- 1 -混凝土碳化因素的探究胡九林摘要：随着我国基础设施建设不断加快，现代化的进程加快推动了建筑业的发展，道路桥梁、高层建筑、地下空间的开发利用等社会基础设施的建设方兴未艾。而这些构筑物大多为钢筋混凝土结构，其设计除了应该考虑传统的强度、刚度、抗震性等力学设计指标之外，还应考虑使用寿命，使其具有超耐久性。大量的结构，尤其是钢筋混凝土结构在使用过程中出现了许多缺陷和问题，包括结构开裂、钢筋锈蚀、混凝土侵蚀和老化等等，使得许多建筑还没有达到预定的使用年限就提前失效；有的虽在使用，但已存在一定的安全隐患。造成这些缺陷和问题的原因很多，有的是由于结构的设计抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，也有的跟施工及其他因素有关，但更主要的原因是由于混凝土结构的耐久性不足。事实上，混凝土结构的耐久性问题已成为当前困扰土建工程的一个世界性问题。关键词：混凝土、碳化、碳化区、因素一、探究内容本文主要考虑一般大气环境下混凝土结构的服役状态，研究机械荷载作用下防水混凝土结构抗碳化性能。从以下几个方面进行研究：（1）通过加速碳化和自然碳化，研究粉煤灰混凝土的碳化规律。（2）根据实际工程中混凝土结构的受力状态，通过加速碳化和自然碳化，研究不同荷载形式和荷载水平作用下，防水混凝土结构的碳化规律。（3）测定碳化混凝土中的 CaCO3 含量和含量，对混凝土碳化情况进行定量分析，找出碳化规律，推导预测模型，为耐久性评估提供可靠依据。二、混凝土碳化机理及其影响因素2.1 混凝土的碳化混凝土是碱性的，但当空气、土壤或地下水中酸性物质以及火灾、微生物等作用下混凝土呈中性或接近于中性，这种过程称为混凝土的中性化 1。空气中混凝土碳化是混凝土中性化最常见的形式，它是伴随着C0 2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土内的空隙水，再与各水化产物发生化学反应的一个复杂的物理化学过程。混凝土的碳化速度取决于气体的扩散速度以及C0 2与混凝土水化 - 2 -产物的反应性。而C0 2气体的扩散速度又受混凝土本身结构的密实性、C0 2气体的浓度、环境湿度和温度等诸多因素的影响。此外碳化反应受混凝土孔溶液组成、水化产物的形态、温度等因素的影响。碳化降低混凝土的碱度，破坏混凝土的钝化膜(pH值大于11.5是混凝土中钢筋保持钝化的前提条件)，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土钢筋锈蚀带来不利影响。锈蚀后的钢筋体积比原来的体积膨胀25倍，造成混凝土开裂，钢筋的粘结力下降，混凝土保护层剥落，钢筋断面发生缺损，严重影响耐久性。同时碳化还会增大混凝土收缩、降低结构延性 2等。随着资源消耗大气中的二氧化碳的浓度在急剧增加。据报道，在19世纪中叶，大气中二氧化碳的平均浓度为28010 -6(质量分数，下同)，而目前已达到35010 -6，预计到2100年将上升到54010 -6。随着大气中二氧化碳浓度的不断增长以及工厂排出的废液、废渣使河川与地下水的二氧化碳浓度提高，分析混凝土碳化机理及其影响因素显得越来越重要。2.2 混凝土的碳化及钢筋锈蚀机理混凝土碳化指空气中的CO 2 等酸性气体与混凝土中的液相碱性物质发生反应，造成混凝土碱度下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过程。在正常的大气环境下，CO 2与混凝土中的碱性物质相互作用是一个很复杂的物理化学过程。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，空气中的CO 2气体渗透到混凝土的孔隙中，与孔隙中的可碳化物质发生化学反应。可碳化物质是在水泥水化过程中产生的，主要有氢氧化钙(Ca（OH)2)此外还有水化硅酸钙(CaO2SiO 23H20)，未发生水化的硅酸三钙和硅酸二钙在有水分的条件下也能参与碳化反应。