水泥对混凝土碳化的影响.doc

1、水泥对混凝土碳化的影响1.碳化的含义空气土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中的 pH 值下降的过程称为混凝土的中性化过程，其中由大气环境中的CO2 引起的中性化过程称为混凝土的碳化。由于大气中均有一定量的 CO2，碳化是最普遍的混凝土中性化过程。空气中的 CO2 气体通过水作为介质渗透到混凝土内部，与碱性物质反应，生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为碳化，又称为中性化。其反应式如下：Ca(OH)2CO 2CaCO 3H 2O碳化与混凝土结构物的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构物使用寿命的重要指标之一。目前，大气中二氧化碳浓度约为

2、0.035%，预测到 2090 年达到 0.1%。此外，工厂排泄的废液、废渣也使二氧化碳浓度呈增加趋势。所以，混凝土碳化是一个不可忽视的问题。过去由于在设计和施工时对混凝土碳化问题重视不够，导致混凝土抗碳化能力较低，造成不少建筑物的耐久性差，被迫提前加固。图 1 实际工程中的混凝土碳化2.碳化的机理混凝土是一个多孔体，其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷。混凝土碳化的机理就是大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质，在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。以普通硅酸盐水泥为例，其主要水化产物有：水化硅酸钙（占 60%以上） ，氢氧化钙（约占 25%） ，水化铝酸

3、钙，水化硫铝酸钙等。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等原因，使水泥石成为一个含有固相、液相和气孔的非均质体。环境中二氧化碳气体首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管，其次溶解于孔隙内的液相并生成碳酸，然后与水泥石中各水化产物发生碳化反应。水泥石中各水化产物稳定存在 pH 值，见表。表 1 水泥石中各水化产物稳定存在的 pH 值成分 PH 值 成分 PH 值水化硅酸钙 10.4 水化硫铝酸钙 10.17水化铝酸钙 11.43 氢氧化钙 12.23当混凝土细孔溶液的 pH 值低于表 1 中的临界数值时，该物质就开始进行分解，在水化物中的氢氧化钙首先与酸性物质反应。 主要的碳化反应方程

4、式如下：CO2+H2O=H2CO3Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2OCaSiO3+H2CO3=CaCO3+SiO2+H2O混凝土碳化实质上就是砂浆或混凝土碱性降低的过程。未碳化区混凝土孔隙溶液的 pH 值达 12.5 左右，完全碳化区混凝土孔隙溶液的 pH 值一般为 89。当 pH 值降至 11.5以下时，钢筋周围的致密钝化膜就受到破坏，在水和氧气得到满足的条件下，钢筋就开始锈蚀。Reardon，James 和 Abouehar 等人利用在高压 CO2 下进行碳化快速试验来研究碳化的过程，其反应如图 2 所示，分成三个段:CO 2 迅速进入细孔中碱的水溶液； CO2 从水膜向固相

5、缓慢扩散；由于碳化放出的水分，使细孔封闭。上述三阶段是连续的。这些阶段中，不管是那一个受到妨碍，就能够推迟碳化。图 2 水泥砂浆碳化过程3.碳化的影响混凝土碳化反应产生的 CaCO3 和其他固态产物堵塞在孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续的 CO2 扩散，并使已碳化混凝土则密实度与强度提高。碳化使混凝土脆性变大，但总体上讲，碳化对混凝土力学性能及构件受力性能的负面影响不大。 另一方面，碳化更主要的是对混凝土内部钢筋的影响。碳化使得孔隙水中 Ca(OH)2 浓度及 pH 值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。混凝土的 pH 值低于 10 时，钢筋要发生锈蚀，铁锈要比铁的体积膨胀 2.5

6、 倍，因此，钢筋生锈的同时，混凝土发生裂缝，与钢筋的粘结力降低，保护层的混凝土剥落，钢筋的断面积减小，使钢筋混凝土造成重大损伤，耐久性大大降低。碳化是大气环境下混凝土中钢筋脱钝锈蚀的前提条件，是对钢筋腐蚀的最重要问题，从而影响混凝土结构的耐久性。在桥梁、码头、水利工程和工业厂房等钢筋混凝土结构物中,混凝土的碳化效应非常常见。据调查:华南地区 18 座海港码头中,因碳化效应而引起的工程破损率占 89%，湛江 25 万吨级油码头,建成仅 7 年就因混凝土碳化钢筋锈蚀而遭到破坏。对于水利工程，据调查: 沧州地区沿海 60、70 年代建造的 10 座中、小型闸和桥无一幸免，混凝土不同程度地爆裂，露筋现

