砼碳化对钢筋结构质量的影响与防治

刘碧霄

摘 要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。混凝土是建筑施工领域极为常见的材料类型，有着广泛的市场，但由于材料本身质量不合格以及工程建设环节的人为失误等原因，导致混凝土碳化问题严重，进而影响了混凝土结构的性能。本文就砼碳化对钢筋结构质量的影响与防治展开探讨。

关键词：混凝土;碳化;钢筋锈蚀;修补方法

碳化是空气中的二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用的很復杂的一种化学过程。在某些条件下，砼的碳化会增加其密实性，提高砼的抗化学腐蚀能力。但由于碳化会降低砼的碱度，破坏钢筋表面的纯化膜，使砼失去对钢筋的保护作用，给砼中钢筋锈蚀带来不利影响。同时，砼碳化还会加剧砼的收缩，这些都会导致结构的破坏。所以，碳化对钢筋砼结构的耐久性有很大影响，从而影响结构的质量。

一、砼碳化破坏机理

砼是一个多孔的结构，其内部存在许多的孔隙、气泡缺陷，具有一定的渗透性。因而在空气接触时，空气中的二氧化碳首先渗透到砼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体，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙晶体和水。一方面，水份蒸发后必然导致砼体积缩小。另一方面，形成碳化层砼的PH值约为9左右。当PH<10时，钢筋的氧化层迅速破坏，在潮湿和氧存在的条件下，钢筋产生锈蚀。

二、混凝土碳化原因

混凝土是一种多孔材料，内部含有毛细管、孔和气泡。当空气中的二氧化碳进入到混凝土孔隙及毛细管中并进行溶解，氢氧化钙、硅酸三钙和磷酸氢钙等物质会形成水泥的中间产物碳酸钙，最后碳化。换句话说，污染物中的酸性气体与二氧化碳充分接触，即使二氧化碳的体积远远大于酸性气体，但是二氧化碳是弱酸。所以，形成的气体进入到混凝土表面时，碱性物质会比酸性物质先发生反应，酸性气体如二氧化硫、盐酸等会氢氧化钙进行中和反应。

三、碳化作用的危害

碳化作用主要引起钢筋砼结构的表面损坏，它是大气中二氧化碳侵入砼的结果。一般情况下，碳化深度与时间的平方根成正比。因此，表面砼迅速碳化，然后其碳化速度由表及里下降。碳化速率还取决于水泥的用量和它的渗透性。因此，对于碳化对钢筋结构的破损来说，主要是碳化引起的钢筋锈蚀而使体积膨胀及砼表面收缩，并对周围的砼产生拉应力，当超过砼的抗拉极限时，造成砼结构开裂，从而降低结构的强度和耐久性。

四、混凝土碳化对钢筋的影响

混凝土本身对钢筋是有保护作用的，因为混凝土的存在会是钢筋经过化学反应后有一个纯化膜，如果混凝土碳化，就会破坏这层保护膜，钢筋在水和氧气的作用下很快发生腐蚀，性能直线下降。详细的过程如下所示;未碳化的混凝土呈碱性，混凝土中钢筋保持钝化状态的最低碱度是pH值为11.5，碳化后的混凝土pH值为8.5～9.5。碳化现象的出现，导致混凝土的碱度直线下滑，且会同时使得孔溶液中氢离子数目增多，这酒削弱了其对钢筋的保护效果。当碳化程度远远大于混凝土保层，一旦与水、空气等物质接触便会发生化学反应，出现钢筋被锈蚀的问题。生锈了的钢筋，其体积会成倍上升，形成较大的膨胀应力，进而引起混凝土出现裂缝的问题。通过裂缝，水和CO2能够直接进入内部，反过来加快碳化和钢筋锈蚀速度。

五、破损面修补处理方法

（一）准备工作

修补处理前的准备工作主要包括两个方面。一是破损面的清理;二是修补材料的选用。首先必须清除疏松的砼，可以用切割出浅槽划定清理范围，以便形成到此为整齐而规则的边缘。再用冲击工具对疏松砼进行清除，深度至少10mm，应保证暴露钢筋受腐蚀的全部范围，并能够对钢筋进行清理。若钢筋直径较小时，通常是去掉钢筋周围的砼，彻底清洗钢筋。修补材料可采用水泥基材料。因为水泥基材料不仅能为钢筋提供碱性的环境，使钢筋表面形成一层纯化膜，而且施工质量易于保证，费用也较低。

