文献综述(混凝土的碳化)

文献综述

（2011届）

浅析混凝土碳化及其防治

学生姓名王利锋

学号********

院系工学院土木工程系专业土木工程

指导教师周欣墨

完成日期2011-02-28

浅析混凝土碳化及其防治

摘要：混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的主要因素之一。本文根据混凝土碳化的危害和基本原理，主要论述了影响混凝土碳化的各种因素，如水泥品种及用量、水灰比、集料品种、施工质量及养护方法、环境中CO2的浓度、外界环境温湿度等，并针对混凝土碳化的危害提出了相应的防治措施。

关键词：混凝土；碳化；危害；影响因素；防治措施

引言

20世纪60年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，在混凝土碳化方面进行了大量的试验研究及理论分析。首先，在混凝土碳化机理方面已经取得了比较统一完整的认识。其次，对于混凝土碳化影响因素、人工加速碳化以及碳化深度检测方面也有了全面的了解。基于这些研究成果，各国工程界相继都把碳化作为混凝土耐久性的一个主要方面纳入了设计规范，国际混凝土学术界已举办过多次有关混凝土碳化的学术讨论会，国际水泥化学会议也报导了混凝土碳化研究的进展，并且每次都有相当数量关于混凝土碳化的论文发表，并从不同角度提出了碳化深度的计算模型。我国在混凝土碳化方面的研究起步较晚，从20世纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋的锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试验以及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型，并且取得了可喜的研究成果。

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[1]。混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一，通过对混凝土碳化机理以及影响因素的分析，我们可以采取更好的相关控制措施来减少碳化的危害。

1混凝土碳化的危害及机理

1.1混凝土碳化的危害

经过碳化的混凝土，表面强度、密度能有所提高，但由于碳化一般均在结构表面，深度不大，故对整体结构强度影响不大。混凝土碳化后会产生体积收缩，当收缩应力超过混凝土表面抗拉强度时，会在表面产生裂缝。潮湿空气进入裂缝使裂缝处的混凝土碳化收缩，继而使裂缝向混凝土内部发展。当裂缝穿透混凝土

保护层到达钢筋时，混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈[2]。钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积开始膨胀，从而对周围的混凝土产生膨胀应力，锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝，最终有可能影响结构安全。由此可见，混凝土的碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响[3]。

1.2混凝土碳化的机理

混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。混凝土的碳化，是指水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用，生成碳酸盐或其他的物质的现象。碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷等。空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。碳化过程如图1所示。

图1 碳化过程模拟图

所以，混凝土碳化也可用下列化学反应表示:

CO2+H2O＝H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3＝CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3＝3CaCO3+2SiO2+6H2O

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3＝2CaCO3+SiO2+6H2O

可以看出，混凝土的碳化是在气相、液相、和固相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程[4]。

2影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土空隙内的水再与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的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2的浓度、环境温度、含水率等因素影响，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影响。这些因素(如表1所示)主要可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境有关的外部因素，当然，除此之外还存在一些其他因素。

2.1影响混凝土碳化的内在因素

2.1.1水泥用量

水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。另外，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；另外一方面还可以增加混凝土的碱性储备。因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢。

2.1.2水泥品种

水泥品种不同意味着其中所包含的熟料的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响水泥的活性和混凝土的碱性，对混凝土的碳化有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土碳化速度越慢[5]。

2.1.3水灰比

混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。混凝土的水灰比越低，其强度越高，混凝土的密实程度也越高；反之亦然。由于混凝土的碳化CO2向混凝土内扩散的过程，混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。混凝土的碳化深度受单位体积的水泥用量内的Ca(OH)2含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的Ca(OH)2含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土的拌合过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。因此，水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。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，碳化速度增大。

2.1.4混凝土的抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土基本性能指标之一，也是衡量混凝土品质的综合参数，它与混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在一定程度上反应水泥的品种、水泥用量与水泥强度，骨料品种、外加剂，以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。正常而言，混凝土强度高，抗碳化能力强[6]。

2.1.5集料品种及级配

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。

2.1.6混凝土的掺合料

把粉煤灰掺入普通水泥混凝土中,由于水泥中的熟料量相应的减少了,混凝土吸附CO2的能力也会降低；同时由于粉煤灰混凝土的早期强度比较低孔结构差,加速了CO2的扩散速度,从而会加快碳化速度[7]。Pagataki研究了砂浆与混凝土中掺加粉煤灰对碳化的影响,结果表明,粉煤灰掺量为10%，20%, 30%的混凝土的碳化速率与不掺粉煤灰的混凝土相比,其碳化速率分别提高了 1.06, 1.13,

1.19倍。

2.1.7外加剂

混凝土中加了减水剂或者掺引气剂均能大大降低混凝土的碳化速率.因为减水剂能直接减少用水量；引气剂能使混凝土中的毛细孔形成封闭的互不连通的气孔,切断毛细管的通路,两者都能使CO2的扩散系数显著减小。

2.1.8混凝土的施工工艺

施工工艺直接影响混凝土的质量。模板体系、拆模时间、振捣方法、搅拌机