21混凝土的碳化.docx

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21混凝土的碳化

第2章材料的劣化与混凝土结构的耐久性

混凝土结构的耐久性破坏都是从混凝土或钢筋的材料劣化开始的，环境条件和自身因素都可以引起材料的劣化。

其中，多数村和劣化是环境条件引起的，如混凝土碳化、冻融破坏、化学侵蚀、表面磨损、钢筋锈蚀；混凝土自身材料也可能劣化，如碱－骨料反应。

显然，上述材料劣化多数是混凝土的材料劣化形式，钢筋的劣化形式主要是钢筋锈蚀。

传统上把上述材料劣化形式分为物理作用和化学作用两类，但混凝土碳化是一个物理化学过程，钢筋锈蚀本身是一个化学过程，也包含O2和Cl－扩散等物理过程，因此，混凝土碳化与钢筋锈蚀过程中既有物理作用，又有化学作用。

图2－1是作者对混凝土结构材料劣化形式的分类。

应该指出，上述对材料劣化形式的分类不是很严密的，每一种材料劣化过程中既有环境条件的影响，又有自身因素的影响，每一种由环境条件（外因）引起的耐久性破坏都是通过材料自身（内因）起作用的，而碱－骨料反应名义上是由自身因素引起，但也必须有潮湿环境等外部条件。

因此，上述对环境条件引起或是自身因素引起的划分是从材料劣化的最初动因来讲的。

很多情况下实际工程的耐久性破坏是多个因素交织在一起的，如海水环境下混凝土结构的破坏可能由冻融循环、盐类结品破坏（盐冻破坏）。

钢筋锈蚀等多个因素引起；路面撤除冰盐引起的混凝土结构破坏既有盐冻破坏，又有Cl－引起的钢筋锈蚀破坏；H2SO4等对混凝土结构的破坏既有酸对混凝土的化学侵蚀作用，又有混凝土中性化引起的钢筋锈蚀作用，等等。

2．1混凝土的碳化

空气。

土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水

泥石中的磁性物质发生反应，使混凝土中的PH值下降的过程称为混凝土的中性化过程，其中，由大气环境中的CO2；引起的中性化过程称为混凝土的碳化。

由于大气中均有一定含量的CO2；，碳化是最普遍的混凝土中性化过程。

混凝土碳化反应产生的CaCO3。

和其他固态产物堵塞在孔隙中，使已碳化混凝土的密安度与强度提高。

另一方面，碳化使混凝土脆性变大，但总体上讲，碳化对混凝土力学性能及构件受力性能的负面影响不大，混凝土碳化的最大危害是会引起钢筋锈蚀。

碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋脱纯锈蚀的前提条件，从而影响混凝土结构的耐久性。

国内外学者对混凝土碳化进村了大量深入研究，内容涉及碳化机理。

碳化的影响因素。

检测方法、预测模型、碳化对钢筋锈蚀的影响等。

前期的研究主要集中在宏观层次上，研究影响因素与预测模型等主要采用以试验为基础的经验法；20世纪80年代末，希腊学者Papadakis从分子层次上矾究厂混凝土碳化的机理，使混凝土碳化研究前进了一大步。

2.1.1混凝土碳化的机理

混凝土碳化是一个复杂的物理化学过程。

普通波特兰水泥混凝土的水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙C3S（3CaO·SiO2）、硅酸二钙C2S（2CaO·SiO2）、铁铝酸四钙C4AF（4CaO·Al2O3·Fe2O3）和铝酸三钙C3A（3CaO·Al2O3）。

有石膏存在时，各矿物成分按如下反应进行：

水泥熟料经水化生成的氢氧化钙Ca（OH）2和水化硅酸钙3CaO·2SiO2·3H2O（简写为CSH）是可碳化物质。

孔隙水与环境湿度之间通过温湿平衡形成稳定的孔隙水膜。

环境中的CO2气体通过混凝土孔降气相向混凝土内部扩散并在孔隙水中溶解，同时，回态Ca（OH）2在孔隙水中溶解并向其浓度低的区域（碳化区域）扩散。

溶解在孔隙水中的CO2与Ca（OH）2发生化学反应生成CaCO3，同时，CSH也在固液界面上发生碳化反应：

碳化反应的结果，一方面，生成的CaCO3和其他固态物质堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续的CO2扩散。

