混凝土的碳化及其对钢筋腐蚀的影响

混凝土碳化及其对钢筋腐蚀的影响摘要：分析了大气环境中CO 2、SO 2等物质使混凝土碳化的作用机理和影响混凝土碳化的因素，阐述了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学过程，用混凝土碳化原理分析了混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响。关键词：混凝土碳化钝化膜； 钢筋腐蚀。自1824年波特兰水泥(也称为硅酸盐水泥)诞生以来，混凝土材料在其性能优异、施工方便、经济成本低等方面具有显着优势，广泛应用于土木工程领域。 但是，由于大气中的CO 2、SO 2等外部介质，混凝土结构逐渐碳化，钢筋腐蚀(生锈)，其性能降低，混凝土结构的寿命也经常不会像预想的那样长。 煤炭部于1996年调查了部分矿区生产系统的钢筋混凝土结构建筑的报告显示，混凝土碳化使混凝土中的钢筋生锈，钢筋锈深达到20%以上，结构可靠性大幅降低。 因此，混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响逐渐引起了结构工程界的重视。1混凝土的碳化1.1混凝土碳化的作用机理混凝土碳化是指空气中的CO 2、SO 2等酸性气体与混凝土中液相的Ca (OH) 2作用，生成CaCO3和H2O的中性化过程。 另外，水泥石的水合硅酸钙(CSH )和未水合的硅酸三钙(C3S )和硅酸二钙(C2S )也消耗一定的CO 2气体。 由于混凝土是多孔材料，其内部存在大小不同的毛细管、空隙、气泡等缺陷，具有一定的透气性。 空气中的CO 2首先渗透到混凝土内部充满空气的空隙和毛细管中，溶解在毛细管中的液相与水泥水化过程中产生的Ca (OH) 2和水化硅酸钙(CSH )等相互作用，形成CaCO3。Ca (OH) 2是水泥的主要水合产物之一，普通硅酸盐水泥中水合生成的Ca (OH) 2可达到10% 15%。 Ca (OH) 2是混凝土高碱度的主要提供者，而Ca (OH) 2是混凝土中最不稳定的成分之一，与环境中的酸性介质发生中和反应，容易使混凝土碳化。经过大量研究，混凝土的碳化过程表明，CO 2气体从正面和背面扩散到混凝土内部，在反应复杂的物理化学过程中，主要的碳化反应方程式如下Ca (OH ) 2 H 2O CO 2 CaCO 3 2H 2O3 Cao2s iso 23 h 23 co 33 CaCO3SiO 23 h2o3 Cao 2so 23 hpo 2n H2O3 ACO 32 SnO 2n H2O3cao2so23hpo2nh2o2caco3so2h2o随着混凝土碳化过程的发展，混凝土毛孔中的Ca (OH) 2含量逐渐减少，必然会降低混凝土的PH值。 碳化后混凝土的PH可以用下式表示PH=14 log 10 2 103 Ca (OH ) 2 (aq) 式中，Ca (OH ) 2 (aq) 表示混凝土内部毛微孔中的液状Ca (OH) 2的含量.混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构，对混凝土的化学性能和物理力学性能产生了显着的影响。1.2混凝土碳化的影响因素从混凝土碳化作用机理的阐明来看，影响混凝土碳化的最大因素是混凝土自身的固体性和碱性储备的大小，即混凝土的渗透性和Ca (OH) 2碱性物质含量的大小。 可以说混凝土的气孔率越小，渗透性越低，固体性越高，Ca (OH ) 2含量越大，混凝土的抗碳化性能越好，反而越差。 影响混凝土致密性和碱性储备的因素非常复杂，与许多因素有关，具体有材料因素、环境因素和施工因素三个方面。 材料因素包括混凝土灰比的大小、水泥品种及其使用量、混凝土强度等级、骨料倾斜、外加剂等环境因素，包括环境相对湿度、温度、压力和CO 2气体浓度等”的施工因素包括混凝土搅拌、震动、养护条件等。1.2.1灰白比的影响。 