混凝土的碳化可以用下列化学方程式表示：Ca（OH) 2+ H20+ CO2 CaCO 3 +2H2O （1）3CaO2SiO23H2O +3CO2 3CaCO 32SiO23H2O （2）3CaOSiO2+3CO2+ H 2O 3CaCO 3+ SiO2 H 2O （3）2CaOSiO2+2CO2+ H 2O 2CaCO 3+ SiO2 H 2O （4）由混凝土碳化过程分析，混凝土碳化速度主要取决于以下三个方面：（1）化学反应本身的速度；（2）CO 2 向混凝土内扩散的速度；（3）混凝土孔隙中可碳化物质，主要是Ca(OH) 2 的扩散速度。在以上三个过程中，CO 2 向混凝土中扩散最慢，因此，混凝土碳化速度主要取决于CO 2 在混凝土中的扩散速度。最初的混凝土孔隙中充满了饱和Ca(OH) 2溶液，它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀，该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，即Fe203和Fe304，这层覆盖物称为钝化膜 3，在高碱性环境中，即pH115时，它可以阻止钢筋被 - 3 -进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的pH值降低到8.59.0，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。2Fe+022FeO (1)Fe0+H2C03FeC0 3+H20 (2)4FeC03+10H20+024Fe(OH) 3+4H2C03 (3)钢筋一生锈，体积增大，破坏了混凝土覆盖层，沿钢筋产生裂缝。水、空气进入裂缝，加速了钢筋的锈蚀。从而破坏混凝土的结构，使混凝土的稳定性大大降低，使得其耐久性降低。2.3混凝土的部分碳化区英国著名学者Parrott 4最先发现了混凝土部分碳化区的存在，在试验中发现用酚酞试剂测定的碳化深度发展到距钢筋表面某个长度时，钢筋就开始锈蚀，而且随碳化深度加深，钢筋锈蚀速度加快，直到碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时锈蚀速度才稳定下来，部分碳化区的存在可以解释以上现象。Maekaw等 5也认为碳化是一个由表及里、缓慢向混凝土内部扩散的过程，在混凝土完全碳化区之后形成部分碳化区和未碳化区。蒋利学 6曾用pH值来划分不同的碳化区域，pH12.5为未碳化区，pH7为完全碳化区，7pH12.5为部分碳化区。洪乃丰 7认为pH值为9.88时钢筋钝化膜开始形成，pH值为11.5时才形成完整的钝化膜并保持稳定，所以，在部分碳化区内钢筋仍有可能锈蚀。部分碳化区中混凝土的碳化是不完全的，碳化前沿是受多个因素影响的函数，如养护方法和龄期、混凝土本身孔的大小分布和相对湿度等。其中，环境相对湿度对部分碳化区长度有决定性的影响。从碳化机理分析，碳化反应和CO 2气体扩散随着环境相对湿度变化而向相反的方向发展，部分碳化现象是碳化反应速度跟不上CO 2扩散速度的必然结果。部分碳化区在环境相对湿度较高时可忽略不计，但当环境湿度较低时，则在整个碳化区域中占主导地位。水胶比和水泥用量对部分碳化区长度也有一定影响，但这种影响是以低湿度环境为前提的，部分碳化区长度基本不受CO 2浓度和碳化时间影响。部分碳化区的长度将影响混凝土的碳化规律。杨静 37通过X射线衍射试验，明确了混凝土碳化前沿并非线性，而是一个10mm左右宽度的带状，在此范围内Ca(OH) 2和CaCO 3两种成分共存。张誉 8系统分析了影响部分碳化区的因素后，给出了部分碳化区的计算公式。