混凝土碳化深度与处理措施

混凝土碳化深度与处理措

施

Newly compiled on November 23, 2020

目 录

一、碳化作用机理 ................................................................................. 2 二、影响商品混凝土碳化的因素 .......................................................... 2 三、商品混凝土碳化的预防措施 .......................................................... 5 四、混凝土碳化处理措施 ..................................................................... 6

混凝土碳化的影响因素及其预防措施

碳化是影响商品混凝土耐久性的一个重要因素。本文对商品混凝土碳化的影响因素

及其预防措施进行了总结。从商品混凝土本身的密实度和碱性大小的角度考虑，商品混凝土的碳化受材料、环境和施工等因素的影响。降低水灰比、优化配合比设计、加强养护和增加保护层厚度可以提高商品混凝土的抗碳化能力。 一、碳化作用机理

空气中CO2渗透到商品混凝土内，与其碱性物质发生化学反应生成碳酸盐和水，使商品混凝土碱度降低的过程称为商品混凝土碳化，也可称为中性化，其化学反应为：

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使商品混凝土空隙中充满了饱和Ca(OH)2溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜。

碳化本身对商品混凝土没有破坏作用，其主要危害是由于碳化会降低商品混凝土的碱度。当碳化超过商品混凝土的保护层时，在水与空气同时存在的条件下，钢筋开始生锈。钢筋锈蚀产生的体积膨胀将导致钢筋长度方向出现纵向裂缝，并使保护层脱落，进而使得构件的截面减小、承载能力降低，最终将使结构构件破损或者失效。

二、影响商品混凝土碳化的因素

影响商品混凝土碳化最主要的因素是商品混凝土本身的密实度和碱性大小，即商品混凝土的渗透性及其Ca(OH)2含量。影响商品混凝土碳化的因素主要分为三个方面：材料因素、环境因素和施工因素。

材料因素

材料因素包括水灰比、水泥品种与用量、掺合料、、骨料品种与级配、商品混凝土表面覆盖层等等，主要通过影响商品混凝土的碱度和密实性来影响商品混凝土的碳化速度。

水灰比

水灰比是决定混凝土性能的重要参数，对混凝土碳化速度影响极大。众所周知，水灰比基本上决定了混凝土的孔结构，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率就越大。混凝土中的气孔主要有胶孔、气孔和毛细孔。胶孔的半径很小，CO2分子很难自由进出；CO2扩散均在内部的气孔和毛细孔中进行。因此水灰比一定程度上决定了CO2在混凝土中的扩散速度，水灰比越大，孔隙率越高，CO2的扩散越容易，混凝土碳化速度越快。另外，水灰比大会使商品混凝土孔隙中的游离水增多，一定程度上也有利于碳化反应。研究结果表明：当水灰比大于时，碳化深度会急剧加大。国内外进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化速度的关系。得到碳化速度与水灰比的关系，暴露试验给出了碳化速度系数与水灰比的表达式：

k=

式中,w/c—混凝土的水灰比。 水泥品种与用量的影响

水泥品种决定了单位体积商品混凝土中可碳化物质的含量。研究表明：在相同的试验条件下，不同水泥配置的商品混凝土的碳化速度大小顺序为：硅酸盐水泥<普通硅酸盐水泥<其他品种的水泥；矿渣水泥商品混凝土要比普通硅酸盐水泥的碳化快10～20%，室外暴露的情况下高达50%以上；早强水泥与同强度其它水泥相比，抗碳化能力更高。

水泥用量也直接影响到商品混凝土中可碳化物质的含量。增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实度；另一方面可以增加混凝土的碱性储备，直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。混凝土吸收二氧化碳的量取决于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢，以大量的试验数据为前提，根据最小二乘法可以拟和水泥用量对碳化速度的影响公式：

φ=其中，φ为碳化速度；

x为单位体积水泥用量(T)。 掺合料的影响

商品混凝土中掺入的粉煤灰、矿渣等掺合料与水泥水化后的Ca(OH)2结合，降低商品混凝土的碱性，进而减弱了商品混凝土的抗碳化能力。相关研究表明，粉煤灰等量取代水泥越多，商品混凝土的抗碳化能力下降越大。但是采用超量取代技术，可提高商品混凝土的抗碳化能力。

外加剂的影响

高效减水剂能够降低商品混凝土的用水量，改善其和易性，降低商品混凝土的孔隙率，可以提高商品混凝土的抗碳化能力。引气剂在商品混凝土中引入大量的微细气泡。初期引气剂能够使商品混凝土中的毛细孔形成封闭的气孔，切断毛细管通道，可以在一定程度上抑制商品混凝土的碳化。但是随着碳化的延续，引气剂在商品混凝土内部留下的孔隙成为CO2扩散的通道。

骨料的影响

骨料的粒径大小对骨料-水泥浆粘结由很大的影响，而骨料-水泥浆的界面有一个过渡层，过渡层的结构较为疏松、孔隙较多。因此，不同骨料对骨料-水泥浆的过渡层由影响，也会影响CO2的扩散，进而影响商品混凝土的碳化速率。

商品混凝土覆盖层的影响

商品混凝土覆盖层的种类与厚度对商品混凝土的碳化有着不同程度的影响。气密性覆盖使CO2渗入商品混凝土的数量减少，可以提高商品混凝土的抗碳化能力。增加覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度是有效延缓商品混凝土碳化的手段。

环境因素

环境因素包括自然环境和使用环境两个方面。其中，自然环境包括环境相对湿度、环境温度、环境应力及CO2浓度等；使用环境主要指商品混凝土构件的受力状态及应力水平。环境因素主要通过影响CO2的扩散速度及碳化反应速率来影响商品混凝土碳化速度。