7、象随处可见，有的钢筋已经锈断，建筑物有摇摇欲坠之感。工业厂房、交通桥梁等钢筋混凝土结构物因混凝土碳化使建筑物严重受损的例子也很多。大量实例证明,因碳化效应而引起建筑物过早地损伤和破坏的现象，愈演愈烈,因此而付出的财力物力将是巨大的。有资料表明:在英国因碳化效应而需要修复或重建的工程占 36%；美国洲际公路网 56 万座桥梁，混凝土碳化效应率达 40%，每年此项耗资达 500 亿美元；瑞士联邦公路局统计,对 3000座桥梁进行检测和维修，每年耗资达 8000 万欧元。4.碳化的评价常用混凝土碳化的评价方法有酚酞指示剂的呈色方法、热分析方法、X 射线物相分析方法和电子探针显微分析方法等。酚酞指示剂

8、间接反映混凝土的碳化程度，使用简便、成本低，但精度不高、影响因素多；而热分析法、X 射线和 EPMA 直接反映碳化程度，精度高，成本也高。因此应根据使用条件和环境正确选择碳化程度的评价方法。几种主要的评价方法的比较见下表。表 2 碳化程度评价方法的比较图 3 酚酞溶液喷洒法测定碳化深度，红色为未被碳化区域，浅色的区域为已被碳化区域5.碳化的影响因素影响钢筋混凝土碳化效应的因素较多，归纳起来可分为:环境因素、施工因素和材料因素三大类。在环境因素中，CO 2 浓度、Cl-含量、酸雨和空气的温、湿度是诸影响因素中的主要因素。在施工因素中，水灰比、水泥用量、保护层厚度、养护条件和混凝土龄期是诸影响因素

9、中的主要因素。在材料因素中，水泥品种、粗骨料品种、外加剂是诸影响因素中的主要因素。这里主要针对水泥本身的特性来阐述。（1）水泥品种水泥品种不同意味着其中所包含的熟料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度，对碳化速度系数有重要影响。实践证明，用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥生产的混凝土抗碳化能力较强；用矿渣、火山灰、粉煤灰水泥生产的混凝土抗碳化能力较弱。这是由于活性混合料易于与水泥的水化产物Ca(OH)2 反应，消耗了较多的 Ca(OH)2，使混凝土碱性降低 ,从而影响其抗碳化能力。前一段时间报道的“ 凝石” 材料，如果 “凝石”中的 Ca(OH)2

10、 含量低，将直接影响其耐久性。这也是在工程实践中没有得到推广的原因之一。由矿渣水泥形成的普通混凝土比由普通硅酸盐水泥形成的普通混凝土的碳化速度系数提高 1.5 倍，具体数据见下表。表 3 水泥品种对碳化速度的影响（2）水泥含碱量水泥含碱量越高，孔溶液 pH 值增加，碳化速度加快。这是因为 :含碱量越高，水泥硬化石中的 CSH 结构不均匀，毛细孔增多，水泥石中粗大孔隙增多； 含碱量越高，孔溶液中 OH-浓度增大，碳化后沉积的碳酸钙溶解度减少，即孔溶液中钙离子浓度减少，补充钙离子浓度的氢氧化钙晶体易溶解，加速混凝土碳化。即混凝土的含碱量越高，碳化速度加快，如图 4 所示。混凝土中含有氯化钠，碳化速

11、度更为明显。图 5 为砂浆试件中氯化钠含量与孔溶液 OH-浓度之间的关系。可以看出:氯化钠含量越高，砂浆孔溶液中 OH-浓度增加。这是因为水泥中的 C3A 与约占水泥质量 0.4%的 Cl-发生反应生成 Fridel 复盐时消耗氯离子的同时生成 OH-。一定氯化钠含量范围内单位水泥用量越多，孔溶液 OH-浓度高，碳化速度加快。同样,与 C3A 矿物相结合的氯离子范围内，氯化钠含量越高，孔溶液 OH-浓度增加，碳化速度加快，如图 6 所示。图 4 水泥含碱量与碳化深度的关系 图 5 NaCl 掺量对孔溶液 OH-浓度的影响图 6 NaCl 对碳化速度的影响6.碳化的防范措施（1）选用抗碳化能力强

12、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。图 7 防碳化系列水泥（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

13、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）严格控制混凝土裂缝宽度。按照现行规范 ，计算和选择配筋率，保证结构断面有足够的构造钢筋，符合混凝土保护层最小厚度等要求。（7）严把混凝土施工质量关。混凝土施工质量优、强度高、密实度好，则其抗碳化性能就较强。（8）采用涂料防护法。在混凝土表面涂刷环氧厚浆涂料、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。