【分享】淺談水泥混凝土的碳化分析
[摘要] 碳化作用是指大氣中CO2 在存在水分的情況下與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3、硅膠、鋁膠和水的過程。碳化過深會降低混凝土的堿性，影響結(jié)構(gòu)的耐久度。碳化深度主要與水灰比和周圍環(huán)境有關(guān)。阻止碳化應(yīng)從混凝土本身的品質(zhì)入手，另外還可借助隔離層將外周介質(zhì)與混凝土隔離。
混凝土在空氣中的碳化是混凝土中性化最常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程。碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時，混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。因此，分析和研究混凝土碳化機理、影響因素及其控制方法很重要。
1.混凝土碳化機理
1.1 混凝土碳化機理
混凝土加水拌合后，硅酸鹽水泥的主要成份水化作用后生成Ca(OH)2，它在水中的溶解度低，少量溶于孔隙液中，使孔隙液成為飽和堿性溶液，溶液的 pH 值為 12.5～13.5，其余大部分 Ca(OH)2 以結(jié)晶狀態(tài)存在，成為孔隙液保持高堿性的儲備?？諝庵械腃O2 氣體不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細孔道，擴散到混凝土中部分充水的毛細孔中并與其中的孔隙液所溶解的 Ca(OH)2 進行中和反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物為 CaCO3 和 H2O，CaCO3 溶解度低，沉積于毛細孔中。該反應(yīng)式為：
Ca(OH)2+CO2→ CaCO3 ↓+H2O
反應(yīng)后，毛細孔周圍水泥石中的鈣礬石補充溶解為Ca2+和OH-，反向擴散到孔隙液中，與繼續(xù)擴散進來的CO2反應(yīng)，一直到孔隙液的pH 值降為8.5～9.0 時，這層混凝土的毛細孔中才不再進行這種中和反應(yīng)，此時即所謂“已碳化”。確切地說，碳化應(yīng)稱為碳酸鹽化。另外，凡是能與Ca(OH)2 進行中和反應(yīng)的一切酸性氣體，如SO2、SO3、H2S以至于氣相HCl 等，均能進行上述中和反應(yīng)，使混凝土堿度降低，故混凝土碳化應(yīng)廣義地稱為“中性化”。混凝土表層碳化后，大氣中的CO2繼續(xù)沿混凝土中未完全充水的毛細孔道向混凝土深處氣相擴散，更深入地進行碳化反應(yīng)。碳化深度隨時間的延長而增大，但是增大速度逐漸減慢。
1.2 碳化對混凝土性能的影響
碳化對混凝土弊多利少，其不利影響首先是減弱了對鋼筋的保護作用。這是因為本來混凝土中水化生成大量Ca(OH)2，使鋼筋處在堿性環(huán)境中表面能生成一層鈍化膜（氫氧化亞鐵），保護鋼筋不受銹蝕?；炷林袖摻畋３肘g化狀態(tài)的最低（臨界）堿度是pH 值為11.5，碳化使混凝土的堿度降低，碳化后的混凝土pH值為8.5～9.5，同時，增加混凝土孔隙液中氫離子數(shù)量，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。當(dāng)碳化深度穿透混凝土保護層而達鋼筋表面使鋼筋處在中性的環(huán)境中，在水與空氣存在的條件下鋼筋開始生銹，鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)生的體積比原來膨脹2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。銹蝕越嚴重，鐵銹越多，膨脹力越大，最后導(dǎo)致混凝土開裂形成順筋裂縫，裂縫的產(chǎn)生使水和CO2得以順利的進入混凝土內(nèi)，從而又加速了碳化和鋼筋的銹蝕，形成了一種惡性循環(huán)。從很多高速公路分離立交下面就能發(fā)現(xiàn)這種狀況。另外，碳化作用會增加混凝土的不可逆收縮，引起混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)微細裂縫，從而降低混凝土的抗拉及抗折能力。
碳化對混凝土的性能也有一些有利的影響，碳化產(chǎn)生的CaCO3 填充了水泥石的孔隙，以及碳化時放出的水分有利于未水化水泥顆粒的進一步水化，從而可提高混凝土碳化層的密實度，對提高抗壓強度及抗?jié)B有利，如在預(yù)制混凝土基樁就常常利用碳化作用來提高樁的表面質(zhì)量。
混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范中規(guī)定：在混凝土試件強度評定不合格及結(jié)構(gòu)實體檢驗中，可采用非破損或局部破損的檢測方法，按國家現(xiàn)行有關(guān)標準的規(guī)定對結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的混凝土強度進行推定。常用的有回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法、后裝拔出法等，其中最常用的是回彈法?；貜棛z測混凝土強度是以混凝土的表面硬度來推斷混凝土強度的，碳化使混凝土表面的硬度增加，這會給混凝土回彈檢測時造成一種假象，所以回彈判定其強度時需要對檢測碳化深度進行修正，而回彈法中碳化深度對混凝土強度的推定值影響很大。經(jīng)有關(guān)檢測對比數(shù)據(jù)表明，全國通用測強曲線對部分地區(qū)并不完全適用，在進行混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件強度的檢驗時，為取得比較準確的混凝土的實際強度，應(yīng)在28d 后盡早進行，即在未碳化或碳化程度很小時進行。
2.影響混凝土碳化的因素
影響混凝土碳化的因素有環(huán)境因素、原材料因素、施工操作因素等，影響混凝土碳化的因素主要可以歸納為內(nèi)因和外因兩種。
2.1 內(nèi)因
2.1.1 水灰比
