試析混凝土碳化與鋼筋混凝土耐久性

徐曉蕾

（鹽城工學院土木工程學院 224001）

鋼筋混凝土的使用壽命有限，影響其壽命的因素可分為內部因素和外部因素。內部因素是混凝土質量和保護層，外部因素是自然環境和工業環境。不同的侵蝕原因會有不同侵蝕后果，有的會使混凝土毀滅，有的會侵蝕鋼鐵，使混凝土開裂剝離，雖然侵蝕的速度是不同的，但最終都會使鋼筋混凝土的構造功能發生退化，因此分析構造功能是非常有必要的。

1 混凝土碳化原因

混凝土是一種多孔材料，內部含有毛細管、孔和氣泡。當空氣中的二氧化碳進入到混凝土孔隙及毛細管中并進行溶解，氫氧化鈣、硅酸三鈣和磷酸氫鈣等物質會形成水泥的中間產物碳酸鈣，最后碳化。換句話說，污染物中的酸性氣體與二氧化碳充分接觸，即使二氧化碳的體積遠遠大于酸性氣體，但是二氧化碳是弱酸。所以，形成的氣體進入到混凝土表面時，堿性物質會比酸性物質先發生反應，酸性氣體如二氧化硫、鹽酸等會氫氧化鈣進行中和反應。

2 碳化影響鋼筋混凝土的耐久性

2.1 碳化后混凝土鋼筋的力學性能

碳化后，鋼筋的力學性能直接影響構件的承載能力，嚴重時會使結構提前失效甚至坍塌。當鋼筋被銹蝕時，鋼筋的失重率約等于鋼筋橫截面積的損失率，鋼筋的承載能力與鋼筋橫截面積的銹損率幾乎成正比。與此同時，可以簡單的用銹蝕鋼筋的橫截面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強度得到銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。由于混凝土具有不均一性、使用環境具有不穩定性、鋼筋各部位受力面積不同等等，實際上在正常施工過程中很出現鋼筋均勻銹蝕的情況。一般情況下，鋼筋重量損失率小于截面面積損失率，隨著鋼筋銹蝕時間的延長，就會增大銹蝕的離散性和不均勻性。與此同時，重量損失程度與橫截面積損失程度也越來越明顯、如此一來，就降低了鋼筋的抗拉能力。

2.2 碳化后對鋼筋與混凝土共同作用產生的影響

混凝土受到碳化后，鋼筋和混凝土之間的粘結錨固性會降低。實驗證明，銹蝕后的鋼筋、混凝土中的主梁抗彎承載力試驗值小于僅考慮銹蝕后鋼筋截面積減小、降低屈服強度獲得抗彎承載力值，也就表明鋼筋和混凝土共同作用使其粘度降低也是影響其梁抗彎承載力的主要原因。另外，受拉鋼筋需要乘以協同工作系數，結合粘結退化因素，綜合考慮對鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響。

2.3 混凝土碳化后對鋼筋混凝土結構性能的影響

一旦混凝土中鋼筋出現生銹和腐蝕的情況，就會在其表面形成一層疏松性的產物，這種銹蝕產物還會向周圍的孔隙蔓延擴散。銹蝕產物不容小覷，其體積累積起來是鋼筋體積的兩倍還多。體積膨脹到一定程度，會使鋼筋外的混凝土產生環向拉應力，當力的大小達到抗拉強度時，就會產生交接處的內部裂縫，銹蝕程度越大銹蝕產物越多其力也就越大，進而導致混凝土的結構遭到嚴重的破壞，甚至還會產生保護層的剝落，嚴重影響混凝土的使用。

3 提高耐久性的主要方法

3.1 保護層厚度

保護層的厚度可以延緩混凝土碳化的時間以及侵蝕介質存留鋼筋表面的時間，同時還可以提高混凝土對膨脹力的抵抗能力。但是過厚的保護層同樣會導致混凝土產生裂縫，通過研究得知，保護層厚度和混凝土耐用性存在著一定的關系。保護層厚度的平方與銹蝕所需的時間呈正比關系，并且在正常的大氣環境下，每減少25%的保護層厚度，碳化時間就會縮短一半。同時每減少1cm的保護層厚度就會增加 10%的透氧量，因此從這幾點可以看出，并不是保護層的厚度越大，起到的效果就越好。雖然保護層厚度對鋼筋的銹蝕影響這個技術并不是太大的難題，但是我國的標準制定要求過低，不能有效控制這類問題的發生，這同時也導致技術性較低的問題也沒有得到很好的解決。相比國外的混凝土保護層設計厚度和技術，我們還有很大的提升空間和改進空間。

