混凝土工程中碳化问题的研究现状

商品混凝土

2013年第1期 Beton Chinese Edition —— Ready-mixed Concrete 综述评论

混凝土工程中碳化问题的研究现状

屈永红

（延安市建设工程质量检测中心，陕西 延安 710065）

［摘 要］混凝土技术发展的一个最终目标是最大限度地延长其使用寿命，即提高其耐久性。由于混凝土的碳化会使混凝土中的钢筋产生锈蚀从而破坏钢筋混凝土结构，而成为影响混凝土耐久性的一个重要因素。本文从混凝土碳化性能的国内外研究现状、碳化机理及影响因素三个方面阐述了与碳化相关的问题，对混凝土实际工程具有一定的指导意义。［关键词］混凝土；耐久性；碳化

1 前言

混凝土结构因其原料来源广泛、工艺简单、适应性强等诸多优点，成为当今世界上应用最普遍的结构形式之一。混凝土技术发展的一个最终目标是最大限度地延长其使用寿命，即提高其耐久性。“ACI201 委员会”把普通硅酸盐水泥混凝土的耐久性定义为混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力[1]。由于材料失效而进行结构修复和更新的成本日益提高，占建筑总预算的很大一部分。例如，在工业发达国家，建筑业全部资源的大约 40% 都用于修复和维护现有的建筑结构，而用于新建建筑的仅占 60%。结构更新成本的上升，迫使工程师们越来越重视材料的耐久性问题。根据美国土木工程学会 2001 年的调查，美国有 29% 以上的国家级桥梁老化，估计在 20 年内，每年要投入106亿美元进行桥梁治理。根据美国土木工程学会的估计，美国在未来 5 年内，需投入 1300 亿美元改善基础设施的安全不良状态，以适应 21 世纪的发展。我国混凝土的耐久性问题更为突出，有的建筑在使用 2～10 年后，为保持其工作能力而花去的费用早已超过其结构造价本身[2]。

碳化是影响混凝土耐久性的重要因素之一，它除了会引起混凝土碳化收缩裂缝外，更主要的是会降低混凝土的碱度，从而消除钢筋表面的钝化膜（脱钝），最终导致钢筋锈蚀。美国标准局 1975 年的调查表明：美国全年各种腐蚀造成的损失约为 700 亿美元，其中因混凝土碳化引起的钢筋锈蚀损失占 40%（280 亿美元）。在英国，由于混凝土碳化引起钢筋锈蚀而需要重建或更换钢筋混凝土的建筑物占 36%。在我国，建设部统计资料表明，现有的 70 亿 m2 建筑物中有 50% 进入老化阶段，其中有 10 亿～12 亿 m2 需加固改造才能安全使用。据调查，在一般大气环境下有 40% 的工业民用建筑结构的混凝土已碳化到钢筋表面，在较潮湿环境下有 90% 构件的钢筋已经锈蚀。对某高速公路段内的路桥调查显示，20 世纪 90 年代中期建成的混凝土结构，使用约 8 年，混凝土碳化深度已达 10mm 以上[3]。总之，碳化普遍存在于混凝土工程中，由混凝土碳化引起的钢筋锈蚀已经或正在给国民经济带来巨大的损失。

2.1 混凝土碳化研究现状

影响混凝土结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。对全国 32 座大型混凝土坝及 46 座钢筋混凝土闸、涵、渡槽的调查中发现，碳化病害占调查总数的 40%～50%。我国 20 世纪 50、60 年代，甚至 70 年代建造的钢筋混凝土结构，不同程度地受到了碳化的影响，而且日趋严重[4-6]。

20 世纪 60 年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，对混凝土碳化进行了大量的试验研究和理论分析。国内在这方面起步较晚，从 20 世纪 80 年代开始研究混凝土碳化和钢筋锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试验及实际工程调查，研究混凝土碳化影响因素与碳化深度模型。国内外许多研究者把“碳化”作为影响混凝土耐久性的主要因素进行了大量的研究工作，取得了不少研究成果[7-9]。

