混凝土碳化的控制措施

2009-01-14陈文涛李清瑞冯卫

中国新技术新产品 2009年24期

关键词：碳化控制措施影响因素

陈文涛李清瑞冯卫

摘要: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。

关键词:混凝土;碳化;影响因素;控制措施

前言

目前,很多工程碳化值较大,对工程带来了诸多不良影响,已成为一大工程质量通病,降低了建筑物的耐久性。本文旨在揭示混凝土碳化对结构破坏的机理和规律,提出了在设计和施工时对混凝土防碳化处理的建议。

1 混凝土碳化的作用机理

1.1 碳化反应

空气中的CO2、SO2等酸性气体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Ca(OH)2和水化硅酸钙(CSH)等物质相互作用,形成CaCO3和H2O的中性化过程称为混凝土的碳化。

经过大量的研究表明,混凝土的碳化过程是CO2气体由表及里向混凝土内部逐渐扩散、反应复杂的物理化学过程,主要的碳化反应方程如下:

Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+3CO3→3CaCO3·SiO2·3H2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→3CaCO3·2SiO2·nH2O

3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→2CaCO3·SiO2·nH2O

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有着明显的影响。

1.2 混凝土的碳化特性

国内外大量的研究资料表明,在混凝土碳化初期碳酸气在混凝土中扩散和反应的速度很快,即碳化深度增长快。随着时间的延长则逐步衰减,至一定龄期后,渐趋稳定。

2 混凝土碳化与钢筋锈蚀的关系:

混凝土碳化深度检测的目的之一是定性地推定混凝土中的钢筋锈蚀情况。下面对混凝土碳化与钢筋锈蚀的关系作以下分析。

2.1 钢筋腐蚀的作用机理

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Fe2O3和Fe3O4,这层覆盖物称为钝化膜,在高碱性环境中,即PH≥11.5时,它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。

2.2 钢筋腐蚀对结构的影响

钢筋表面被腐蚀而生成铁锈对混凝土结构的不利影响。一是铁锈的生成造成钢筋截面减小,构件承载力降低;二是铁锈体积膨胀(体积一般要增长2～4倍),使混凝土保护层胀裂甚至脱落,严重影响结构的正常使用;三是铁锈的生成破坏了钢筋与混凝土之间的粘结,从而使钢筋与混凝土的协同工作能力降低,甚至造成整个构件失效。

3 影响混凝土碳化的因素

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、试件的含水率等因素影响,可主要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。

3.1 内部因素

3.1.1 水泥用量

水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量。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。

3.1.2 水泥品种

不同的水泥,其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同,直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度,对碳化速度有重要影响。一般而言,水泥中熟料越多,则混凝土的碳化速度越慢。

3.1.3 水灰比

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。

3.1.4 骨料种类和级配

集料的品种和级配不同,其内部孔隙结构差别很大,直接影响着混凝土的密实性。试验说明,普通混凝土的抗碳化性能最好,在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然轻骨科混凝土的0.56倍。

3.1.5 施工质量及养护方法对碳化的影响

混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规范,特别是振捣不密实,以及养护方法不当、养护时间不足时,就会造成混凝土内部毛细孔道粗大,且大多相互连通,使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部,从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀。

3.2外部因素

酸性气体(如CO2)渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸,与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应,导致水泥石逐渐变质,混凝土的碱度降低,这是引起混凝土碳化的直接原因。

3.2.1 环境条件

碳化是液相反应,一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土很难碳化;在空气湿度50%～75%的大气中,不密实的混凝土最容易碳化;但在相对湿度>95%的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化,这是因为混凝土含水时透气性小,碳化慢;在湿度相同时,风速愈高、温度愈高,混凝土碳化也愈快。

3.2.2光照和温度

混凝土碳化与光照和温度有直接关系。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,加速混凝土碳化。

3.2.3氯离子浓度的影响

氯离子在混凝土液相中形成盐酸,与氢氧化钙作用生成氯化钙。氯化钙在其浓度及湿度较高时,能剧烈地破坏钢筋的钝化膜,使钢筋发生溃烂性锈蚀。氯离子浓度的影响在沿海地区表现更为突出。

3.2.4 冻融和渗漏

在混凝土浸水饱和或水位变化部位,由于温度交替变化,使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛,造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝,导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失,在混凝土表面结成碳酸钙结晶,引起混凝土水化产物的分解,其结果是严重降低混凝土强度和碱度,恶化钢筋锈蚀条件。

4 混凝土碳化处理措施

4.1碳化处理方法

混凝土碳化的程度不同,部位不同,处理方法也不同。对碳化深度过大,钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件(建筑)应拆除重建;对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度,碳化层比较坚硬的,可用优质涂料封闭;对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松剥落的,均应凿除碳化层,粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土;对钢筋锈蚀严重的,应在修补前除锈,并应根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。

4.2 混凝土碳化的防止措施

减小和消除混凝土碳化对结构的影响,关键是对影响碳化的因素加以预防和控制,防患于未然。

4.2.1 设计方面

根据建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素,设计时应合理设计混凝土配合比,对混凝土的保护层采取不同的厚度,应尽量避免一律采用2~3cm。

4.2.2 施工方面

混凝土质量好坏,施工是关键。

一是要认真选择建筑材料。在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境,选择合适的水泥品种;集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料,注意剔除集料中的有害物质,掺入优质适宜的外加剂。

二是要严格控制混凝土的水灰比。要求是小水灰比,低塌落度,要把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内,尽量减少混凝土的自由水。

三是加强振捣和养护。振捣一定要充分并严格按照规定标准进行,养护一定要及时,混凝土达到初凝后立即进行养护,并按不同水泥品种所要求的时间养护,以使混凝土在适宜的环境中进行养护。

四是钢筋混凝土保护层厚度。施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好,使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。

5 结束语

本文简要概括了建筑物混凝土碳化、影响因素及其防治的主要措施,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,合理进行配合比设计;其次是严把施工质量关,加强工程运行中科学管理,发现碳化,及时采取防范保护和修补措施,以达到或延长工程的使用寿命。