混凝土结构碳化深度的控制

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摘要: 根据混凝土结构碳化的破坏机理, 混凝土结构碳化深度影响因素进行了详细的分析, 通过这些因素的分析, 提出一些确实可靠的控制措施,从而促进混凝土耐久性的研究。

关键词: 混凝土结构；碳化深度；影响因素；控制对策

中图分类号： TV331 文献标识码： A 文章编号：

引言：混凝土中性化破坏普遍存在于桥梁、码头、水利工程和工业厂房等钢筋混凝土结构中。所谓混凝土结构碳化是指大气中的CO2或其他酸性介质不断向混凝土内部扩散,并与其中的碱性水化物Ca(OH)2发生化学反应的过程。

1、混凝土碳化破坏机理

水泥在水化过程中生成大量Ca（OH2）这种碱性物质充满混凝土空隙，在钢筋表面形成纯化膜，保护钢筋不易被氧化。但由于空气中CO2渗透到混凝土空隙内，与Ca2+、Mg2+中和生成碳酸盐和水，降低了混凝土的碱度，致使混凝土碳化（又称中性化）。当碳化超过混凝土的保护层时，混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋氧化生锈，继而形成沿钢筋的裂缝，出现保护层崩落、尧露筋等现象。

2、混凝土结构碳化深度影响因素

2.1 材料因素对混凝土碳化的影响

材料因素主要包括水泥品种、水泥用量、水灰比、骨料品种及级配、掺合料、外加剂以及混凝土表面覆盖层等。

2.1.1 水泥品种不同，意味着其包含的熟料的化学成分和矿物成分不同，水泥用量决定了单位体积混凝土中水泥熟料的含量，进而决定了水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质的含量。因此，这两者是影响混凝土碳化速度的主要因素。

2.1.2 水灰比是影响混凝土性能的重要因素，不仅影响混凝土的强度和工作性，更决定了混凝土的孔结构与孔隙率。水灰比越大，混凝土水化时的自由水和蒸发水越多，增加了混凝土的孔隙率，使CO2的扩散有更多的通道，从而加速混凝土碳化。水灰比小，混凝土比较密实，CO2的扩散阻力增加，碳化速度减缓。因此水灰比是决定CO2有效扩散系数和混凝土碳化速度的主要因素。

2.1.3 骨料的品种和粒径对骨料水泥砂浆界面过渡区的密实度和孔隙率有重要影响，从而影响CO2在混凝土内部的扩散。粗骨料粒径越大，越容易造成离析、泌水，影响稳定性，降低密实度。轻骨料本身的透气性就很大，所以轻骨料混凝土的抗碳化能力弱于普通骨料。在混凝土强度相同的情况下，普通混凝土的碳化速度约为轻砂天然轻骨料混凝土的0.56倍。

2.1.4 在普通水泥混凝土中加入矿物掺合料(如粉煤灰)后，水泥中熟料量相应地减少，造成混凝土吸收CO2的能力下降；同时，由于粉煤灰混凝土的早期强度低，孔结构差，加速了CO2的扩散速度，从而使碳化速度加快。研究表明,当煤灰掺量为10%、20%、30%时的混凝土碳化速度与不掺粉煤灰的混凝土相比,其碳化速度比值分别为1.06、1.13、1.9,当粉煤灰掺量小于10％时，可不考虑粉煤灰的影响；当粉煤灰掺量超过20％时，则必须考虑粉煤灰对碳化的影响，并应控制粉煤灰掺量(不超过30％)。

2.1.5 不同外加剂对混凝土的抗碳化性能是不同的。一般混凝土外加剂都兼有减水和引气的作用，减水可以降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力，而引气作用会增加混凝土的孔隙量，且形成的孔隙一般都大于1000，从而加剧了的扩散，导致混凝土碳化速度加快。因此，对外加剂对混凝土抗碳化性能的影响要综合分析。

2.2 环境因素对混凝土碳化的影响

环境因素主要包括环境中CO2浓度、环境湿度及环境温度等。

2.2.1 环境中CO2浓度是决定碳化速度的主要环境因素之一。CO2浓度越大，混凝土内外CO2的浓度梯度就越大，CO2越易于扩散进入孔隙(化学反应速度加快)，碳化速度越大。因此，加速碳化试验就是基于这个机理。

