水工混凝土碳化危害、预防及处理

水工混凝土碳化危害、预防及处理（钟汉华） 时间：2007年10月26日 16:51 来源：《中国水利水电市场》2007年9期放大缩小打印[摘要] 混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的不可忽视的问题。

水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，超过钢筋保护层厚度处较多，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出，直接影响这些建筑物的安全度。

本文介绍混凝土碳化的概念、碳化机理、预防措施、处理方法。

[关键词] 混凝土碳化耐久性预防处理1. 混凝土碳化概念混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。

它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。

混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

根据湖北省水利水电工程检测研究中心对省内30多个工程碳化检测成果来看，五、六十年代修建的水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，一般为20～60mm，最大甚至超过90mm，远均超过钢筋保护层厚度，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出。

这些建筑物的安全度普遍较低。

2. 混凝土碳化机理混凝土碳化是在潮湿环境下渗入混凝土体内部的CO2与水泥石中的Ca（OH）2发生中和反应,降低混凝土中的碱度的过程。

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，以及水泥石和骨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%。

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应，生成碳酸钙等产物。

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。

水泥石中各水化产物稳定存在的pH值如表1（略）。

当混凝土细孔溶液中pH值低于表1（略）中所示值时,各物质开始进行分解。

在混凝土的细孔溶液中，存在较多的是K+、Na+和与之平衡的OH-。

Ca2+的浓度很低。

但是，这样的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸盐中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有选择性地首先沉淀，这是为了补充溶液中Ca2+的不足，固相中的Ca（OH）2 溶解。

有的学者指出水与空气的存在是混凝土发生碳化的先决条件。

根据已碳化完了的试件的孔隙壁及内部的取样，测定其钙化比得知，碳化反应主要发生在孔隙内壁上。

水泥的水化产物对CO2 具有吸收与缓冲能力，在该能力丧失之前，碳化反应进行，直到缓冲能力丧失，CO2 气体再一步向混凝土内部扩散。

所以，碳化是呈阶梯状进行的。

混凝土的碳化结果，使凝胶孔和部分毛细管可能被碳化产物CaCO3 等堵塞，混凝土本身的抗渗性和强度会有所提高。

但是，碳化降低了混凝土孔隙液体中pH值，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀。

钢筋开始锈蚀后，随后钢筋径向膨胀，保护层顺筋开裂，最后钢筋锈蚀加剧直至结构破坏；混凝土碳化破坏了混凝土结构的表面稳定的水化生成物，碳化反应生成的碳酸钙强度较低，从而降低混凝土强度。

同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土产生裂缝,从而破坏建筑物。

3.混凝土碳化影响因素由上可知，混凝土的碳化是伴随着CO2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。

所以，混凝土的碳化速度取决于CO2 气体的扩散速度及CO2 与混凝土成分的反应性。

而CO2 气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2 气体的浓度、环境温度、湿度等因素影响，所以碳化反应受混凝土内孔隙溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。

具体表现在：3.1内在因素3.1.1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。

3.1.2骨料品种和级配骨料品种和级配不同，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，级配较好的骨料的混凝土，其碳化的速度较慢。

3.1.3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。

3.1.4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。

3.1.5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。

3.1.6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。

3.1.7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。

3.2外界因素3.2.1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。

3.2.2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。

据检测同一结构的背阳面的碳化速度是阳面的60%~80%。

3.2.3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。

3.2.4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。

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4.2.1限制新拌混凝土氯化物含量。

拌和混凝土时，有可能从拌和水、水泥、细骨料、粗骨料以及外加剂等材料带进氯离子。

对不接触氯离子的混凝土，拌和物中的氯离子含量应不大于引起钢筋锈蚀的临界值。

4.2.2采用活性掺和料和减水剂技术。

国内外大量研究和工程实践证明，掺加适量优质的粉煤灰，在保证强度等级与和易性要求的前提下充分潮湿养护，不仅可以节能、节约水泥，降低工程造价，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、离析带来的质量问题，而且可以以火山灰反应生成的水化硅酸钙凝胶体封堵毛细孔，从而显著提高对钢筋的防护性能。

如果适量取代水泥，甚至外加法或同时掺加减水剂，以降低其水胶比，则会取得更好的效果。

若以硅粉和硅粉粉煤灰双掺，其效果要优于单掺硅粉剂。

4.2.3严格控制施工质量。

施工质量与混凝土耐久性关系的重要性超过其他因素。

从大量混凝土工程出现碳化看，多出在施工质量上，因此，严格标准要求，严格操作规程、严格控制施工质量，是十分必要的。

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. 几种实用的混凝土碳化处理方案5.1丙乳(丙烯酸脂共聚乳液)砂浆修补5.1.1丙乳砂浆封闭施工前，必须把混凝土表面的尘污、松散混凝土、裂隙边缘的杂物等用钢丝刷彻底清除，表面有油污时用汽油冲洗干净，然后用高压水泵进行喷洗。

对混凝土表面的裂缝或孔洞用丙乳砂浆填充后，不必抹光，以便于与封闭涂料结合。

5.1.2 涂浆封闭施工前先将混凝土表面洒水，使其充分吸附水分，待稍干并保持湿润状态时开始涂浆。

涂浆封闭分三次。

第一遍用毛刷涂刷净浆，涂刷时要力求均匀，对表面低洼点、粗糙处理都要涂刷，不可漏涂。

第二遍涂浆待净浆稍干(约经过2h)后进行。

用木抹子涂刷丙乳砂浆，不必抹光，均匀即可，厚度为4～5mm。

为了保持砂浆的和易性，便于施工，涂刷要分片进行，一次不可过大，以3～4m2为宜。