（二）水泥用量和水灰比

碳化的速度与密实性紧密相关，密实性能越好，相对碳化的速度也就越慢。水灰比小的混凝土密实性较好，碳化的速度就比水灰大的速度慢，相同条件下，水灰小的抗碳化能力也较好。一般施工采用的加大水泥用量的方法可行性并不高，反而是合理的设计水灰比和保护层厚度，才能够从根本上解决混凝土结构的问题。再加上后期的保养和维护，混凝土的碳化问题就能得到延缓，这也就延长了混凝土的耐久性，提高了使用性能。

（三）修补方法

修补工作应分若干层施工。首先在砼表面涂以粘结层。粘结层材料可采用两份水泥对一份聚合物（如丙稀酸乳液）。在粘结层尚处于潮湿状态时，就应立即进行第一层修补材料的施工。修补材料通常是1：2.5或1：3的水泥砂浆。也可在水泥砂浆中掺入10%的聚合物外加剂，这样可改善修补材料的粘结力及提高修补砂浆的变形能力。每一层的施工厚度一般不超过20mm。对于修补表面要求光滑的结构，在最后一层施工中必须采用细砂。实践证明，砼碳化破损面的修补是一项难度很大的施工内容。同时，其修复后的性能也很难完全满足原有的性能及质量要求。因此，对碳化作用，应从防止入手。首先应选择抗碳化性能好的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，并有足够的水泥水量。在施工时，应采用机械震捣，以保证砼的密实性。有条件时，可采用表面涂层或表面覆盖层的方法，隔绝砼与大气的直接接触。在设计方面，可适当增加保护层的厚度，使其厚度大于50mm，保护钢筋免遭锈蚀。采用水泥基材料修补时，应尽可能避免采用加热养护以加速砼硬化。当采用自然养护时，应按有关规定，经常洒水养护，以减水份蒸发和表面裂缝。

（四）做好混凝土碳化的预防与处理工作

在事前预防方面，由于碳化危害大，处理麻烦，因此最好能在施工过程中注意预防，尽可能地控制碳化的程度和威胁性。在对混凝土进行搅拌处理时，可以根据施工现场实际需要适当增加掺合料，借助外加剂的作用，全部材料质量满足施工需要。搅拌时要对材料配比做合理把握，把控好拌合物的坍落度，在达到泵送条件的前提下尽可能降低坍落度。建设单位需要做好施工人员的日常培训和素质教育工作，帮助其掌握防止碳化、提升钢筋耐久性求的基本技巧和理论知识。在事后处理方面，由于不同混凝土结构可能会出现差异化的碳化现象，产生碳化的位置不同，其处理技术也应该是多元化的。对于深度超常的碳化，会形成严重的钢筋锈蚀问题，此时需要对可能危机建筑安全的关键结构元件进行拆除处理。对于深度不大且在钢筋保护层厚度范围内的碳化现象，其碳化层往往相对坚固，施工人员可以直接用涂料进行封闭处理。而对于某些钢筋被大范围、深度锈蚀的部分，则需要在修补前做妥善的除锈处理，并且根据实际情况适当加补钢筋。

六、结语

碳化是空气中的二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用的很复杂的一种化学过程。在某些条件下，砼的碳化会增加其密实性，提高砼的抗化学腐蚀能力。但由于碳化会降低砼的碱度，破坏钢筋表面的纯化膜，使砼失去对钢筋的保护作用，给砼中钢筋锈蚀带来不利影响。同时，砼碳化还会加剧砼的收缩，这些都会导致结构的破坏。所以，碳化对钢筋砼结构的耐久性有很大影响，从而影响结构的质量。

参考文献：

[1]武海荣.混凝土结构耐久性环境区划与耐久性设计方法[D].杭州：浙江大学，2017.

[2]吴庆令.海洋环境钢筋混凝土受弯构件的耐久性与寿命预测[D].南京：南京航空航天大学，2018.

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