水工混凝土碳化的原因及預(yù)防措施

袁繽絡(luò)

摘要:混凝土碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)破壞影響很大。本文通過(guò)對(duì)混凝土的碳化機(jī)理及影響因素分析,提出了水工建筑物混凝土碳化的防治措施,原則上應(yīng)為防重于治,以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。

關(guān)鍵詞:防治;混凝土碳化;凍融破壞;水工建筑物

1 水工混凝土碳化的危害

混凝土碳化,會(huì)引起鋼筋銹蝕,導(dǎo)致其體積膨脹,使混凝土保護(hù)層開(kāi)裂,直至使混凝土剝落,嚴(yán)重的影響了混凝土建筑物的耐久性。因此必須采取相應(yīng)措施,防止混凝土的碳化或降低碳化速度。

2 混凝土碳化機(jī)理

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕。空氣中CO2氣滲透到混凝土內(nèi),與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水,使混凝土堿度降低的過(guò)程稱為混凝土碳化,又稱作中性化,其化學(xué)反應(yīng)為:Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。水泥在水化過(guò)程中生成大量的氫氧化鈣,使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液,其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用,使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4,稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低,當(dāng)碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí),在水與空氣存在的條件下,就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用,鋼筋開(kāi)始生銹。可見(jiàn),混凝土碳化作用一般不會(huì)直接引起其性能的劣化,對(duì)于素混凝土,碳化還有提高混凝土耐久性的效果,但對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō),碳化會(huì)使混凝土的堿度降低,同時(shí),增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量,因而會(huì)使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱。

3 混凝土碳化的原因

3.1 混凝土碳化的內(nèi)在原因

3.1.1 水泥品種

不同的水泥,其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學(xué)成分不同,直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度,對(duì)碳化速度有重要影響。一般而言,水泥中熟料越多,則混凝土的碳化速度越慢。外加劑(減水劑、引氣劑)一般均能提高抗?jié)B性,減弱碳化速度,但含氯鹽的防凍、早強(qiáng)劑則會(huì)嚴(yán)重加速鋼筋銹蝕,應(yīng)嚴(yán)格控制其用量。

3.1.2 集料品種和級(jí)配

集料品種和級(jí)配不同,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大,直接影響著混凝土的密實(shí)性。材質(zhì)致密堅(jiān)實(shí),級(jí)配較好的集料的混凝土,其碳化的速度較慢。

3.1.3 磨細(xì)礦物摻料的品種和數(shù)量

如具有活性水硬性材料的摻料,其不能自行硬化,但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強(qiáng)較穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì),使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下,摻料量取代水泥量越多,混凝土的碳化速度就越快。

3.1.4 水泥用量

增加水泥用量,一方面可以改變混凝土的和易性,提高混凝土的密實(shí)性;另一方面還可以增加混凝土的堿性儲(chǔ)備,使其抗碳化性能增強(qiáng),碳化速度隨水泥用量的增大而減少。

3.1.5 水灰比

在水泥用量一定的條件下,增大水灰比,混凝土的孔隙率增加,密實(shí)度降低,滲透性增大,空氣中的水分及有害化學(xué)物質(zhì)較多的浸入混凝土體內(nèi),加快混凝土碳化。

3.1.6 施工質(zhì)量

施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí),造成混凝土強(qiáng)度低,蜂窩、麻面、空洞多,為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件,加速了混凝土的碳化。

3.1.7 養(yǎng)護(hù)質(zhì)量

混凝土成型后,必須在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的混凝土,具有膠凝好、強(qiáng)度高、內(nèi)實(shí)外光和抗侵蝕能力強(qiáng),能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內(nèi),延緩碳化速度。

3.2 混凝土碳化的外在原因

3.2.1 酸性介質(zhì)

酸性氣體(如CO2)滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸,與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng),導(dǎo)致水泥石逐漸變質(zhì),混凝土的堿度降低,這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗(yàn)研究已證實(shí),混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比,即混凝土碳化速度系數(shù)隨二氧化碳濃度的增加而加快。混凝土中鋼筋銹蝕的另一個(gè)重要和普通的原因是氯離子(CL-)作用。氯離子在混凝土液相中形成鹽酸,與氫氧化鈣作用生成氯化鈣,氯化鈣具有高吸濕性,在其濃度及濕度較高時(shí),能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋發(fā)生潰燦性銹蝕。

