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【分享】淺談水泥混凝土的碳化分析
來源：砼商網(wǎng) 作者：砼商網(wǎng)編輯部 發(fā)布日期：Aug 20, 2015 閱讀次數(shù)：3076 收藏 打印 
[摘要] 碳化作用是指大氣中CO2 在存在水分的情況下與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3、硅膠、鋁膠和水的過程。碳化過深會(huì)降低混凝土的堿性，影響結(jié)構(gòu)的耐久度。碳化深度主要與水灰比和周圍環(huán)境有關(guān)。阻止碳化應(yīng)從混凝土本身的品質(zhì)入手，另外還可借助隔離層將外周介質(zhì)與混凝土隔離。

混凝土在空氣中的碳化是混凝土中性化最常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程。碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時(shí)，混凝土碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。因此，分析和研究混凝土碳化機(jī)理、影響因素及其控制方法很重要。

1.混凝土碳化機(jī)理
1.1 混凝土碳化機(jī)理
混凝土加水拌合后，硅酸鹽水泥的主要成份水化作用后生成Ca(OH)2，它在水中的溶解度低，少量溶于孔隙液中，使孔隙液成為飽和堿性溶液，溶液的 pH 值為 12.5～13.5，其余大部分 Ca(OH)2 以結(jié)晶狀態(tài)存在，成為孔隙液保持高堿性的儲(chǔ)備。空氣中的CO2 氣體不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細(xì)孔道，擴(kuò)散到混凝土中部分充水的毛細(xì)孔中并與其中的孔隙液所溶解的 Ca(OH)2 進(jìn)行中和反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物為 CaCO3 和 H2O，CaCO3 溶解度低，沉積于毛細(xì)孔中。該反應(yīng)式為：
Ca(OH)2+CO2→ CaCO3 ↓+H2O
反應(yīng)后，毛細(xì)孔周圍水泥石中的鈣礬石補(bǔ)充溶解為Ca2+和OH-，反向擴(kuò)散到孔隙液中，與繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)來的CO2反應(yīng)，一直到孔隙液的pH 值降為8.5～9.0 時(shí)，這層混凝土的毛細(xì)孔中才不再進(jìn)行這種中和反應(yīng)，此時(shí)即所謂“已碳化”。確切地說，碳化應(yīng)稱為碳酸鹽化。另外，凡是能與Ca(OH)2 進(jìn)行中和反應(yīng)的一切酸性氣體，如SO2、SO3、H2S以至于氣相HCl 等，均能進(jìn)行上述中和反應(yīng)，使混凝土堿度降低，故混凝土碳化應(yīng)廣義地稱為“中性化”。混凝土表層碳化后，大氣中的CO2繼續(xù)沿混凝土中未完全充水的毛細(xì)孔道向混凝土深處氣相擴(kuò)散，更深入地進(jìn)行碳化反應(yīng)。碳化深度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但是增大速度逐漸減慢。
1.2 碳化對(duì)混凝土性能的影響
碳化對(duì)混凝土弊多利少，其不利影響首先是減弱了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。這是因?yàn)楸緛砘炷林兴纱罅緾a(OH)2，使鋼筋處在堿性環(huán)境中表面能生成一層鈍化膜（氫氧化亞鐵），保護(hù)鋼筋不受銹蝕。混凝土中鋼筋保持鈍化狀態(tài)的最低（臨界）堿度是pH 值為11.5，碳化使混凝土的堿度降低，碳化后的混凝土pH值為8.5～9.5，同時(shí)，增加混凝土孔隙液中氫離子數(shù)量，使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱。當(dāng)碳化深度穿透混凝土保護(hù)層而達(dá)鋼筋表面使鋼筋處在中性的環(huán)境中，在水與空氣存在的條件下鋼筋開始生銹，鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)生的體積比原來膨脹2～4倍，從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。銹蝕越嚴(yán)重，鐵銹越多，膨脹力越大，最后導(dǎo)致混凝土開裂形成順筋裂縫，裂縫的產(chǎn)生使水和CO2得以順利的進(jìn)入混凝土內(nèi)，從而又加速了碳化和鋼筋的銹蝕，形成了一種惡性循環(huán)。從很多高速公路分離立交下面就能發(fā)現(xiàn)這種狀況。另外，碳化作用會(huì)增加混凝土的不可逆收縮，引起混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)微細(xì)裂縫，從而降低混凝土的抗拉及抗折能力。
碳化對(duì)混凝土的性能也有一些有利的影響，碳化產(chǎn)生的CaCO3 填充了水泥石的孔隙，以及碳化時(shí)放出的水分有利于未水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化，從而可提高混凝土碳化層的密實(shí)度，對(duì)提高抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B有利，如在預(yù)制混凝土基樁就常常利用碳化作用來提高樁的表面質(zhì)量。
