建筑工程用混凝土碳化-冻融破坏影响因素及防治

建筑工程用混凝土碳化\冻融破坏影响因素及防治

【摘要】：建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以碳化、冻融破坏为常见，致使许多建筑物的运行寿命大为缩短，造成极大浪费。所以有必要进一步探讨水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏机理及防治措施。

【关键词】：建筑工程混凝土影响因素

中图分类号：tu37 文献标识码：a 文章编号：

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，加快钢筋腐蚀。

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中ｃｏ２气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：ｃａ（ｏｈ）2＋ｃｏ2＝ｃａｃｏ3＋ｈ2ｏ。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，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，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。

混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到

干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，如浙江省的富春江水电站，湖南省的桃江水库等，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者t．c．powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀９％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。

另外凝胶不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

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-）