灰白比增加，混凝土硬化后，多馀的水分蒸发或残留在混凝土中时，混凝土内部的毛细孔的含量提高，渗透性提高，因此CO 2气体向混凝土毛细孔的扩散速度变快，混凝土的碳化速度变快，混凝土的碳化速度变快对于普通混凝土，灰比的大小对混凝土碳化的影响，=4.15W /C-1.03，可以用下式表示式中灰比对混凝土碳化的影响系数W /C 混凝土灰比的大小。图1以几种不同的水灰比作为标准试料，进行混凝土的快速碳化试验(快速碳化试验条件： CO 2浓度205，水泥为普通硅酸盐水泥)，从结果可以看出，增加混凝土的水灰比，加快混凝土的碳化速度。1.2.2水泥品种的影响。 矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度比硅酸盐水泥混凝土的碳化速度快。 火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低、SiS2含量高，水泥水合的情况下，SiO 2和CaO反应而大量生成水合硅酸钙，但生成的Ca (OH) 2含量少，混凝土的碱性低另外，混凝土的碳化也与CO 2气体的渗透速度有关。 经过许多实践，证明在相同湿度下，火山灰水泥和粉煤灰水泥混凝土中CO 2气体的渗透速度大于硅酸盐水泥混凝土的渗透速度。图2灰灰比相同，CO 2气体浓度相同，空气相对温度和温度相同，通过几个混凝土碳化深度的比较，可以看出硅酸盐水泥混凝土的碳化深度最小。1.2.3空气相对湿度的影响。 混凝土碳化与混凝土环境的相对湿度有重要关系。 Ca (OH) 2和CO 2反应生成的水，为了保持混凝土内部和大气的湿度平衡，必须向外扩散。 向水外的扩散速度由于环境湿度大而变慢的话，混凝土内部的水蒸气的压力增大，CO 2气体向混凝土内部的扩散渗透速度降低或停止，混凝土的碳化反应也变慢。 相对湿度接近100%时，混凝土中的空隙充满水蒸气的冷凝水，反应产生的水向外扩散和向CO 2内的渗透速度大幅降低，碳化结束。 相对湿度不足25%时，CO 2的扩散渗透速度快，但混凝土的毛孔没有足够的水，空气中的CO 2不溶于混凝土的毛细管水，或者溶解量非常有限，与碱性溶液不反应，因此碳化反应实际上不进行。 有资料表示，在相对温度为50% 70%的条件下，对促进混凝土碳化最有利。 因此，中国内陆地区碳化比沿海地区明显。图3显示的是水灰为0.65，浓度为50%，碳化时间为5天，在湿度环境下混凝土的碳化深度。1.2.4空气中CO 2浓度的影响。 一般认为CO 2在混凝土中的碳化深度可以用下式计算式中的D 混凝土碳化深度KCO 2扩散系数C混凝土表面的CO 2浓度t混凝土碳化持续时间m 单位体积混凝土吸收的CO 2的体积。由以上的式可以看出，在其他条件不变化的情况下，环境中的CO 2气体的浓度越高(c值越大)，在一定的使用期间内混凝土的碳化速度越快，碳化深度(d )越大。1.2.5混凝土强度等级的影响。 混凝土的强度等级越高，混凝土越密，CO 2的扩散速度降低，混凝土的碳化速度降低，混凝土的抗碳化能力提高。 混凝土强度等级的大小和混凝土碳化速度的关系可以用K=210/f cu-3.3的公式表示式中的K混凝土碳化速度系数fcu混凝土的立方体抗压强度1.2.6混凝土振动、养护的影响。 如果混凝土在施工作业中振动和养护良好，混凝土硬化后的密度高，混凝土的碳化速度慢。 如果混凝土在施工初期养护不良，混凝土中水分蒸发快，混凝土表面层的渗透性变大，就能加快混凝土的碳化。2混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响2.1钢筋腐蚀的作用机理根据钢筋腐蚀的机理，钢筋腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀等几种形式，钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀主要是电化学腐蚀。 