混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定：在混凝土試件強(qiáng)度評(píng)定不合格及結(jié)構(gòu)實(shí)體檢驗(yàn)中，可采用非破損或局部破損的檢測(cè)方法，按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推定。常用的有回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法、后裝拔出法等，其中最常用的是回彈法。回彈檢測(cè)混凝土強(qiáng)度是以混凝土的表面硬度來推斷混凝土強(qiáng)度的，碳化使混凝土表面的硬度增加，這會(huì)給混凝土回彈檢測(cè)時(shí)造成一種假象，所以回彈判定其強(qiáng)度時(shí)需要對(duì)檢測(cè)碳化深度進(jìn)行修正，而回彈法中碳化深度對(duì)混凝土強(qiáng)度的推定值影響很大。經(jīng)有關(guān)檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)表明，全國(guó)通用測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)部分地區(qū)并不完全適用，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件強(qiáng)度的檢驗(yàn)時(shí)，為取得比較準(zhǔn)確的混凝土的實(shí)際強(qiáng)度，應(yīng)在28d 后盡早進(jìn)行，即在未碳化或碳化程度很小時(shí)進(jìn)行。
2.影響混凝土碳化的因素
影響混凝土碳化的因素有環(huán)境因素、原材料因素、施工操作因素等，影響混凝土碳化的因素主要可以歸納為內(nèi)因和外因兩種。
2.1 內(nèi)因
2.1.1 水灰比
混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關(guān)系，混凝土的透氣性越小，碳化進(jìn)行越慢。一般說來，水泥用量一定的時(shí)候，水灰比越大碳化越快，水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實(shí)，透氣性小，因而碳化速度就慢。當(dāng)水灰比一定的時(shí)候，水泥用量越少碳化越快，單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。
2.1.2 水泥品種
一般說來，普通硅酸鹽水泥要比早強(qiáng)硅酸鹽水泥碳化稍快；摻混合材的水泥碳化速度更快；混合材摻量越大，碳化速度越快。摻用優(yōu)質(zhì)減水劑或加氣劑，可以大大改善混凝土的和易性，減小水灰比，制成密實(shí)的混凝土，使碳化減慢。尤其是加氣減水劑，由于抗凍性提高，可以大大改善鋼筋混凝土建筑物的耐久性。
2.1.3 骨料種類
混凝土中的骨料本身一般比較堅(jiān)硬、密實(shí)，總的說來，天然砂、礫石、碎石比水泥漿的透氣性小，因此混凝土的碳化主要通過水泥漿體進(jìn)行。但是，在輕混凝土中，由于輕質(zhì)骨料本身孔隙多，透氣性大，所以能通過骨料使混凝土碳化。一般說來，輕混凝土比普通混凝土碳化快。
2.1.4 外加劑
混凝土中摻加減水劑、引氣劑或引氣減水劑時(shí)，由于可降低水灰比或引入封閉小氣泡，故可使碳化速度明顯減慢。
2.2 外因
2.2.1 環(huán)境因素
因?yàn)樘蓟且合喾磻?yīng)，十分干燥的混凝土一直處于相對(duì)濕度低于25% 的空氣中，CO2無法結(jié)合到水生成H2CO3（碳酸），混凝土很難碳化；在空氣濕度50%～75%的大氣中，不密實(shí)的混凝土最容易碳化；但在相對(duì)濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化，這是因?yàn)樘珴竦幕炷梁看蟆⑼笟庑孕。梢愿綦xCO2 與Ca(OH)2的反應(yīng)，或者水泥石中的鈣離子通過水?dāng)U散到表面，碳化生成的CaCO3 把表面孔隙堵塞，所以碳化作用不易進(jìn)行；在濕度相同時(shí)，風(fēng)速愈高、溫度愈高，混凝土碳化也愈快，經(jīng)研究證明混凝土碳化速度與空氣中CO2濃度的平方根大致成正比。
在巢湖地區(qū)由于廠礦較多，空氣污染較重，空氣中二氧化硫含量高，酸雨也較多，另外巢湖周邊空氣濕度大、風(fēng)速大，從現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)混凝土的碳化深度看，處于巢湖周邊的混凝土碳化發(fā)展很快，部分混凝土甚至在未到28天時(shí)就能達(dá)到1～2mm；某條高速公路在肥東段的一些橋梁和涵洞僅僅使用五六年，混凝土即遭受嚴(yán)重碳化，保護(hù)層開裂、剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴(yán)重。另外，可以發(fā)現(xiàn)梁比柱、受拉區(qū)比受壓區(qū)碳化程度明顯嚴(yán)重。主要是由于該地區(qū)機(jī)動(dòng)車輛、化工企業(yè)較多，導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重，周圍的CO2濃度特別大，從而導(dǎo)致碳化速度加快。
2.2.2 澆筑與振搗工藝
振搗良好的混凝土表層大孔隙很少，易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水，故不易碳化；所以越是密實(shí)的混凝土其抗碳化能力越高。如果混凝土澆筑時(shí)不規(guī)范，特別是振搗不密實(shí)，欠密實(shí)的混凝土表層中大孔隙較多，大孔隙無法存儲(chǔ)水，CO2可以由氣相擴(kuò)散到充滿水的毛細(xì)孔隙而完成碳化。
2.2.3 養(yǎng)護(hù)質(zhì)量
混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個(gè)重要因素。如養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，就會(huì)造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道粗大，且大多相互連通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起混凝土出現(xiàn)蜂窩、裂縫等缺陷，使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。