并使混凝土的密实度提高；另一方面，孔隙水中Ca（OH）2浓度及pH则降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。

上述混凝土碳化过程的物理模型见图2－2：

由于碳化使混凝土的孔隙率降低，密实度提高，因而使混凝土的力学性能和构件的受力性能发生一定变化，根据唐岱新等人的研究[27]，碳化使混凝土的抗压强度明显提高，劈拉强度略有提高。

弹性模量有所提高，受压应力—应变曲线上升段和下降段变陡，混凝土的脆性变大，峰值应力提高，峰值应变变化不明显（图2－3）。

碳化还使混凝土与光面钢筋及变形钢筋的粘结强度有所提高。

图2－4为文献[28]中碳化与未碳化混凝土梁的荷载－－挠度曲线对比试验结果，可见混凝土碳化后，梁的承载力有所提高，但极限挠度减小，构件的延性有所降低。

由于一般情况下混凝土的碳化深度较浅，大致与钢筋保护层厚度相当，故混凝土碳化引起的混凝土强度、脆性变化对混凝土力学性能及构件受力性能的影响并不大。

混疑土碳化对混凝土结构的主要负面影响在于其引起的钢筋锈蚀耐久性问题。

2.1.2影响混凝土碳化的因素

从碳化机理可知，影响混凝土碳化的因素为：

属于材料本身的因素，如水灰比、水泥品种、水泥用量、骨料品种与粒径、外掺加剂、养护方法与龄期、混凝土强度等；属于环境条件的因素，如相对湿度、CO2浓度、温度；以及混凝土表面的覆盖层、混凝土的应力状态、施工质量等。

l）材料因素

（1）水灰比

水灰比W/C是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素，其中游离水的多少还关系着孔隙饱和度（孔除水体积与孔除总体积之比）的大小，因此，水灰比是决定CO2有效扩散系数及混凝土碳化速度的本要因素之一。

水灰比增加，则混凝土的孔隙率加大，CO2有效扩散系数扩大，混凝土的碳化速度也加入。

图2－5是作者对碳化深度与水灰比关系的试验结果。

（2）水泥品种与用量

水泥品种决走着各种矿物成分在水泥中的含量，水泥用量决定着单位体积混凝土中水泥熟料的多少，两者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之一。

水泥用量越大，则单位体积混凝土中可碳化物质的含量越多，消耗的CO2越多，从而使碳化速度越慢。

图2－6是作者对碳化深度与水泥用量C关系的试验结果。

在水泥用景相同时，掺混合材的水泥水化后单位体积混凝土中和碳化物质含量减少，且一般活性混合材由于二次水化反应还要消耗一部分可碳化物质Ca（OH）2使可碳化物质含量更少，固碳化速度加快。

因此，相同水泥用量的硅酸盐水泥混凝土的碳化速度最小，普通硅酸盐水泥混凝土次之，粉煤灰水泥、火山灰质硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥混凝土最大。

同一品种的掺混合材水泥，碳化速度随混合材掺量的增加而加大。

文献[30]给出不同品种水泥混凝土的相对碳化速度系数，见表2－1。

（3）骨料品种与粒径

骨料材径的大小对骨料－－水泥浆粘结有重要影响，粗骨料与水泥浆粘结较差，CO2易从骨料－－水泥浆界面扩散。

另外，很多人造或的天然的轻骨料中的火山灰在加热养护过程中会与Ca（OH）2结合，某些硅质骨料发生碱－－骨料反应时也消耗Ca（OH）2。

这些因素都会使碳化速度加快。

（4）掺外加剂

混凝土中掺加城减水剂，能直接减少用水量，而引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡，切断毛细管的通路，两者均可以使CO2有效扩散系数显著减小，从而大大降低混凝土的碳化速度，见表2－1。