目前，对混凝土碳化的研究内容主要包括：① 混凝土原材料性质及配制技术对碳化的影响，如水泥种类、骨料种类、各种无机矿物掺合料、水胶比、拌合物含气量及离析泌水等情况对碳化的影响[10-13]；② 施工质量及养护制度对混凝土碳化的影响，如振捣密实程度、养护的温度及湿度对碳化的影响[14]；③ 混凝土结构物所处的环境因素对碳化的影响，如大气的湿度、二氧化碳及其它酸性气体浓度、盐分含量，环境中水的酸碱度、水中无机盐（特别是氯盐）含量等对碳化的影响[15,16]；④ 各种应力作用对混凝土碳化的影响，如压应力、弯应力和拉应力等对碳化的影响[17-21]；⑤ 多因素耦合作用对混凝土碳化的影响，如综合考虑外荷载、环境腐蚀介质、混凝土性状等对碳化的影响[22,23]；⑥ 混凝土碳化机理、碳化速度与深度随时间变化的模型、碳化的控制措施、碳化与钢筋锈蚀的关系等的研究[24]。2.2 混凝土碳化机理

混凝土碳化机理的研究涉及宏观和微观两个方面，一些学者运用化学分析、X 衍射分析、热重分析、化学热力学原理及有限元计算等方法开展碳化机理的研究。众所周知，硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙 (C3S) (37%～60%)、硅酸二钙 (C2S) (15%～37%)、铝酸三钙 (C3A) (7%～15%) 和铁铝酸四钙 (C4AF) (10%～18%) 四种矿物组成。当硅酸盐水泥熟料单矿物与水接触时，立即与水发生水化反应，其水化产物

2 国内外研究现状

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综述评论 Beton Chinese Edition —— Ready-mixed Concrete 2013年第1期

主要有氢氧化钙 (Ca(OH)2) (约占 20%)、水化硅酸钙 (C-S-H) (约占 50%～60%)、水化铝酸钙 (3CaO·Al2O3·6H2O)、钙矾石 (AFt) 和水化铁酸钙 (CaO·Fe2O3·H2O)，其中能发生碳化反应的水化产物有 Ca(OH)2、C-S-H 以及 AFt。正常情况下，硅酸盐水泥遇水进行水化后，混凝土孔隙中水溶液为 Ca(OH)2 饱和溶液，其 pH 值一般为 12～13，呈强碱性。

由于 Ca(OH)2 在水中的饱和溶解度比较低，水泥水化生成的 Ca(OH)2 只有少量溶解于混凝土孔隙溶液中，使混凝土孔隙溶液变为饱和 Ca(OH)2 溶液，其 pH 值一般为 12.5～13.5，其余大部分 Ca(OH)2 仍以晶体形态存在，作为混凝土孔隙溶液保持高碱性的碱储备而存在于混凝土孔隙周围。有资料显示，这种高碱性的环境会在钢筋周围形成一层钝化膜，起到保护钢筋的作用，可以使钢筋免遭锈蚀。

在实际施工过程中，由于施工技术的差异以及养护条件的限制，混凝土在凝结硬化过程中会受到施工条件、化学收缩、塑性收缩、干湿变形、自由水蒸发、徐变等因素的影响，在混凝土内部产生缺陷，如孔隙、气泡、裂缝等，使混凝土成为含有固、液、气三相的非均匀物质。大气中的 CO2 会通过这些缺陷进入到混凝土内部，与混凝土孔隙溶液中的 Ca(OH)2 发生酸碱中和反应，而孔隙周围水泥石中的 C-S-H 和 AFt 也会在固—液界面上发生碳化反应。杨长辉[25]分析研究了 Ca(OH)2 与水化硅酸钙 (C-S-H) 的碳化作用，结果表明，Ca(OH)2 与 C-S-H 同时发生碳化反应，分别形成方解石和无定形硅胶，无定型硅胶可能形成稳定性差、结晶度差的球霰石、文石；而 C/S 低、结晶度差的 C-S-H 凝胶易于碳化；混凝土孔隙溶液中的碱含量越高，碳化速度越快，碳化深度越大。Ca(OH)2 的碳化过程包括 CO2 先扩散到混凝土的孔隙中并溶于混凝土的液相形成碳酸，再解离出 H+、HCO3- 和 CO32- 与溶解的 Ca(OH)2 发生反应生成 CaCO3。AFt 的碳化过程[26]包括水吸附在钙钒石表面成为吸附水，气相 CO2 与吸附水反应生成吸附态碳酸，吸附态碳酸与钙钒石反应生成 CaCO3、石膏和铝胶。而 T. Nishikawa 等人[28]研究表明，钙矾石在干燥和潮湿的环境条件下有着不同的碳化机理，在干 …… 此处隐藏：10187字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……