3.2 水泥品種

水泥的品種不同，相對應的作用力也不同。抗硫酸鹽普通水泥可適用于要求不高的干濕交替部位，并摻雜一定量的粉煤灰和礦渣。想要提高混凝土的抗碳化能力，可以在使用粉煤灰時加入一定量的減水劑，砂子的強度相對較高可以用粉煤灰代替。

3.3 水泥用量和水灰比

碳化的速度與密實性緊密相關，密實性能越好，相對碳化的速度也就越慢。水灰比小的混凝土密實性較好，碳化的速度就比水灰大的速度慢，相同條件下，水灰小的抗碳化能力也較好。一般施工采用的加大水泥用量的方法可行性并不高，反而是合理的設計水灰比和保護層厚度，才能夠從根本上解決混凝土結構的問題。再加上后期的保養和維護，混凝土的碳化問題就能得到延緩，這也就延長了混凝土的耐久性，提高了使用性能。

3.4 施工質量

除了混凝土材料本身的一些因素，施工質量和后期的維護工作也是不能忽視的。如果在施工期間操作不當，如澆筑步驟不規范，振搗的頻率和次數不符合要求，都會對混凝土的密實性產生很大負面影響。過大的孔隙會使空氣和水分進入，這也就加劇了鋼筋的銹蝕程度。同樣，施工后期的維護工作不及時，出現了細小的裂紋沒有及時整改，也會逐漸累積破壞混凝土的結構，減短使用壽命。因此我們要格外重視施工期間的操作和規范性，并定期對工程進行維護和保養。

4 實際案例

4.1 項目簡介

某鋼筋混凝土T型橋梁，其始建于上世紀六十年代，全長約90米，下部結構采用了U型橋臺、柱式墩、擴大基礎。該橋梁受設計、施工條件以及通車量等因素的影響，出現了多種病害，如土層剝落、鋼筋腐蝕以及開裂等，嚴重的影響了橋梁的耐久性。

4.2 病害產生的原因

1）材料因素

在大氣環境的影響下，空氣中二氧化碳與混凝土中的堿性物質發生碳化反應，導致混凝土堿性降低，包裹鋼筋的鈍化膜出現破損，導致鋼筋出現銹蝕，進而增大混凝土表面的裂縫，最終造成混凝土的大量剝落。

2）環境因素

該橋梁處于亞熱帶季風氣候區，其夏季高溫多雨，這種氣候加快了混凝土的碳化速度。再加上長時間的高溫作用，使得混凝土出現松散，而混凝土的松散為潮濕空氣的進入提供了條件，最后使內部鋼筋脫碳變質，影響了鋼筋和混凝土之間的粘結效果，從而引發病害。

3）歷史因素

由于該橋的建設時間較早，在設計時雖然按照當時的規范要求進行操作，不過卻未對結構的耐久性進行考量。再加上當時施工條件的制約，施工技術的不完備，使得其在后續使用中，隨著交通量和荷載量的增加而出現不同問題。

4.3 改善措施

對該橋的碳化以及鋼筋銹蝕等情況進行檢查和分析可以得出，對于碳化較小且鋼筋被完好包裹在混凝土內部的構件，可以利用較高標號的混凝土進行補強作業；而對于碳化較小，混凝土松散且伴有大面積剝落問題的構件，需要先將松散部位予以去除和清理，之后再利用較高標號的混凝土或者砂漿進行補強；對于碳化較為嚴重，鋼筋銹蝕的構件，需要先對鋼筋實行除銹和防銹處理，再在混凝土和鋼筋表面涂抹粘合劑，之后利用混凝土抹平；對于裸露在外的大面積鋼筋且存在較為嚴重銹蝕情況的構件，需要先加補鋼筋之后再利用砂漿補強；至于混凝土表面的裂縫，則可以利用灌漿方式實行處理。

4.4 加固后的最終效果

在加固作業完成后，經過長時間的觀察可以看出，混凝土的密實性和膠黏劑性能都有著一定程度的改進，且并未出現開裂或者脫落等情況，也未出現鋼筋和混凝土脫空或者鋼筋銹蝕問題，橋梁可以正常使用，加固效果良好。

5 結語

混凝土的結構受多種因素影響，而本文則分析了各種影響因素并提出了解決方案，以期能夠對行業發展起到積極的促進作用。

[1]張金喜,冉晉,馬寶成,王建剛.碳化對混凝土抗凍性的影響及機理[J].建筑材料學報.2017(01)