混凝土碳化
混凝土的碳化
空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中,与水泥石的碱性物质发生反应,使混凝土中的pH值下降的过程称为混凝土的中性化过程,其中,有大气环境中的CO2引起的中性化过程称为混凝土的碳化。由于大气中均有一定含量的CO2,碳化是最普遍的混凝土中性化过程。
混凝土碳化反应产生的CaCO3和其他固态产物堵塞在孔隙中,使已碳化混凝土的密实度与强度提高。另一方面,碳化使混凝土脆性变大,但总体上讲,碳化对浑天力学性能集构建受力性能的负面影响不大,混凝土碳化的最大危害是会引起钢筋锈蚀。谈话时一般大气环境下混凝土中钢筋钝锈的前提条件,从而影响混凝土结构的耐久性。由于碳化使混凝土的孔隙率降低,密实度提高,因而使混凝土的力学性能和构件的受力性能发生一定变化。根据唐岱新等人的研究,碳化使混凝土的抗压强度明显提高,劈拉强度略有提高,弹性模量有所提高,受压应力- 应变曲线上升段和下降段变陡,混凝土的脆性变大,峰值应力提高,风之应变变化不明显。碳化还使混凝土与光面钢筋及变形钢筋的粘结强度有所提高。由于一般情况下混凝土的碳化深度较浅,大致与钢筋保护层厚度相当,故混凝土碳化引起的混凝土强度、脆性变化对混凝土力学性能集构建受力性能的影响并不大。。混凝土碳化对混凝土结构的制药负面影响在于其引起的钢筋锈蚀耐久性问题。
孔隙水与环境湿度之间通过温室平衡形成稳定的孔隙水膜。环境中的CO2气体通过混凝土孔隙气体相向混凝土内部扩散并在孔隙水中溶解,同时,固态Ca(OH)2在孔隙水中溶解冰箱其浓度低区域(已碳化区域)扩散。溶解在孔隙水中的CO2与Ca(OH)2发生化学反应生成CaCO3,同时,CSH也在固液界面上发生碳化反应。
碳化反应的结果,一方面生成的CaCO3和其他固态物质堵塞在混凝土孔隙中,使混凝土的孔隙率下降,大孔减少,从而减弱了后续的CO2扩散,兵士混凝土的密实度提高;另一方面,孔隙水中Ca(OH)2浓度及pH值降低,导致钢筋脱钝而锈蚀。
从碳化机理可知,影响混凝土碳化因素有:属于材料本身的因素,如水灰比、水泥品种、水泥用量、骨料品种与粒径、外掺加剂、养护方法与龄期、混凝土强度等;属于环境条件的因素,如相对湿度、CO2浓度、湿度;以及混凝土表面的覆盖层、混凝土的应力状态、施工质量等。
1) 材料因素
(1) 水灰比
水灰比W/C是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素,其中游离水的多少还关系着孔隙饱和度(孔隙水体积与孔隙总体积之比)的大小,因此,水灰比是决定CO2有效扩散系书记混凝土碳化速度的主要因素之一。水灰比增加,则混凝土的孔隙率加大,CO2有效扩散系数扩大,混凝土的碳化速度也加大。
(2) 水泥品种与用量
水泥品种决定着各种矿物成分在水泥中的含量,水泥用量决定着单位体积中混土水泥熟料的多少,两者是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素,因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。
水泥用量越大,则单位体积混凝土中可碳化物质的含量越多,消耗的CO2也越多,从而使碳化速度越慢。
(3) 骨料品种与粒径
骨料粒径的大小对骨料-水泥浆粘结有重要影响,粗骨料与水泥浆粘结较差,CO2易从骨料-水泥浆界面扩散。另外,很多人 或天然的轻骨料中的火山灰在加热养护过程中会与Ca(OH)2。这些因素都会使碳化速度加快。
(4) 外掺加剂
混凝土中掺加减水剂,能直接减少用水量,而引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡,切断毛细管的通路,两者均可以使CO2有效扩散系数显著减小,从而大大降低混凝土的碳化速度。
(5) 养护方法与龄期
养护方法与龄期的不同导致水泥水化程度不同,在水泥熟料一定的条件下生成的可碳化物质含量不等,因此也影响混凝土碳化速度。山东省建科所的现场测试表明,水灰比同为0.6的矿渣水泥混凝土,湿养3天时的碳化深度是湿养时天时的1.5倍左右。
(6) 混凝土强度
混凝土强度能反映其孔隙率,。密实度的大小,因此混凝土强度能宏观地反映其抗碳化性能。总体来说,混凝土强度越高,碳化速度越小,但试验结果离散性较大,主要原因是混凝土强度难以反映水泥用量等因素对碳化速度的影响。
2) 环境因素
(1) 相对湿度
