混凝土的碳化及碳化收縮分析綜述

張博 河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南 開(kāi)封 475004

引言

混凝土建筑物在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，不可避免地要和外界環(huán)境接觸，容易受到大氣中各種腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，其中CO2作為一種酸性氣體，對(duì)混凝土的侵蝕用容易導(dǎo)致混凝土發(fā)生中性化（碳化），混凝土的碳化是指混凝土內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3的過(guò)程。碳化使混凝土的堿度降低，混凝土碳化也成中性化。碳化會(huì)使混凝土出現(xiàn)碳化收縮裂縫，強(qiáng)度和堿度降低，還會(huì)使混凝土中的鋼筋因失去堿性保護(hù)而銹蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使混凝土保護(hù)層沿鋼筋縱向開(kāi)裂。但混凝土表層碳化生成的碳酸鈣，可減少水泥石的孔隙，對(duì)防止有害介質(zhì)的侵入具有一定的緩沖作用。混凝土除了應(yīng)具有設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，以保證其能安全的承受設(shè)計(jì)荷載外，還應(yīng)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中保持其性能穩(wěn)定，即混凝土的耐久性（混凝土在使用過(guò)程中抵抗外界環(huán)境作用保持其性能的能力），混凝土耐久性對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，減少維修保養(yǎng)費(fèi)用等具有重要意義?；炷恋奶蓟c碳化收縮是影響混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于薄壁構(gòu)件碳化收縮占總收縮的絕大部分。本文針對(duì)混凝土的碳化機(jī)理、影響因素及預(yù)防措施，碳化引起的收縮以及碳化收縮機(jī)理等方面展開(kāi)論述。

1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土內(nèi)水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3的過(guò)程。混凝土是一種多孔的結(jié)構(gòu)材料,其內(nèi)部存在著大量的微孔,這些微孔大多通過(guò)直接或間接的方式連通?；炷帘┞对诳諝庵袝r(shí),空氣中的CO2滲透入混凝土的表面以及微孔中,在有水存在的情況下,與其中的堿性物質(zhì)Ca(OH)2和C-S-H 凝膠等發(fā)生反應(yīng),生成CaCO3和H2O. 這一碳化過(guò)程是在氣相、液相和固相中進(jìn)行的一個(gè)復(fù)雜的多相連續(xù)的物理化學(xué)過(guò)程. 碳化的結(jié)果一方面, 生成的CaCO3等固態(tài)物質(zhì),會(huì)堵塞在混凝土孔隙中, 使混凝土的孔隙率下降,大孔減少, 減弱了后續(xù)的CO2的擴(kuò)散,從而提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度；另一方面,會(huì)降低孔隙水中的Ca(OH)2濃度以及pH值,導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞,引起鋼筋銹蝕。

2 混凝土碳化的影響因素

混凝土的碳化影響因素有很多, 主要的影響因素可以分為以下幾種。

（1）水灰比。水灰比在一定程度上決定了CO2的擴(kuò)散系數(shù),會(huì)影響到混凝土的碳化速率.水灰比是決定混凝土孔結(jié)構(gòu)與孔隙率的主要因素,一般情況下,水灰比增大,混凝土的孔隙率會(huì)增大,CO2的擴(kuò)散系數(shù)增加,混凝土的碳化速率加大。

（2）骨料的品種及粒徑。骨料的粒徑大小對(duì)水泥漿粘結(jié)有很大的影響，水泥漿的界面有一個(gè)過(guò)渡層,過(guò)渡層內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松,孔隙較多。因此，不同骨料，不同的粒徑對(duì)界面層有影響, 自然也會(huì)影響CO2的擴(kuò)散，從而對(duì)混凝土的碳化速率造成影響。

（3）混凝土摻合料。把粉煤灰摻入普通水泥混凝土中，由于水泥中的熟料量相應(yīng)的減少了，混凝土吸附CO2的能力也會(huì)降低；同時(shí)由于粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度比較低,孔結(jié)構(gòu)差，加速了CO2的擴(kuò)散速度，從而會(huì)加快碳化速度。Pagataki研究了砂漿與混凝土中摻加粉煤灰對(duì)碳化的影響, 結(jié)果表明,粉煤灰摻量為10%,20%,30%的混凝土的碳化速率與不摻粉煤灰混凝土相比,其碳化速率分別提高了1.06,1.13, 1.2倍。

