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文 献 综 述（2011届）浅析混凝土碳化及其防治 学生姓名 王利锋 学 号 07134225 院 系 工学院土木工程系 专 业 土木工程 指导教师 周欣墨 完成日期 2011-02-28 浅析混凝土碳化及其防治摘要：混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的主要因素之一。本文根据混凝土碳化的危害和基本原理，主要论述了影响混凝土碳化的各种因素，如水泥品种及用量、水灰比、集料品种、施工质量及养护方法、环境中CO2的浓度、外界环境温湿度等，并针对混凝土碳化的危害提出了相应的防治措施。关键词：混凝土；碳化；危害；影响因素；防治措施引言20世纪60年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，在混凝土碳化方面进行了大量的试验研究及理论分析。首先，在混凝土碳化机理方面已经取得了比较统一完整的认识。其次，对于混凝土碳化影响因素、人工加速碳化以及碳化深度检测方面也有了全面的了解。基于这些研究成果，各国工程界相继都把碳化作为混凝土耐久性的一个主要方面纳入了设计规范，国际混凝土学术界已举办过多次有关混凝土碳化的学术讨论会，国际水泥化学会议也报导了混凝土碳化研究的进展，并且每次都有相当数量关于混凝土碳化的论文发表，并从不同角度提出了碳化深度的计算模型。我国在混凝土碳化方面的研究起步较晚，从20世纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋的锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试验以及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型，并且取得了可喜的研究成果。混凝土的碳化是指混凝土中原呈碱性的氢氧化钙在大气中受到二氧化碳和水分的作用逐渐变成呈中性的碳酸钙的过程1。混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一，通过对混凝土碳化机理以及影响因素的分析，我们可以采取更好的相关控制措施来减少碳化的危害。1 混凝土碳化的危害及机理1.1混凝土碳化的危害经过碳化的混凝土，表面强度、密度能有所提高，但由于碳化一般均在结构表面，深度不大，故对整体结构强度影响不大。混凝土碳化后会产生体积收缩，当收缩应力超过混凝土表面抗拉强度时，会在表面产生裂缝。潮湿空气进入裂缝使裂缝处的混凝土碳化收缩，继而使裂缝向混凝土内部发展。当裂缝穿透混凝土保护层到达钢筋时，混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈2。钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积开始膨胀，从而对周围的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，最终有可能影响结构安全。由此可见，混凝土的碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响3。1.2混凝土碳化的机理混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。混凝土的碳化，是指水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用，生成碳酸盐或其他的物质的现象。碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷等。空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。碳化过程如图1所示。图1 碳化过程模拟图所以，混凝土碳化也可用下列化学反应表示:CO2+H2OH2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O3CaO2SiO23H2O+3H2CO33CaCO3+2SiO2+6H2O2CaOSiO24H2O+2H2CO32CaCO3+SiO2+6H2O可以看出，混凝土的碳化是在气相、液相、和固相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程4。2 影响混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土空隙内的水再与水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。所以，混凝土的碳化速度取决于CO2的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2的浓度、环境温度、含水率等因素影响，所以，碳化反应受混凝土内孔隙溶液的组成、水化产物的形态等因素影响。这些因素(如表1所示)主要可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境有关的外部因素，当然，除此之外还存在一些其他因素。表1 影响混凝土碳化的因素内在因素1.水泥用量 2.水泥品种 3.水灰比 4.混凝土的抗压强度 5.集料品种及级配 6.混凝土的掺合料 7.外加剂 8.混凝土的施工工艺 9.养护方法外在因素1.