混凝土碳化的影響因素及其防護措施探討

孫炳華,李志敏,佟建美

(1.河北省滄州市水利科學研究所,河北滄州 061000;2.河北省滄州市水利勘測設計院,河北 滄州 061000;3.河北省滄州市水務局機關后勤服務中心,河北 滄州 061000)

0 概述

滄州地區六七十年代修建的水工建筑物,尤其是生產橋有相當一部分橋梁、井柱樁、欄桿、扶手等的鋼筋銹蝕膨脹,混凝土保護層脹裂崩落,甚至有的井柱樁斷裂,橋梁倒塌。如滄州市海興縣宣惠河明泊洼生產橋、大浪淀排水渠西侯生產橋即是如此,現均已倒塌。由此可以看出,由于混凝土的碳化,引起內部鋼筋銹蝕,造成混凝土結構物的破壞,在水工建筑物中普遍存在,而且是危害較大,因而應引起重視,并采取防治措施。

1 混凝土碳化機理

混凝土是由水泥石、砂、石骨料、毛細孔和水組合而成的多相體。水泥石、砂、石骨料為固相、水為液相、毛細孔內有氣體為氣相。在這一多相體中,由于水泥的水化反應,使混凝土中存在著相當數量的氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕,當這些氫氧化鈣溶解在毛細孔內的水中后,就使混凝土的液相中呈現較強的堿性。在普遍硅酸鹽水泥混凝土中這種堿性可達到 PH值 13左右。

混凝土的碳化是指大氣中的二氧化碳首先滲透到混凝土內部的孔隙中,而后溶解于毛細孔中的水分,與水泥水化過程中所產生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化產物相互作用,生成碳酸鈣等產物。所以,混凝土碳化是由于混凝土存在著孔隙,里面充滿著水分和空氣,在混凝土的氣相、液相、固相中進行著一個十分復雜的多相物理化學連續過程。有時也將混凝土的碳化稱之為混凝土的中性化,中和反應不斷進行的結果,則使混凝土中的堿性不斷降低,PH值可下降到8.3～ 8.5。

混凝土碳化有增加混凝土強度和減少滲透性的作用,這可能是因為碳化放出的水分促進水泥的水化及碳酸鈣沉淀減少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后,其堿性降低,加快鋼筋腐蝕。

2 混凝土碳化影響因素分析

水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多,有內在因素,也有外界因素。

2.1 影響混凝土碳化的內在因素

2.1.1 水泥品種

一般說來,普通硅酸鹽水泥要比早強硅酸鹽水泥碳化稍快,摻混合材的水泥碳化速度更快,混合材摻量越大,碳化速度越快。摻用優質減水劑或加氣劑,可以大大改善混凝土的和易性,減小水灰比,制成密實的混凝土,使碳化減慢。

2.1.2 骨料品種和級配

混凝土中的骨料本身一般比較堅硬、密實,總的說來,天然砂、礫石、碎石比水泥漿的透氣性小,因此混凝土的碳化主要通過水泥漿體進行。但是,在輕混凝土中,由于輕質骨料本身氣泡多,透氣性大,所以能通過骨料使混凝土碳化。一般說來,輕混凝土比普通混凝土碳化快,需要摻用加氣劑或減水劑來減緩它的碳化速度。

骨料品種和級配不同,其內部孔隙結構差別很大,直接影響著混凝土的密實性。材質致密堅實,級配較好的骨料的混凝土,其碳化的速度較慢。

2.1.3 磨細礦物摻料的品種和數量

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較穩定的膠結物質,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。

2.1.4 水泥用量

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

2.1.5 水灰比

混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關系,混凝土的透氣性越小,碳化進行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實,透氣性小,因而碳化速度就慢。同理,單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。

2.1.6 施工質量

2.1.7 澆筑與養護質量

密實的混凝土表層孔隙很小,易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水,故不易碳化;欠密實的混凝土表層中大孔隙內無水,二氧化碳可以由氣相擴散到充滿水的毛細孔隙而完成碳化。所以越是密實的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土澆筑與養護質量是影響混凝土密實性的一個重要因素。如果混凝土澆筑時不規范,特別是振搗不密實,以及養護方法不當、養護時間不足時,就會造成混凝土內部毛細孔道粗大,且大多相互連通,嚴重時會引起混凝土再現蜂窩、裂縫等缺陷,使水、空氣、侵蝕性化學物質沿著粗大的毛細孔道或裂縫進入混凝土內部,從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。

2.2 影響混凝土碳化的外界因素

2.2.1 酸性介質

酸性氣體(如二氧化碳)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生中和反應,導致水泥石逐漸變質,混凝土的堿度降低,這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗研究已證明,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,能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋發生潰燦性銹蝕。

2.2.2 溫度和光照

混凝土溫度驟降,其表面收縮產生拉力,一旦超過混凝土的抗拉強度,混凝土表面便開裂,導致形成裂縫或逐漸脫落,為二氧化碳和水分滲入創造了條件,加速混凝土碳化。陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高,二氧化碳在空氣中的擴散系數較大,為其與氫氧化鈣反應提供了有利條件,陽光的直接照射,加速了其化學反應和碳化速度。