混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關(guān)系，混凝土的透氣性越小，碳化進行越慢。一般說來，水泥用量一定的時候，水灰比越大碳化越快，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。當(dāng)水灰比一定的時候，水泥用量越少碳化越快，單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。
2.1.2 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(yōu)質(zhì)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。尤其是加氣減水劑，由于抗凍性提高，可以大大改善鋼筋混凝土建筑物的耐久性。
2.1.3 骨料種類
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(zhì)骨料本身孔隙多，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。
2.1.4 外加劑
混凝土中摻加減水劑、引氣劑或引氣減水劑時，由于可降低水灰比或引入封閉小氣泡，故可使碳化速度明顯減慢。
2.2 外因
2.2.1 環(huán)境因素
因為碳化是液相反應(yīng)，十分干燥的混凝土一直處于相對濕度低于25% 的空氣中，CO2無法結(jié)合到水生成H2CO3（碳酸），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；但在相對濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化，這是因為太濕的混凝土含水量大、透氣性小，可以隔離CO2 與Ca(OH)2的反應(yīng)，或者水泥石中的鈣離子通過水?dāng)U散到表面，碳化生成的CaCO3 把表面孔隙堵塞，所以碳化作用不易進行；在濕度相同時，風(fēng)速愈高、溫度愈高，混凝土碳化也愈快，經(jīng)研究證明混凝土碳化速度與空氣中CO2濃度的平方根大致成正比。
在巢湖地區(qū)由于廠礦較多，空氣污染較重，空氣中二氧化硫含量高，酸雨也較多，另外巢湖周邊空氣濕度大、風(fēng)速大，從現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢測混凝土的碳化深度看，處于巢湖周邊的混凝土碳化發(fā)展很快，部分混凝土甚至在未到28天時就能達到1～2mm；某條高速公路在肥東段的一些橋梁和涵洞僅僅使用五六年，混凝土即遭受嚴重碳化，保護層開裂、剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴重。另外，可以發(fā)現(xiàn)梁比柱、受拉區(qū)比受壓區(qū)碳化程度明顯嚴重。主要是由于該地區(qū)機動車輛、化工企業(yè)較多，導(dǎo)致空氣污染嚴重，周圍的CO2濃度特別大，從而導(dǎo)致碳化速度加快。
2.2.2 澆筑與振搗工藝
振搗良好的混凝土表層大孔隙很少，易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水，故不易碳化；所以越是密實的混凝土其抗碳化能力越高。如果混凝土澆筑時不規(guī)范，特別是振搗不密實，欠密實的混凝土表層中大孔隙較多，大孔隙無法存儲水，CO2可以由氣相擴散到充滿水的毛細孔隙而完成碳化。
2.2.3 養(yǎng)護質(zhì)量
混凝土養(yǎng)護質(zhì)量是影響混凝土密實性的一個重要因素。如養(yǎng)護方法不當(dāng)、養(yǎng)護時間不足，就會造成混凝土內(nèi)部毛細孔道粗大，且大多相互連通，嚴重時會引起混凝土出現(xiàn)蜂窩、裂縫等缺陷，使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細孔道或裂縫進入混凝土內(nèi)部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。
3.延緩混凝土碳化的措施
（1）選好合適的配合比，適量的外加劑，控制細骨料、粉料用量。分析骨料的性質(zhì)，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對混凝土的碳化有一定的延緩作用。對于使用江砂的地方，砂的級配不合理，粉料較多，更應(yīng)選擇合適的配合比?；炷恋拿軐嵍纫彩潜ＷC工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素，配合比設(shè)計時應(yīng)盡量降低水灰比，采用減水劑，科學(xué)地攪拌和運輸，及時地養(yǎng)護，確?；炷恋拿軐嵭裕詼p少滲流水量和其它有害物的侵蝕。
（2）在使用時合理選用水泥品種。對于水位變化區(qū)以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區(qū)宜選用抗硫酸鹽普通水泥。對普通水泥，可以在水泥用量不變的情況下，再外摻粉煤灰取代部分砂子，或同時摻用粉煤灰及減水劑，即采用“雙摻”的技術(shù)措施，這樣可以提高混凝土的抗碳化能力。
（3）硬化后的混凝土構(gòu)件可采用抹刷涂層（如環(huán)氧基液、聚合物砂漿、涂料）或粘貼面層材料（如貼面磚）的方法。對建筑物地下部分可在其周圍設(shè)置保護層、用各種溶液浸注混凝土，如用溶化的瀝青涂抹。對碳化深度較大的，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進入的有害物質(zhì)，將混凝土銜接面鑿毛，用環(huán)氧砂漿或細石混凝土填補，最后以刷環(huán)氧基液做涂基保護。
（4）對于鋼筋混凝土構(gòu)件，必須保證有足夠的混凝土保護層厚度，以防鋼筋易生銹蝕。
4.結(jié)束語
通過以上論述，我們可以看出水泥混凝土的碳化是個客觀存在的自然現(xiàn)象，是多種因素綜合的結(jié)果。碳化過深會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低。影響碳化程度的因素很多，我們不可能完全杜絕碳化，我們只能通過選擇合理的材料、配合比、防治措施來控制碳化的發(fā)展，以期提高混凝土的耐久性。
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