光照和温度 2.含水量和相对湿度 3.CO2的浓度 4.氯离子浓度的影响其它因素1.不同应力状态对混凝土碳化的影响 2.裂缝对混凝土碳化的影响2.1影响混凝土碳化的内在因素2.1.1水泥用量 水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。另外，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；另外一方面还可以增加混凝土的碱性储备。因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢。2.1.2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，直接影响水泥的活性和混凝土的碱性，对混凝土的碳化有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土碳化速度越慢5。2.1.3水灰比混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。混凝土的水灰比越低，其强度越高，混凝土的密实程度也越高；反之亦然。由于混凝土的碳化CO2向混凝土内扩散的过程，混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。混凝土的碳化深度受单位体积的水泥用量内的Ca(OH)2含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的Ca(OH)2含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土的拌合过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。因此，水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。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，碳化速度增大。2.1.4混凝土的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参数，它与混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在一定程度上反应水泥的品种、水泥用量与水泥强度，骨料品种、外加剂，以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。正常而言，混凝土强度高，抗碳化能力强6。 2.1.5集料品种及级配集料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大,直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实，级配较好的集料的混凝土，其碳化的速度较慢。2.1.6混凝土的掺合料把粉煤灰掺入普通水泥混凝土中,由于水泥中的熟料量相应的减少了,混凝土吸附CO2的能力也会降低；同时由于粉煤灰混凝土的早期强度比较低孔结构差,加速了CO2的扩散速度,从而会加快碳化速度7。Pagataki研究了砂浆与混凝土中掺加粉煤灰对碳化的影响,结果表明,粉煤灰掺量为10%，20%, 30%的混凝土的碳化速率与不掺粉煤灰的混凝土相比,其碳化速率分别提高了1.06, 1.13, 1.19倍。2.1.7外加剂混凝土中加了减水剂或者掺引气剂均能大大降低混凝土的碳化速率.因为减水剂能直接减少用水量；引气剂能使混凝土中的毛细孔形成封闭的互不连通的气孔,切断毛细管的通路,两者都能使CO2的扩散系数显著减小。2.1.8混凝土的施工工艺施工工艺直接影响混凝土的质量。模板体系、拆模时间、振捣方法、搅拌机械都对混凝土的密实程度、抗压强度有直接关系。目前,预拌混凝土、泵送技术普遍应用,以及粉煤灰的大量使用,都对混凝土的水灰比、含气量、密实性有直接的影响。试验证明,普通混凝土的抗碳化能力好于复合混凝土。另外,混凝土的漏振、过振都对混凝土的密实性影响极大。泵送混凝土过振现象尤为突出8。2.1.9养护方法混凝土成型后,要进行养护。混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002中规定,应在浇筑完毕后的12h以内,对混凝土加以覆盖并保湿养护；混凝土浇水养护时间:对采用硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土,不得少于7d,对掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土,不得少于14d；采用塑料布覆盖养护的混凝土,其敞露的全部表面应覆盖严密,并应保持塑料布内有凝结水；混凝土强度达到1.2N/mm2前,不得在其上踩踏或安装模板及支架。混凝土成型早期碳化快,而相对湿度在50%60%时碳化速度最快。2.2影响混凝土碳化的外在因素2.2.1光照和温度混凝土温度骤降，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。阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了化学反应和碳化速度。