3.延緩混凝土碳化的措施
（1）選好合適的配合比，適量的外加劑，控制細(xì)骨料、粉料用量。分析骨料的性質(zhì)，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對(duì)混凝土的碳化有一定的延緩作用。對(duì)于使用江砂的地方，砂的級(jí)配不合理，粉料較多，更應(yīng)選擇合適的配合比。混凝土的密實(shí)度也是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素，配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低水灰比，采用減水劑，科學(xué)地?cái)嚢韬瓦\(yùn)輸，及時(shí)地養(yǎng)護(hù)，確保混凝土的密實(shí)性，以減少滲流水量和其它有害物的侵蝕。
（2）在使用時(shí)合理選用水泥品種。對(duì)于水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)宜選用抗硫酸鹽普通水泥。對(duì)普通水泥，可以在水泥用量不變的情況下，再外摻粉煤灰取代部分砂子，或同時(shí)摻用粉煤灰及減水劑，即采用“雙摻”的技術(shù)措施，這樣可以提高混凝土的抗碳化能力。
（3）硬化后的混凝土構(gòu)件可采用抹刷涂層（如環(huán)氧基液、聚合物砂漿、涂料）或粘貼面層材料（如貼面磚）的方法。對(duì)建筑物地下部分可在其周圍設(shè)置保護(hù)層、用各種溶液浸注混凝土，如用溶化的瀝青涂抹。對(duì)碳化深度較大的，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進(jìn)入的有害物質(zhì)，將混凝土銜接面鑿毛，用環(huán)氧砂漿或細(xì)石混凝土填補(bǔ)，最后以刷環(huán)氧基液做涂基保護(hù)。
（4）對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，必須保證有足夠的混凝土保護(hù)層厚度，以防鋼筋易生銹蝕。

4.結(jié)束語
通過以上論述，我們可以看出水泥混凝土的碳化是個(gè)客觀存在的自然現(xiàn)象，是多種因素綜合的結(jié)果。碳化過深會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低。影響碳化程度的因素很多，我們不可能完全杜絕碳化，我們只能通過選擇合理的材料、配合比、防治措施來控制碳化的發(fā)展，以期提高混凝土的耐久性。
  

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