多普勒超聲技術檢測出643枚淋巴結，其中220枚淋巴結為良性，其中病理證實為惡性43枚，良性177枚；多普勒超聲檢測423枚為惡性，其中病理證實為惡性400枚，良性23枚。統計檢測所得數據，并對結果進行分析，具體統計情況見表2。

2.2.3 含水量和相對濕度

周圍介質的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數的大小。過高的濕度(如 100%),使混凝土孔隙充滿水,二氧化碳不易擴散到水泥石中,過低的濕度(如 25%),則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸,碳化作用都不易進行;當周圍介質的相對濕度為 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周圍介質的相對濕度。實際工程中混凝土結構下部的碳化程度較上部輕,主要是濕度影響的結果。

2.2.4 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,使混凝土內部孔隙水交替地凍結膨脹和融解松弛,造成混凝土大面積疏松剝落或產生裂縫,導致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失,在混凝土表面結成碳酸鈣結晶,引起混凝土水化產物的分解,其結果是嚴重降低混凝土強度和堿度,惡化鋼筋銹蝕條件。

2.3 環境條件

因為碳化是液相反應,十分干燥的混凝土即一直處于相對濕度低于 25%空氣中的混凝土很難碳化;在空氣濕度50%～75%的大氣中,不密實的混凝土最容易碳化;但在相對濕度 ＞95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化,這是因為混凝土含水時透氣性小,碳化慢;在濕度相同時,風速愈高、溫度愈高,混凝土碳化也愈快;混凝土碳化速度與空氣中二氧化碳濃度的平方根成正比。

3 對混凝土碳化侵蝕的防護措施

從以上影響混凝土碳化的主要因素可以看出,一個是環境條件的影響,一個是混凝土本身質量狀態的影響。外部環境是不以人們主觀愿望而改變的。因此,為了保證建筑物有足夠抗碳化能力,必須從混凝土本身質量上及防護措施上加以解決。混凝土本身質量能否具有足夠的抗碳化能力,即足夠的安全運行壽命,它與設計、施工及管理三方面有密切關系。

3.1 合理設計

為了保證混凝土具有足夠的抗碳化能力,保證建筑物安全運行的年限,設計主要是確定兩個合理的指標,一個是混凝土的保護層厚度;一個是混凝土的標號。設計時除考慮結構本身要求外,還要充分考慮抗碳化問題。

3.2 保證施工質量

3.2.1 保證混凝土保護層厚度和墊塊質量

必須保證設計要求的混凝土保護層厚度和墊塊質量。足夠的保護層厚度是防止內部鋼筋銹蝕的重要保證。但在施工中往往對保護層厚度注意不夠,造成鋼筋骨架變形,保護層厚度不均,甚至鋼筋緊貼模板,無保護層。因此,這個部位混凝土碳化很快發展到鋼筋表面。使鋼筋很快銹蝕。另外,墊塊的質量也必須十分注意,墊塊即起到保護層厚度的作用。也是保護層的一部分。因此,墊塊質量不好,不能保證相應的密實性,則它本身就可能成為碳化銹蝕的突破點。因此,在施工中要保證墊塊的尺寸和強度,強度應高于混凝土。

3.2.2 保證混凝土具有足夠的密實性

混凝土的密實程度是抵抗空氣中二氧化碳侵入的重要因素。施工中要認真成型振搗,不產生蜂窩狗洞,并且有良好光潔表面,這樣就能使混凝土具有良好的抗碳化性能。

3.2.3 保證良好的養護條件

成型后的鋼筋混凝土結構具有良好的養護條件,就能保證混凝土中水泥的充分水化。從而就提高了混凝土微觀結構的密實度。也就提高了抗碳化能力。

3.3 加強管理

好的管理是延長混凝土抗碳化年限,防止鋼筋銹蝕混凝土被破壞的重要環節,即對建筑物要經常的、及時的進行觀測,并進行維護和修復,保證完好性就能提高抗碳化能力,延長建筑物使用年限。

4 混凝土碳化的防治

1)選擇合適的水泥品種。在施工中根據建筑物所處的地理位置、周邊環境,選擇合適的水泥品種。在水位變化區及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區選用抗硫酸酸鹽普通水泥。沖刷部位宜選高強度水泥。

2)分析骨料的性質。如抗酸性骨料與水、水泥相互作用,對混凝土的碳化有一定的延緩作用。

3)要選好配合比。適量的外加劑、高質量的原材料、科學的攪拌和運輸、及時的養護等都可以減少滲流水量和其他有害物質對混凝土的侵蝕,以確保混凝土的密實性。

4)設置保護層。如果建筑物地處環境惡劣地區,宜采取環氧基液涂層進行保護,對建筑物地下部分在其周圍設置保護層,并用各種溶注液浸注混凝土,如溶化的瀝青等。

此外,若建筑物一旦發生碳化,最好采用環氧材料修補,若碳化深度較大,可鑿除混凝土松散部分,洗凈進入的有害物質,將混凝土銜接面鑿毛,用環氧砂漿或細石混凝土填補,最后以環氧基液做涂層保護。

[1]李金玉 .混凝土的碳化 .水電科學研究院結構材料所,1986.

[2]馬越 .簡明實用建筑工程手冊.沈陽出版社,1990.

[3]楊靜 .混凝土的碳化機理及其影響因素.混凝土,1995,(6).[4]王博.混凝土碳化機理及其影響因素.水利水電技術,1995,(11).