（4）外加劑。混凝土中加了減水劑或者摻引氣劑均能大大降低混凝土的碳化速率。因?yàn)闇p水劑能直接減少用水量；引氣劑能使混凝土中的毛細(xì)孔形成封閉的互不連通的氣孔，切斷毛細(xì)管的通路，兩者都能使CO2的擴(kuò)散系數(shù)顯著減小。

（5）CO2的濃度。環(huán)境中的CO2濃度越大，混凝土內(nèi)外CO2的濃度梯度就越大，CO2向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的動(dòng)力也就越大，越容易擴(kuò)散進(jìn)混凝土孔隙中；同時(shí),CO2的濃度越大,發(fā)生碳化的各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速度就越大.因此，CO2的濃度也是決定混凝土碳化速率的一個(gè)重要因素。一般來(lái)講，大氣中的CO2濃度較低，鄉(xiāng)村約為0.03%，城市約為0.04%。碳化速度近似與CO2的平方根成正比。

(6）相對(duì)濕度。環(huán)境濕度對(duì)混凝土的碳化速率有著比較大的影響。濕度較高時(shí)，混凝土的含水率較高，微孔中充滿了水，阻礙了CO2氣體在混凝土中的擴(kuò)散，碳化速率也較慢。在濕度較小即很干燥而CO2濃度又較大的情況下，雖然CO2的擴(kuò)散較快,但由于提供反應(yīng)的溶液較少，碳化速率還是較慢。研究表明，相對(duì)濕度在70%~80%左右的中等濕度時(shí)，碳化速率最快。

3 混凝土的碳化收縮

水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-S-H凝膠與CO2濃度為0.04%的空氣接觸，可以發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，形成CaCO3，釋放出水，并伴隨固相體積減小、質(zhì)量增加，稱為混凝土的碳化收縮。碳化收縮主要發(fā)生在混凝土表層，對(duì)于薄壁構(gòu)件碳化收縮將占總收縮的絕大部分。

4 影響混凝土碳化收縮的因素

(1）水泥用量。增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的工作性，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)。

(2）水灰比。在水泥用量一定的情況下，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）濕度。碳化作用只在適中的濕度(約為50%)才會(huì)較快地進(jìn)行。這是因?yàn)檫^(guò)高的濕度(100%)使混凝土孔隙中充滿了水，CO2不易擴(kuò)散到水泥石中去，或水泥石中的鈣離子通過(guò)水?dāng)U散到混凝土表面，碳化生成的CaCO3把表面孔隙堵塞，碳化作用不易進(jìn)行，故碳化收縮更??；相反，過(guò)低的濕度(如25%)，孔隙中沒(méi)有足夠的水使CO2形成碳酸，碳化作用也不易進(jìn)行，碳化收縮相應(yīng)也很小。

此外，混凝土的碳化收縮還取決于水泥品種、集料品種和級(jí)配、CO2濃度和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量等。

5 預(yù)防混凝土碳化的措施

如何防止混凝土的碳化，下面介紹幾種方法。

(1）提高混凝土的抗?jié)B性。由以上所知，混凝土的碳化與其抗?jié)B性有直接關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，混凝土的抗?jié)B性能越好，則混凝土的碳化速度越慢。因此為防止混凝土的碳化，必須提高混凝土的抗?jié)B性。

(2）適當(dāng)增加鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度，以延緩二氧化碳等到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間。

(3）表面涂刷防滲層。為防止?jié)B透在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂刷抗?jié)B性和耐久性好的有機(jī)防滲層材料，在一定程度上可以阻滯空氣的滲透而減慢混凝土的碳化。

(4）在混凝土里摻阻銹劑，這樣也可以防止由于混凝土的碳化而引起的鋼筋銹蝕。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)混凝土碳化現(xiàn)象進(jìn)行分析，掌握其發(fā)生所引起的材料的變化規(guī)律，有利于解決混凝土的碳化問(wèn)題，選擇更加合理的材料，采取必要和有效的防護(hù)措施，消除或延緩混凝土碳化進(jìn)程，以保證建筑物在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)滿足良好的安全和使用要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)混凝土碳化規(guī)律以及碳化收縮的研究，能夠?yàn)闇?zhǔn)確預(yù)測(cè)已有建筑物的剩余使用年限提供必要的理論依據(jù)。由此可見(jiàn)，展開(kāi)混凝土碳化的研究是一項(xiàng)刻不容緩而又具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的工作。