。冻融次数越多，碳化后CaCO3含量越多；相应地，得到的碳化深度也明显增大。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度造成钢筋锈蚀。
　　3.2.4荷载作用
　　混凝土碳化深度随荷载的增加而增大，即施加荷载后，混凝土的抗碳化能力显著劣化。混凝土试件在不同应力状态下其碳化速度有所不同。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，也可使是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。另外，碳化速度随时间的增长也越来越慢。碳化速率随拉应力水平的增大而增大，随压应力水平的增大而减小，但相比之下，拉应力水平对碳化速率的影响更大。
　　4.结论
　　根据以上分析，影响混凝土碳化的因素很多，问题比较复杂。主要包括混凝土自身方面和混凝土结构所处的外部环境，即内在因素和外在因素。目前控制混凝土碳化的主要措施是科学地控制水灰比和水泥用量，提高施工质量。我们应该严格按照规范进行设计、严把施工质量关、加强工程运行中的科学管理，发现碳化及时采取防范保护措施，以达到或延长工程使用寿命的目的。
　　参考文献
　　[1]尹海朋,关军,王践诺.近年来混凝土碳化较快原因分析[J].商品混凝土,2009(8):62-63.
　　[2]李永和.地下钢筋混凝土与锚喷结构碳化断裂损伤及其耐久性研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,1999.
　　[3]彭波,杨文,王军等.大掺量矿物掺合料对预拌混凝土碳化的影响[J].混凝土,2009(5)：108-110.
　　[4]陈金平,大掺量粉煤灰高性能混凝土碳化性能研究[J].施工技术,2010,39(4):87-89.
　　[5]徐道富,环境气候条件下混凝土碳化速度研究[J].西部探矿工程,2005(11):210-211.