2.2.2含水量和相对湿度周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50%70%，混凝土的碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度9。2.2.3CO2的浓度 环境中的CO2浓度越大,混凝土内外CO2的浓度梯度就越大, CO2向混凝土内部扩散的动力也就越大,越容易扩散进混凝土孔隙中；同时, CO2的浓度越大,发生碳化的各个反应的反应速度就越大.因此,CO2的浓度也是决定混凝土碳化速率的一个重要因素。一般来讲,大气中的CO2浓度较低,乡村约为0.03%,城市约为0.04%。碳化速度近似与CO2的平方根成正比。2.2.4氯离子浓度的影响 混凝土的碳化深度随氯离子含量的增加而下降，因为氯离子的存在将使混凝土保持混凝土保持较高的湿度，阻碍混凝土碳化的进行。2.3影响混凝土碳化的其它因素2.3.1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，我们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，提高混凝土的耐久性10。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。2.3.2裂缝对混凝土碳化的影响 混凝土机构的劣化破坏过程，多是由于各种有害物质从外部向内部的渗透或迁移作用。因而混凝土结构的抗渗性是反应其耐久性的一个综合性指标。裂缝的存在将直接影响到混凝土的渗透性与耐久性，并且由于碳化能够通过裂缝较快的渗入到混凝土内部，因而裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处11。3 混凝土碳化的处理与防治3.1碳化混凝土的处理 碳化会对混凝土结构产生很大的危害,对于已碳化或正在碳化的混凝土要根据碳化程度进行处理12。对碳化深度过大,钢筋锈蚀严重,危及结构安全的构件应该进行拆除重建；对于碳化深度小于钢筋保护层厚度的混凝土结构,可以用优质涂料进行封闭处理；对于碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然小但是疏松脱落的,应该凿去碳化层,再浇注高强度等级混凝土；对于钢筋锈蚀严重的,应在修补前除锈或加筋。3.2混凝土碳化的防治措施3.2.1选择合适的水泥 要用生成Ca(OH)2多的水泥,由于水泥品种、掺合料品种及其掺量的不同,水泥水化时生成的碱性物质Ca(OH)2含量都有所不同,故对混凝土的碳化速度也有一定的影响,生成Ca(OH)2多的水泥,其混凝土碳化速度慢。所以施工时要选择生成Ca(OH)2多的水泥,以减慢混凝土的碳化速度13。3.2.2降低水灰比水灰比小的混凝土水泥浆的组织密实,透气性小,即有较好的抗渗性,因而碳化速度慢。所以在拌制混凝土时,在满足设计要求和施工要求的情况下,尽量降低水灰比,减少用水量,增加密实度,提高混凝土的抗渗性。为此,可掺引气型的高效减水剂,一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不连通的微小气泡,阻止了CO2的渗透,另一方面也大大减少了混凝土的用水量,增加了混凝土的密实度,提高了抗渗性15。如果纯粹的直接降低水灰比，即减少混凝土拌和的用水量，混凝土的工作性将随之降低，从而导致振捣成型困难，易造成混凝土结构不致密，甚至出现蜂窝等缺陷，不但不能提高混凝土的耐久性，反而降低了其强度。所以正确的措施是掺入高效减水剂。有研究表明，当水灰比降到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目的就能达到。3.2.3使用合适的混凝土骨料一般情况下，组成混凝土的粗细骨料，如砂和碎石，都不会促进混凝土的碳化。但在水灰比相同的情况下，由于大石子的底部容易产生水泥净浆的离析、沉淀，从而产生细小的裂缝，增加了混凝土的渗透性。某些硅骨料会同Ca(OH)2发生碱骨料反应，加快碳化速度。因此，在施工过程中我们应选择使用级配良好、大粒径颗粒少及性能稳定、不会发生碱骨料反应的混凝土骨料。3.2.4加强混凝土的早期养护混凝土的养护目的:(1)创造各种条件使水泥充分水化,加速混凝土硬化；(2)防止混凝土成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。现浇混凝土在正常条件下通常采用自然养护。自然养护基本要求:在浇筑完成后,12h以内应进行养护；混凝土强度未达到C12以前,严禁任何人在上面行走、安装模板支架,更不得作冲击性或任何劈打的操作。且应在初凝以后开始覆盖养护,在终凝后开始浇水(12h后)。常用的五种水泥正常温度条件下应不少于7d；掺有外加剂或有抗渗、抗冻要求的项目,应不少于14d15。4 结束语混凝土的碳化严重影响结构的耐久性，随着混凝土结构在我国建筑上得到越来越广泛的应用，我们应该更加注重混凝土碳化这一问题。而对于这一问题，我们的原则应该是防重于治，首先应根据混凝土所处的环境，合理进行配合比的设计；其次严把施工质量关，加强工程中的科学管理，发现碳化及时采取防范保护措施，达到或延长工程的使用寿命。参考文献：1Liang Mingte, Lin Shiengm in Mathematical modeling and Applications for concrete carbonation J. Journal of Marin Science and Technology, 2003, 11(1): 2033.2李琮琦.混凝土中钢筋锈蚀的研究进展J.建筑技术开发，2002，29(7)：79.3徐