混凝土碳化研究綜述

劉道寬 王 磊 劉芳芳 趙燕茹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

大氣環(huán)境中的CO2與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，混凝土的pH值降低，這個過程稱為混凝土的碳化。混凝土中的pH值降低會使鋼筋表面的鈍化膜逐漸被破壞，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。這些都會對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生一些不良的影響。因此 ,進行混凝土碳化作用研究分析，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究具有重要的意義。

1 碳化機理

水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化物主要包括氫氧化鈣、水化硅酸鈣、未水化的硅酸三鈣、硅酸二鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及鈣礬石［1］。其中氫氧化鈣約占三分之一［2］。其碳化的化學(xué)過程主要是，CO2氣體融于混凝土孔隙中的水形成碳酸，碳酸與混凝土的水化物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鈣，氫氧化鈣溶出以補充混凝土孔隙液相中的氫氧化鈣濃度，所以早期的混凝土呈堿性。混凝土PH一般大于12.5，在如此高的堿性環(huán)境中，鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，并在鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠有效阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)空氣中的二氧化碳和水汽從混凝土表面通過空隙進入混凝土內(nèi)部和混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，會導(dǎo)致混凝土的PH值降低。當(dāng)混凝土完全碳化后，就會出現(xiàn)PH值小于9的情況，這時，混凝土中的鋼筋表面的鈍化膜會逐漸被破壞，在加上一些其他的條件，鋼筋就會發(fā)生銹蝕［3］。鋼筋的銹蝕會產(chǎn)生體積膨脹進而導(dǎo)致混凝土保護層開裂、以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞。

2 影響碳化的因素

混凝土的碳化是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它的碳化速率取決于二氧化碳氣體的擴散速率及二氧化碳與混凝土成分的反應(yīng)性［4］。而二氧化碳氣體的擴散速率又受混凝土本身的組織密實性、二氧化碳氣體的濃度等影響。因此，本文大致總結(jié)為材料、環(huán)境和施工三類因素。

2.1 材料因素

首先是水灰比的影響，水灰比越大孔隙率越大，能夠更有效的促進二氧化碳擴散，從而加速了碳化過程。其次混凝土的碳化性能與水泥的品種與用量有關(guān)，在水泥品種確定的情況下，水泥用量越大, 單位體積混凝土中可碳化的水化產(chǎn)物就越多，可以消耗的 CO2也就越多，從而碳化速率越小。［5］

2.2 環(huán)境因素

影響混凝土碳化的環(huán)境因素主要包括以下幾個：（1）二氧化碳的濃度，二氧化碳的濃度越大，從分子理論來說擴散速度就越快，碳化的也就越快。（2）溫度，試驗研究表明，溫度對氣體的擴散速率較大，溫度升高，碳化速率加快。（3）濕度，濕度太小缺少碳化的水分，碳化就較慢；水分太多會阻止二氧化碳擴散，碳化也較慢。試驗研究表明，濕度在50%-70%時，碳化速度較快。（4）風(fēng)，風(fēng)壓和風(fēng)向都會對碳化有影響，風(fēng)壓會加速碳化，但風(fēng)比較復(fù)雜，很難具體的反映影響的大小［6］。

2.3 施工因素

施工因素主要指的是混凝土的攪拌、振搗以及養(yǎng)護等其他條件。主要是通過影響混凝土的密實性來影響混凝土的碳化性能。振搗的越密實，抗碳化能力越高；如果振搗不均勻，內(nèi)部裂縫比較多，其抗碳化能力就比較弱。

3 碳化區(qū)的劃分

為了更好的解釋為什么碳化未到達鋼筋之前，鋼筋已經(jīng)開始銹蝕的現(xiàn)象，也為了認識鋼筋銹蝕和混凝土碳化之間的關(guān)系，英國學(xué)者parrott最先驗證了部分碳化區(qū)的存在［7］。已有的研究［8］表明混凝土中存在著完全碳化區(qū)、部分碳化區(qū)以及未碳化區(qū)。在應(yīng)用上：因此通常認為9＜PH＜11.5的混凝土處于部分碳化區(qū)。從混凝土中鋼筋銹蝕的機理來看，鋼筋銹蝕的速度在PH=9～11.5的區(qū)段內(nèi)恰恰是隨PH值的下降而增大的,PH值在9以下是銹蝕速度保持不變,PH值在11.5以上時鋼筋處于鈍化狀態(tài)。隨著碳化過程的發(fā)展，鋼筋位置的PH值逐漸下降，鋼筋銹蝕的速度也就逐漸增大，直到鋼筋全部處于完全碳化區(qū)后銹蝕速度就基本穩(wěn)定下來。

4 碳化對鋼筋混凝土性能的影響

碳化對混凝土的密實性有加強作用,并會提高其相對抗壓、劈拉強度。國內(nèi)外研究的結(jié)果表明,混凝土碳化后抗壓強度提高,延性降低,其靜力彈性模量的變化正比于強度的變化, 具有明顯的脆性,對抗震不利。碳化對于混凝土強度的提高作用有限,碳化后混凝土峰值壓應(yīng)變明顯降低,彈性模量提高,試件破壞時脆性更加明顯;不同碳化深度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段十分接近,下降段則隨碳化加深變得越來越陡。混凝土碳化對鋼筋的保護作用減弱, 引起鋼筋銹蝕。并且鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力降低［10］。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度碳化后, 其構(gòu)件的強度和剛度會提高, 而延性降低, 強度和剛度的提高會使結(jié)構(gòu)承受的地震作用增加, 延性降低會使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耗能能力降低, 因此, 混凝土碳化后會削弱混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。

5 結(jié)論與展望

本文對混凝土碳化機理、影響因素、碳化區(qū)域劃分及其力學(xué)與結(jié)構(gòu)性能進行了綜述。碳化對混凝土本身的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響同時碳化反應(yīng)由于改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進一步影響鋼筋和混凝土材料本身強度的發(fā)揮。在今后的研究中還應(yīng)考慮其他因素對混凝土碳化的耦合作用，建立相應(yīng)的混凝土耐久性壽命預(yù)測模型。

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