混凝土碳化与时间关系

混凝土碳化的机理是CO2气体通过混凝土中的裂缝与孔隙扩散至混凝土内部，然后与混凝土中孔隙水形成H2CO3，再与Ca(OH)2反应，硬化水泥浆中的水化硅酸钙也可能与CO2反应，造成混凝土本身PH值降低，破坏钝化膜的过程。假设混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布，混凝土表面二氧化碳浓度为Co，未碳化区浓度为零，单位体积混凝土吸收二氧化碳量为恒定值。在此假设下，混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定律，根据微分程：

式中,dm—在dt时间内碳酸透过试块表面的数量；

D—CO2的有效扩散系数,与混凝土的浓度,混凝土的密实度以及混凝土的强度有关；

F—透过试块的表面积； Co—试块表面的浓度； C—吸收区的浓度； L—混凝土碳化层厚度。

在时间间隔dt内，混凝土吸收的CO2数量等于：

dm=m0FdL(2）

式中,m0—单位混凝土体积吸收碳酸气的量或结合的体积浓度。 据(1)、(2)式，积分得微分方程的解：

由此可见，碳化深度与时间的平方根成正比。 CO2的浓度

根据菲克第一扩散定律可知，CO2的浓度梯度越大，其向商品混凝土内部扩散的动力也就越大，越容易向商品混凝土孔隙中扩散。另外，CO2的浓度越大，碳化的反应速率就越大。

相对湿度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca(OH)2进行化学反应,所以非常干燥时,混凝土碳化无法进行,但由于混凝土的碳化本身既是一个释放水的过程,环境相对湿度过大,生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。因此环境湿度太大或太小对混凝土碳化都会产生抑制作用。试验结果表明,相对湿度在50%～70%之间时,混凝土碳化速度最快。

温度

对于一般的化学反应而言，温度每升高10℃，反应速率加快2～3倍。随着温度的升高，CO2在商品混凝土的扩散速度加快，且碳化反应速度加快，加快了商品混凝土的碳化速度。

施工因素

施工质量差表现为振捣不密实,养护不善,造成混凝土密实度低,烽窝麻面多,为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件,加速了混凝土的碳化速度。调查研究发现，施工时混凝土原材料选用不当、混凝土配合比计量不准、振捣不密实、使混凝土表面掉皮及棱角剥落、拆模后不养护或养护不足等问题，直接影响混凝土的成品质量，降低混凝土的抗碳化性能。如果将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级，则相应的碳化速度分别为:::。

养护对碳化的影响

混凝土养护状况对碳化也有比较大的影响。研究表明，水泥完全水化所需要的用水量仅为水泥用量的22%-27%，但是由于拆模过早、拆模以后未采取防混凝土表面或孔隙水流失措施，或洒水养护不到位，在高温或强风等条件下，使混凝土水分迅速流失。水分的流失，导致水泥水化不充分，水泥石中Ca(OH)2含量偏低，同时使表层混凝土渗透性增大，碳化速度加快。

混凝土深度的理论模型

在基于混凝土碳化机理的基础上,考虑混凝土配合比、环境湿度、温度、CO2浓度及时间因素，通过回归分析建立混凝土的碳化模型如下:

式中：

L——混凝土碳化深度,mm；

RH——环境相对湿度,%,适用范围45%～95%RH； T——环境温度，℃,适用范围,10℃～60℃； w/c——混凝土水灰比,适用范围～； qc——环境中CO2浓度,%； t——混凝土碳化时间，h。

三、商品混凝土碳化的预防措施

商品混凝土的密实程度是决定碳化速度的关键因素，提高抗碳化能力主要依靠降低水灰比、加强养护、配合比设计和增加保护层厚度。

（1）在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品种；对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部位宜选高强度水泥。

（2）在施工条件允许的情况下，尽可能采用较小的水灰比。水灰比是影响混凝土碳化的关键因素。混凝土吸收二氧化碳的量主要取决于水泥用量。当水灰比大于时，其抗碳化能力急剧下降；当水灰比小于时，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。

（3）选用能够提高混凝土抗碳化能力的外加剂。如：羟基羧酸盐复合性高性能减水剂等

（4）采用优质粉煤灰和超掺系数。在混凝土中掺入优质粉煤灰，可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式时，只要选择配合比适中，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。在混凝土中采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术，可以大大增强混凝土密实性，提高混凝土抗碳化能力。

（5）增加保护层厚度，可以改善构件的受力钢筋粘结锚固性能、耐久性和防火性能越好。但是，过大的保护层厚度会使构件受力后产生的裂缝宽度过大，就会影响其使用性能。保护层厚度的设计应符合《商品混凝土结构设计规范》。

（6）施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板、塑料等材料制成的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固,拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行。

（7）施工中混凝土应用机械震捣,以保护混凝土密实性;混凝土浇注完毕后,应用薄膜等加以覆盖,并根据情况及时浇水养护混凝土。

（8）采用涂料防护法。如有必要的可以在混凝土表面涂刷环氧涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等，可以阻止环境中二氧化碳气体向混凝土内部孔隙扩散，从而提高混凝土抗碳化能力。

四、混凝土碳化处理措施

混凝土的碳化对混凝土的耐久性将产生很大的危害，因此必须及时的采取相应的防碳化措施。

（1）对碳化深度过大,钢筋锈蚀明显,危及结构安全的构件应拆除重建。

（2）对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度,碳化层比较坚硬的,在工程中混凝土强度已严重不足的可用优质涂料封闭。

（3）对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的,应凿除碳化层,粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土。

（4）对钢筋锈蚀严重的,应在修补前除锈,并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。