3.2.2 溫度和光照

混凝土溫度驟降,其表面收縮產(chǎn)生拉力,一旦超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土表面便開(kāi)裂,導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落,為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件,加速混凝土碳化。

陽(yáng)面混凝土溫度較背陽(yáng)面混凝土溫度高,二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)較大,為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件,陽(yáng)光的直接照射,加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。

3.2.3 含水量和相對(duì)濕度

四周介質(zhì)的相對(duì)濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過(guò)高的濕度(如100%),使混凝土孔隙布滿水,二氧化碳不易擴(kuò)散到水泥石中,過(guò)低的濕度(如25%),則孔隙中沒(méi)有足夠的水使二氧化碳生成碳酸,碳化作用都不易進(jìn)行;當(dāng)四周介質(zhì)的相對(duì)濕度為50~70%,混凝土碳化速度最快。因此,混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及四周介質(zhì)的相對(duì)濕度。實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)下部的碳化程度較上部輕,主要是濕度影響的結(jié)果。

3.2.4 凍融和滲漏

在混凝土浸水飽和或水位變化部位,由于溫度交替變化,使混凝土內(nèi)部孔隙水交替地凍結(jié)膨脹和融解松弛,造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫,導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會(huì)使混凝土中的氫氧化鈣流失,在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶,引起混凝土水化產(chǎn)物的分解,其結(jié)果是嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和堿度,惡化鋼筋銹蝕條件。

4 混凝土碳化的預(yù)防措施

4.1 設(shè)計(jì)方面

根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素,分別對(duì)混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度,應(yīng)盡量避免一律采用2~3cm。

4.2 施工方面

混凝土質(zhì)量好壞,施工是關(guān)鍵。一是要認(rèn)真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強(qiáng)的硅酸鹽水泥;集料選用質(zhì)地硬實(shí)和級(jí)配良好的砂和石料;施工中除砂要篩、石要洗外,還要非凡注重剔除集料中的有害物質(zhì)。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質(zhì)適宜的外加劑,如減水劑、阻水劑等,以改善混凝土的某些性能,提高其強(qiáng)度和密實(shí)性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴(yán)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滿足配料和施工需要的最低范圍內(nèi),盡量減少混凝土的自由水。四是振搗和養(yǎng)護(hù),振搗一定要充分并嚴(yán)格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,必要時(shí)可作表面處理;養(yǎng)護(hù)一定要及時(shí),一旦混凝土達(dá)到初凝時(shí),就應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù),并堅(jiān)持按不同水泥品種所要求的時(shí)間養(yǎng)護(hù),控制好環(huán)境的溫度和濕度,以使混凝土在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。五是鋼筋混凝土保護(hù)層厚度,施工時(shí)要將鋼筋用事先預(yù)制好的高標(biāo)號(hào)砂漿墊塊墊好,使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。六是施工縫要做到少留或不留,必須要留的,應(yīng)作好接縫處的工藝處理。

4.3 使用方面

對(duì)于水工建筑物在使用上不要隨意改變?cè)O(shè)計(jì)的使用條件。因?yàn)樗そㄖ锸褂脳l件的改變,直接關(guān)系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內(nèi)部某些情況的變化,尤其是對(duì)于混凝土構(gòu)件的輕易碰撞部位,更應(yīng)當(dāng)設(shè)置包角和隔層保護(hù)。

4.4 治理方面

對(duì)于水工建筑中混凝土構(gòu)件的治理,主要是定期檢查、加強(qiáng)維護(hù)。對(duì)于輕易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件,則應(yīng)派專人定期觀察及測(cè)試溫度、濕度,檢查裂縫情況和碳化深度,并作好具體記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象時(shí),則應(yīng)及時(shí)利用防護(hù)涂料對(duì)混凝土表面進(jìn)行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施,絕對(duì)不答應(yīng)其裂縫繼續(xù)擴(kuò)大,必要時(shí)可作混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

影響水工建筑物中混凝土碳化的因素很多,問(wèn)題比較復(fù)雜,預(yù)防對(duì)策還有待于進(jìn)一步分析研究。混凝土的碳化雖然能對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響,但只要科學(xué)施工,嚴(yán)格管理,采取各種措施,預(yù)防混凝土的碳化或減慢碳化速度是完全有可能做到的。