钢筋进行电化学腐蚀需要两个条件：2.1.1阳极部分的钢筋表面处于活性状态，可以自由放出电子，阴极部分的钢筋表面有足够的水和氧。 在潮湿的环境中，钢筋表面总是存在比水膜和水膜更深的氧。由于钢筋不是单一的金属铁，而是含有碳、硅、锰等合金元素和杂质，所以不同的元素处于相同或不同的介质中，其电极电位也不同，必须存在电位差，因此在潮湿的环境下钢筋表面的钝化膜被破坏时会发生电化学反应。 电化学反应的过程如下阳极反应：阳极区的铁原子离开晶格变成表面吸附原子，放出电子变成阳离子。Fe-2eFe2电子输送过程：从阳极区放出的电子能量冠军的钢筋被输送到阴极区。阴极反应：阴极区周围环境通过混凝土细孔吸附、扩散、渗透，溶解在细孔水中的O 2吸收来自阳极区的电子，发生还原反应。2H2O O 2 4e-4 (OH) -综合反应：在阳极区生成的Fe2和在阴极区生成的oh反应，生成Fe (OH) 2。 在高氧条件下，Fe (OH) 2进一步氧化，变成Fe (OH) 3，Fe (OH) 3脱水，变成多孔的红锈Fe2O 3:在低氧条件下，Fe (OH) 2不能完全氧化的部分变成黑锈Fe3O 4。Fe2 2 (OH) - Fe (OH) 24Fe (OH) 2 O 2 2H2O 4Fe (OH) 32Fe (OH) 3Fe2O 3 3H2O6Fe (OH) 2 O 22Fe3O 4 6H2O分析上述反应过程，发现钢筋的腐蚀过程实质上是活性状态的铁转化成铁离子的过程。2.2混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响已知混凝土对钢筋有一定的保护作用，一般来说钢筋混凝土结构的钢筋不易腐蚀。 混凝土之所以保护钢筋，是因为在水泥的水合过程中产生一定量的Ca (OH) 2(普通的硅酸盐水泥中Ca (OH) 2的含量达到10% 15% )，Ca (OH) 2的溶解度小，通常以固体的形式存在，所以在混凝土中存在高碱度PH一般为12 13，这是因为在这样的高碱性环境中，化学上非常稳定的钝化膜层不会渗透到钢筋表面，形成牢固地附着在钢筋表面的氧化物。 钝化膜的存在，不仅钢筋表面不存在活性状态的铁，而且将钢筋与水介质隔离，水和氧不渗透，因此不进行电化学腐蚀，保护钢筋不受腐蚀。理想情况下，混凝土的PH值为12.513，钢筋处于钝化状态，如果维持该条件，钢筋就不会腐蚀。 这是钢筋混凝土建筑物能够耐久的重要原因。 经过许多研究和实践，混凝土中钢筋表面钝化膜的稳定性主要取决于周围混凝土的PH值。 混凝土的PH11.5的情况下，钢筋才能完全钝化。如果钢筋表面的氧化物钝化膜被破坏，在存在氧和水的情况下，钢筋会被腐蚀并被破坏。 能破坏混凝土中钢筋表面钝化膜的因素是内在和外在两个因素。 所谓内在因素，因为混凝土本身具有腐蚀性，例如用含有超标准氯酸盐的地下水搅拌混凝土，或在混凝土中使用过剩的氯系添加剂，导致钢筋表面的钝化膜处于不稳定的状态，引起钢筋的电化学腐蚀。 外在因素是由于周围介质的作用，混凝土失去了保护钢筋的能力，例如混凝土碳化。 混凝土碳化的本质是大气中的CO 2、SO 2等酸性介质，渗透到混凝土内部与Ca (OH) 2发生中和反应，中和反应的结果是混凝土的碱度和碱含量降低。 混凝土碱性降低的直接结果，导致钢筋表面钝化膜失去稳定性和破坏，混凝土不能保护钢筋不受腐蚀。 混凝土碳化后，完全碳化区的PH值从13左右降低到9以下，此时钢筋一定会被电化学腐蚀。 由此可以看出，混凝土碳化是引起钢筋腐蚀的主要原因之一。2.3钢筋表面被腐蚀而生铁锈对混凝土结构的不良影响2.3.1生锈钢筋截面减少，构件承载力降低2.3.2锈的体积膨胀(体积一般增加2 4倍)会使混凝土保护层的膨胀破裂脱落，对结构的正常使用产生很大影响2.3.3生锈破坏了钢筋和混凝土之间的粘结，降低了钢筋和混凝土的协同工作能力，进而破坏了整个构件。三结语混凝土碳化是影响钢筋腐蚀的重要因素之一，混凝土不仅是保持高碱