环境相对湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度,一方面影响着CO2的扩散速度,另一方面,由于混凝土碳化的化学反应均需在溶液中或固液界面上进行,相对湿度也是决定谈话反应快慢的主要环境因素之一。若环境相对湿度过高,混凝土接近饱水状态,则CO2的扩散速度缓慢,碳化发展很慢;若相对湿度过低,混凝土处于干燥状态,虽然co2的扩散速度很快,但缺少碳化反应所需要的液相环境,谈话难以发展;70%~80%左右的中等湿度时,碳化速度最快。
(2) CO2浓度
环境中CO2浓度越大,混凝土内外CO2浓度梯度就越大,CO2越易扩散进入孔隙,同时也使化学反应速度加快。因此,CO2浓度是决定碳化速度的主要环境因素之一。一般农村室外大气中CO2浓度为0.03%,城市为0.04%,而室内可达0.1%。经实测,北京地区室外混凝土的碳化速度约为室内混凝土的72%,而南京水科院对上海港10年混凝土暴露试验表明,低强度混凝土室内碳化速度约为室外潮湿混凝土中的1.6倍,中等强度混凝土除个别外,室内试件碳化深度约为室外的2~3倍。这既有室内、外相对湿度差异的因素,又有室内、外CO2浓度不同的影响。
(3) 温度
温度的升高可促进碳化反应速度,更主要的是加快了CO2的扩散速度,温度的交替变化也有利于CO 2的扩散。
3)覆盖层
表面覆盖层对谈话其延缓作用。混凝土的表面覆盖层通常分为两类:一类是含可碳化物质的,如砂浆、纸筋石膏灰等;另一类是不含可碳化物质的,如沥青、涂料、瓷砖等。含 可碳化物质的覆盖层,其内部的可碳化物质先与从环境扩散进入的CO2发生碳化反应,消耗CO2,延迟CO2接触混凝土表面的时间即混。凝土开始碳化的时间,同时,是混凝土表面的CO2浓度比环境中CO2浓度降低,从而降低混凝土的碳化速度。沥青、涂料、瓷砖等不含可碳化物质的覆盖层,通常比较致密,能封堵混凝土表面部分开口孔隙,阻止CO2扩散,从而延缓碳化速度。试验表明,增大覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度对延缓碳化作用的效果明显。
4)应力状态
刘亚芹等研究过单轴拉压状态下混凝土的碳化。试验结果表明,当压应力f不超过0.7fc(fc为混凝土抗的压强度)时,压应力对碳化起延缓作用,压应力为0.7fc时的碳化深度与无压应力时相当,可以预计,由于微裂缝的开展加剧,压应力超过0.7fc时会使碳化速度加快,压应力水平f/fc与相对碳化深度X的关系。在拉应力的作用下,当拉应力f不超过0.3ft(ft为混凝土的抗拉强度)时,应力作用不明显,当拉应力为0,7ft时,碳化深度增大近30%,拉应力水平f/ft与相对碳化深度的关系是成正比。可见,不管是拉应力还是压应力。在高应力水平时必须考虑应力对碳化的不利影响。
5)施工质量
实际工程中,在相同裁量、相同环境条件下,混凝土碳化深度的离散性比试验室大得多,密实性差及存在蜂窝、麻面、漏浆、裂缝等缺陷部位的碳化深度比振捣密实、表面无缺陷部位大得多。可见实际工程的职工质量对碳化的影响可能比材料和环境因素更大,确保工程施工质量是提高结构耐久性的重要环节。
英国学者Parrott在试验中发现,影响钢筋锈蚀的一个主要原因是混凝土碳化:在用酚酞试剂测定的碳化速度发展到距离钢筋表面某个长度时,钢筋就开始锈蚀,而且岁碳化深度加深,钢筋锈蚀速度加快,知道碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时,锈蚀速度才基本稳定下来。这个发现很难用传统的混凝土碳化-钢筋锈蚀机理来解释。作者认为,混凝土碳化过程中部分碳化区的存在是钢筋锈蚀速度随碳化深度加深而增大上网根本原因。混凝土碳化过程中,pH值由外到内逐渐升高的阶段(即部分碳化区)是客观存在的,特别是当环境湿度较低时,部分碳化区在整个碳化区域中占主导地位。从而混凝土中钢筋锈蚀的机理来看,钢筋锈蚀的速度在pH=9~11.5的区段内恰恰是随pH值的下降而增大的,pH值在9以下时锈蚀速度保持不变,pH值在11.5以上时钢筋处于钝化状态。随着碳化过程的发展,钢筋位置的pH值逐渐下降,钢筋锈蚀的速度也就逐渐增大,知道钢筋全部处于完全碳化区后锈蚀速度就基本稳定下来。
由此可见,部分碳化区的长度及部分碳化区内pH的变化规律称为影响钢筋锈蚀速度的一个主要因素。其研究对准确预测钢筋脱钝的时间、钢筋锈蚀的速度以及整个钢筋混凝土构件的寿命具有重要的意义。
蒋利学
朱伯龙
唐岱新
朱安民
刘亚芹
张 誉 《混凝土碳化深度的计算与试验研究》肖建庄 《碳化对混凝土结构影响的研究》李兴和 《碳化对钢筋混凝土受力性能影响》 《混凝土碳化与钢筋混凝土的耐久性》 《表面覆盖层对混凝土碳化的影响与计算》 姓名 陈志峰 班级 建筑学102 学号 3100622040
日期 2011.5.10 参考文献