2.2.2 环境相对湿度对混凝土碳化速度的影响比较大。当湿度较小时，混凝土较干燥，含水率较低，尽管CO2扩散速度较快，但碳化反应所需要的水分不足，碳化反而较快；当环境湿度过高时，混凝土含水率高，阻碍了CO2中混凝土中的扩散，碳化速度也较慢。

2.3 施工因素对混凝土碳化的影响

施工因素主要是指混凝土搅拌、振捣和养护等过程。混凝土的浇筑与养护质量是影响混凝土密实性和强度的重要因素,如果施工不规范,如施工过程中振捣不密实、养护方法不当、养护时间不足,就会造成混凝土内部毛细孔道粗大,甚至引起混凝土蜂窝、裂缝等缺陷,增加混凝土的渗透性，使水、CO2沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部,从而加速混凝土的碳化和钢筋的腐蚀。日本学者白山将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级，其相应的碳化速度比为0.5:0.7:1.0:1.4。

2.4 应力状态对混凝土碳化的影响

试验研究表明，混凝土结构的不同应力状态会改变混凝土内部细微裂缝的状态，使碳化速度有所不同。压应力促使混凝土内部微细裂缝闭合，增加CO2入渗阻力，降低碳化速度。但过大的应力也会使细微裂缝增多并扩展，连通，进而加速混凝土的碳化。拉应力会使混凝土内部细微裂缝增多、扩展，形成有利于CO2扩散路径，加速碳化。

混凝土的碳化的影响因素很多，而且各因素之间也会相互作用。除了上述因素之外，太阳辐射、地下水环境等也会影响到混凝土的碳化速度。

3、混凝土结构碳化控制对策

3.1 新建建筑物的对策

3.1.1 混凝土材料与配比的选择，选择合适的水泥品种, 粗细适当、级配良好的抗酸性骨料。适当加入外加剂及添加剂, 增加混凝土的密实程度, 提高强度。选择合适的配合比, 控制拌和加水量。

3.1.2 精心的施工和养生，选择气候条件适宜的时间对要求较高的部位进行施工, 在恶劣条件下不施工或必须采用相应的防护措施; 混凝土浇筑成型时要充分捣实, 不要产生蜂窝、麻面; 要充分进行湿养生。

3.1.3 确保钢筋保护层厚度，考虑到配筋设计时保护层厚度的离散性, 必须有保护层最小值的限制。施工时, 钢筋加工, 绑扎的精度以及安装模板的精度要充分注意, 尽可能使保护层厚度的离散性小一些。

3.1.4 在混凝土表面涂上保护层, 使内部混凝土与外部的大气隔绝, 可有效地防止或减缓碳化进程, 如涂刷水玻璃。硬化后的水玻璃, 除填充混凝土孔隙外, 还可在结构表面形成致密的保护层; 涂环氧) 呋喃树脂有机材料、油漆、沥青材料等, 都可保护混凝土, 减缓其碳化进程。5) 使用对碳化抑制效果大的饰面材料, 即透气性小的饰面材料, 但必须要注意饰面材料本身的耐久性。6) 整个建筑物达到目标的使用年数时, 要建立保全计划, 并在日常管理中实施。

3.2 碳化进行过程中的措施

3.2.1 在混凝土受碳化进行过程中, 尚未达到钢筋腐蚀时, 抑制碳化作用是采用透气性小的饰面材料, 重新饰面。

3.2.2 碳化深度已达到钢筋位置, 钢筋已开始锈蚀, 其对策应为抑制钢筋腐蚀。如保护层尚未开裂, 需使用透气性、透水性小的饰面材料, 重新施工。如保护层已开裂, 则需要将开裂部分剔除, 对钢筋表面进行处理, 如喷涂环氧树脂等, 然后抹上水泥砂浆, 使用透水性、透气性小的材料做饰面。

结束语

碳化是混凝土结构普遍存在的病害之一, 是引起钢筋混凝土钢筋锈蚀的原因之一。因此, 必须引起人们对碳化造成混凝土开裂的重视。对中性化造成混凝土结构的开裂破坏, 控制是最主要的。只要选用材料得当、加强施工质量监理、全方位提高施工组织队伍的整体素质, 解决工程质量的问题就能成为现实。

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