由此可见，部分碳化区的长度及部分碳化区内pH值的变化规律成为影响钢筋锈蚀速度的一个主要因素，其研究对准确预测钢筋脱钝的时间、钢筋锈蚀的速度以及整个钢筋混凝土构件的寿命具有重要意义。2.4混凝土碳化的影响因素影响混凝土碳化的因素可分为两大类：一类是内因的影响，一类是外因的 - 4 -影响。2.4.1 内因的影响：指混凝土材料自身对碳化的影响。1.水泥的品种的影响。水泥品种和水泥用量是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素，因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素。一般来讲，矿渣水泥的碳化速度比硅酸盐水泥的碳化速度快2040，掺粉煤灰的混凝土的碳化速度随粉煤灰的取代量增加而提高。2.水泥用量。直接影响混凝土吸收CO 2的量，混凝土吸收CO 2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。3混凝土强度等级的影响。混凝土的碳化深度随混凝土强度等级提高而下降。4外加剂的影响。减水剂能直接减少用水量，而引气剂使混凝土中形成很多封闭气泡，两者均可使C0 2有效扩散系数显著减少，从而大大降低混凝土的碳化速度，即外加剂的使用能减弱碳化作用。5.矿物掺合料。目前国内研究较多的混凝土掺合料一般是单掺粉煤灰或者复掺粉煤灰和矿渣。粉煤灰掺加到混凝土中，一方面，降低了混凝土碱度，使混凝土的抗碳化性能变差；另一方面，在一定程度上改善了混凝土内部孔结构，提高了混凝士的密实性，这对混凝土抵抗碳化作用是有利的。粉煤灰混凝土的碳化过程就是在这两方面因素综合影响下进行的。在这两方面因素中，如果第一方面因素起了主要作用，混凝土的抗碳化能力则是降低的；如果第二方面因素起了主要作用，混凝土抗碳化能力则是提高的。因此研究出粉煤灰的最佳掺量，使它发挥第一方面的作用，是很有必要。粉煤灰用于混凝土的掺加方法，一般为等量取代法和超量取代法。等量取代法往往随着掺灰量增加混凝土强度降低，尤其是早期强度降低较显著。超量取代法可以达到等强度的目的，能与不掺粉煤灰的混凝土标准强度(28天)相等。对于同一种水泥，随着水泥掺量增加，其抗碳化性能明显改善；固定水泥用量不变，粉煤灰的掺入使总浆体含量增大，水与总的胶凝材料之比减小，加上粉煤灰的活性发挥，更能增加混凝土的抗碳化性能。因此在小掺量范围内，粉煤灰的掺入并取代一定量的水泥(一般矿渣水泥中掺15的粉煤灰取代10的水泥，普通硅酸盐水泥中掺20的粉煤灰取代15的水泥，硅酸盐水泥中掺25的粉煤灰取代20的水泥)，达到与基准混凝土等强度的情况下，对混凝土的抗碳化性能无明显影响。王培铭等人研究了复掺II级粉煤灰和同等细度的矿渣粉，同时掺加高效减水剂配制的大流动度(180mm)混凝土的抗碳化性能，当粉煤灰和矿渣粉总掺量不变时，随着粉煤灰掺量的上升，混凝土的碳化深度相应增加。当粉煤灰掺量不变时，随着矿渣掺 - 5 -量的上升，混凝土的碳化深度也增大。但当粉煤灰掺量等于或小于40时，掺合料总量60、70和80的混凝士的碳化深度均低于单掺60粉煤灰的：粉煤灰掺量为50，矿渣粉掺量为10的碳化深度也低于单掺60粉煤灰的。由此可见，混凝土中使用掺合料等量取代水泥虽然会降低混凝土的抗碳化能力。但是，使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺粉煤灰混凝十抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情况下可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用量。6.水灰比的影响。水灰比是决定混凝土孔结构与空隙率的主要因素，是决定C0 2有效扩散系数及混凝土碳化速度的主要因素之一。有试验给出：水灰比由06降到05，透水系数可由10x10 -9cms，降到4x10 -9cms。因