（5）养护方法与龄期

养护方法与龄期的不同导致水泥水化程度不同，在水泥熟料一定的条件下生成的可碳化物质含量不等，因此也影响混凝土碳化速度。

若混凝土早期养护不良，会使水泥水化不充分，从而加快碳化速度。

山东省建科所的现场测试表明，水灰比同为0.6的矿渣水泥混凝土，湿养3天时的碳化深度是湿养7天时的1.5倍左右。

（6）混凝土强度

混凝土强度能反映其孔隙率、密文度的大小，因此混凝土强度能宏观地反映其抗碳化性能。

总体说来，混凝土强度越高，碳化速度越小（见图2－7），但试验结果离散性较大，主要原因是混凝土强度难以反映水泥用量等因素对碳化速度的影响。

2）环境条件因素

（1）相对湿度

环境相对湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度，一方面影响着CO2的扩散速度，另一方面，由于混凝土碳化的化学反应均需在溶液中或固液面上进行，相对湿度也是决定碳化反应快慢的主要环境因素之一。

若环境相对湿度过高，混凝土接近饱水状态，则CO2的扩散速度缓慢，碳化发展很慢；若相对湿度过低，混凝土处于干燥状态，虽然CO2的扩散速度很快，但缺少碳化化学反应所需的液相环境，碳化难以发展；

70%－80％左右的中等湿度时，碳化速度最快。

（2）CO2浓度

环境中CO2浓度越大，混凝土内外CO2浓度梯度就越大，CO2越易扩散进人孔隙，同时也使化学反应速度加快。

团此，CO2浓度是决定碳化速度的主要环境因素之一。

一般农村室外大气中CO2浓度为0.03％，城市为0.04％，而室内可达0.l％。

经实测，北京地区室外混凝土的碳化速度约为室内混凝土的72％，而南京水科院对上海港10年混凝土暴露试验表明，低强度混凝土室内碳化速度约为室外潮湿混凝土中的1.6倍，中等强度混凝土除个别外，室内试件碳化深度约为室外的2～3倍”。

这既有室内外相对湿度差异的因素，又有室内外CO2浓度不同的影响。

一般来讲，碳化速度与CO；浓度的平方很近似成正比，混凝土快速碳化试验正是根据这一原理设计的。

（3）温度

温度的升高可促进碳化反应速度的提高，更主要的是加快了CO2的扩散速度，温度的交替变化也有利于CO2的扩散。

3）覆盖层

表面覆盖层对碳化起延缓作用。

混凝土的表面覆盖层通常分为两类：

一类是含可碳化物质的，如砂浆、纸筋石膏灰等；另一类是不含可碳化物质的，如沥青、涂料、瓷砖等。

含可碳化物质的覆盖层，其内部的可碳化物质先与从环境扩散进入的CO2发生碳化反应，消耗CO2，延迟CO2接触混凝土表面的时间即混凝土开始碳化的时间，同时，使混凝土表面的CO2浓度比环境中CO2浓度降低，从而降低混凝土的碳化速度。

沥青、涂料、瓷砖等不含可碳化物质的覆盖层，通常比较致密，能封堵混凝土表面部分开口孔隙，阻止CO2扩散，从而延缓碳化速度。

试验表明，增大覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度对延缓碳化作用的效果明显。

4）应力状态

刘亚芹等研究过单轴拉压状态下混凝土的碳化。

试验结果表明：

当压应力f不超过0.7fc（fc为混凝土的抗压强度）时，压应力对碳化起延缓作用，压应力为0.7fc时的碳化深度与无压应力时相当，可以预计，由于微裂缝的开展加剧，压应力超过0.7fc时会使碳化速度加快，压应力水平f/fc与相对碳化深度x的关系见图2－8。

在拉应力作用下，当拉应力f不超过0.3ft（ft为混凝土的抗拉强度）时，应力作用不明显，当拉应力

为0.7ft时，碳化深度增大近30％，拉应力水平f/ft相对碳化深度的关系见图2－9。

可见，不管是拉应力还是压应力，在高应力水平时必须考虑应力对碳化的不利影响。

5）施工质量

实际工程中，在相同材料、相同环境条件下，混凝土碳化深度的离散性比试验室大得多，密实性差及存在蜂窝、麻面、漏浆、裂缝等缺陷部位的碳化深度比振捣密实、表面无缺陷部位大得多。

可见实际工程的施工质量对碳化的影响可能比材料和环境因素更大，确保工程施工质量是提高结构耐久性的重要环节。

2.1.3混凝土碳化深度检测方法与预测模型

1）混凝土碳化深度的检测方法