水工建筑物混凝土碳化研究

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混凝土的碳化是指混凝土中原呈碱性的氢氧化钙，在大气中受到二氧化碳和水分的作用，逐渐变成呈中性的碳酸钙的过程，混凝土碳化对混凝土结构破坏影响很大。

　　1.混凝土碳化机理

　　水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%.

　　混凝土具有毛细管-孔隙结构的特点，这些毛细管-孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和集料接触处的孔穴等等。此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8～10%。

　　混凝土的碳化是指大气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙中，而后溶解于毛细孔中的水分，与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物相互作用，生成碳酸钙等产物。所以，混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙，里面充满着水分和空气，在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。

　　混凝土碳化有增加混凝土强度和减少渗透性的作用，这可能是因为碳化放出的水分促进水泥的水化及碳酸钙沉淀减少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后，其碱性降低，加快混钢筋腐蚀。

　　2.混凝土碳化影响因素

　　水工建筑物混凝土碳化的影响因素较多，有内在因素，也有外界因素。

　　2.1影响混凝土碳化的内在因素

　　2.1.1水泥品种

　　不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。外加剂（减水剂、引气剂）一般均能提高抗渗性，减弱碳化速度，但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀，应严格控制其用量。

　　2.1.2集料品种和级配

　　集料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实，级配较好的集料的混凝土，其碳化的速度较慢。

　　2.1.3磨细矿物掺料的品种和数量

　　如具有活性水硬性材料的掺料，其不能自行硬化，但能与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶结物质，使混凝土碱度降低。在水灰比不变采用等量取代的条件下，掺料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

　　2.1.4水泥用量

　　增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。

　　2.1.5水灰比

　　在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。

　　2.1.6施工质量

　　施工质量差表现为振捣不密实，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，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。

　　2.1.7养护质量

　　混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。

　　2.2影响混凝土碳化的外界因素

　　2.2.1酸性介质

　　酸性气体（如CO2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致水泥石逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究已证明，混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。

　　混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子（CL-）作用。氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙，氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃灿性锈蚀。

　　2.2.2温度和光照

　　混凝土温度骤降，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。

　　阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了其化学反应和碳化速度。

　　2.2.3含水量和相对湿度

　　周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。

　　2.2.4冻融和渗漏

　　在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。

　　3.混凝土碳化的简易测试

　　采用化学测试法。即先凿掉混凝土保护层，然后滴入或涂抹酚酞剂，看混凝土是否变色（碳化），若发现有碳化情况，则可迅速地测试出其碳化深度。

　　3.1酚酞剂的配制

　　根据实践试验结果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈浅色；用96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈深色。二者均可用来测试混凝土的碳化情况。

　　3.2混凝土碳化判定及其深度检测

　　首先将所需检测的混凝土表面打凿到需要的测试深度，然后把表面清理干净，涂抹或滴入已配制好的酚酞剂。当酚酞剂涂抹或滴入混凝土内1～2分种后，便有反应。若混凝土变红色，则混凝土未碳化；若混凝土不变色，则混凝土已碳化。因为酚酞剂内含有大量酒精，容易挥发，所以在测试和观察时速度要快，要尽快量出混凝土内碳化与非碳化的界面尺寸，以便得到准确的碳化深度。

　　3.3混凝土碳化检测值的取得

　　由于水工建筑中混凝土结构物的部位不同，其碳化程度也不尽相同，所以在进行混凝土碳化测试时，一定要多测几次，以其平均值为混凝土碳化检测值。

　　3.4测试混凝土碳化凿开面的处理

　　在混凝土碳化测试工作完成后，对检测混凝土碳化的凿开面应用环氧树脂砂浆或环氧混凝土作填补封闭处理。

　　4.混凝土碳化的防止措施

　　混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，关键是应采取防止措施。

　　4.1设计方面

　　根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素，分别对混凝土的保护层采取不同的厚度，应尽量避免一律采用2～3cm。

　　4.2施工方面

　　混凝土质量好坏，施工是关键。一是要认真选择建筑材料。水泥选用抗碳化能力强的硅酸盐水泥；集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料；施工中除砂要筛、石要洗外，还要特别注意剔除集料中的有害物质。二是在混凝土中可掺入优质适宜的外加剂，如减水剂、阻水剂等，以改善混凝土的某些性能，提高其强度和密实性、抗渗性、抗冻性。三是要严格控制混凝土的水灰比，要求是小水灰比，低塌落度，要把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内，尽量减少混凝土的自由水。四是振捣和养护，振捣一定要充分并严格按照规定标准进行，必要时可作表面处理；养护一定要及时，一旦混凝土达到初凝时，就应立即进行养护，并坚持按不同水泥品种所要求的时间养护，控制好环境的温度和湿度，以使混凝土在适宜的环境中进行养护。五是钢筋混凝土保护层厚度，施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好，使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。六是施工缝要做到少留或不留，必须要留的，应作好接缝处的工艺处理。

　　4.3使用方面

　　对于水工建筑物在使用上不要随意改变原设计的使用条件。因为水工建筑物使用条件的改变，直接关系到外界气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化，尤其是对于混凝土构件的容易碰撞部位，更应当设置包角和隔层保护。

　　4.4管理方面

　　对于水工建筑中混凝土构件的管理，主要是定期检查、加强维护。对于容易产生碳化的混凝土构件，则应派专人定期观察及测试温度、湿度，检查裂缝情况和碳化深度，并作好详细记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时，则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施，绝对不允许其裂缝继续扩大，必要时可作混凝土补强处理。

　　5.结束语

　　影响水工建筑物中混凝土碳化的因素很多，问题比较复杂，其检测手段与预防对策还有待于进一步分析研究。本文所述的水工建筑物混凝土碳化的因素与对策，也适用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。