混凝土碳化

混凝土碳化因素的探究

胡九林

摘要：随着我国基础设施建设不断加快，现代化的进程加快推动了建筑业的发展，道路桥梁、高层建筑、地下空间的开发利用等社会基础设施的建设方兴未艾。而这些构筑物大多为钢筋混凝土结构，其设计除了应该考虑传统的强度、刚度、抗震性等力学设计指标之外，还应考虑使用寿命，使其具有超耐久性。

大量的结构，尤其是钢筋混凝土结构在使用过程中出现了许多缺陷和问题，包括结构开裂、钢筋锈蚀、混凝土侵蚀和老化等等，使得许多建筑还没有达到预定的使用年限就提前失效；有的虽在使用，但已存在一定的安全隐患。造成这些缺陷和问题的原因很多，有的是由于结构的设计抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，也有的跟施工及其他因素有关，但更主要的原因是由于混凝土结构的耐久性不足。事实上，混凝土结构的耐久性问题已成为当前困扰土建工程的一个世界性问题。

关键词：混凝土、碳化、碳化区、因素

一、探究内容

本文主要考虑一般大气环境下混凝土结构的服役状态，研究机械荷载作用下防水混凝土结构抗碳化性能。从以下几个方面进行研究：

（1）通过加速碳化和自然碳化，研究粉煤灰混凝土的碳化规律。

（2）根据实际工程中混凝土结构的受力状态，通过加速碳化和自然碳化，研究不同荷载形式和荷载水平作用下，防水混凝土结构的碳化规律。

（3）测定碳化混凝土中的CaCO3含量和含量，对混凝土碳化情况进行定量分析，找出碳化规律，推导预测模型，为耐久性评估提供可靠依据。

二、混凝土碳化机理及其影响因素

2.1 混凝土的碳化

混凝土是碱性的，但当空气、土壤或地下水中酸性物质以及火灾、微生物等作用下混凝土呈中性或接近于中性，这种过程称为混凝土的中性化[1]。空气中混凝土碳化是混凝土中性化最常见的形式，它是伴随着C0

2

气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土内的空隙水，再与各水化产物发生化学反应的一个复杂的物理化学

过程。混凝土的碳化速度取决于气体的扩散速度以及C0

2

与混凝土水化产物的反

应性。而C0

2气体的扩散速度又受混凝土本身结构的密实性、C0

2

气体的浓度、环

境湿度和温度等诸多因素的影响。此外碳化反应受混凝土孔溶液组成、水化产物

的形态、温度等因素的影响。碳化降低混凝土的碱度，破坏混凝土的钝化膜(pH 值大于11.5是混凝土中钢筋保持钝化的前提条件)，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土钢筋锈蚀带来不利影响。锈蚀后的钢筋体积比原来的体积膨胀2．5倍，造成混凝土开裂，钢筋的粘结力下降，混凝土保护层剥落，钢筋断面发生缺损，严重影响耐久性。同时碳化还会增大混凝土收缩、降低结构延性[2]等。随着资源消耗大气中的二氧化碳的浓度在急剧增加。据报道，在19世纪中叶，大气中二氧化碳的平均浓度为280×10-6(质量分数，下同)，而目前已达到350×10-6，预计到2100年将上升到540×10-6。随着大气中二氧化碳浓度的不断增长以及工厂排出的废液、废渣使河川与地下水的二氧化碳浓度提高，分析混凝土碳化机理及其影响因素显得越来越重要。

2.2 混凝土的碳化及钢筋锈蚀机理

混凝土碳化指空气中的CO

2

等酸性气体与混凝土中的液相碱性物质发生反应，造成混凝土碱度下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过程。在正常的

大气环境下，CO

2

与混凝土中的碱性物质相互作用是一个很复杂的物理化学过程。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，空气中的CO

2

气体渗透到混凝土的孔隙中，与孔隙中的可碳化物质发生化

学反应。可碳化物质是在水泥水化过程中产生的，主要有氢氧化钙(Ca（OH)

2

)此

外还有水化硅酸钙(CaO•2SiO

2·3H

2

0)，未发生水化的硅酸三钙和硅酸二钙在有水

分的条件下也能参与碳化反应。混凝土的碳化可以用下列化学方程式表示：

Ca（OH)

2+ H

2

0+ CO

2

→CaCO

3

+2H

2

O （1）

3CaO·2SiO

2·3H

2

O +3CO

2

→3CaCO

3

·2SiO

2

·3H

2

O （2）

3CaO·SiO

2+3CO

2

+ γ H

2

O →3CaCO

3

+ SiO

2

·γ H

2

O （3）

2CaO·SiO

2+2CO

2

+ γ H

2

O →2CaCO

3

+ SiO

2

·γ H

2

O （4）

由混凝土碳化过程分析，混凝土碳化速度主要取决于以下三个方面：

（1）化学反应本身的速度；

（2）CO

2

向混凝土内扩散的速度；

（3）混凝土孔隙中可碳化物质，主要是Ca(OH)

2

的扩散速度。

在以上三个过程中，CO

2

向混凝土中扩散最慢，因此，混凝土碳化速度主要取决

于CO

2

在混凝土中的扩散速度。

最初的混凝土孔隙中充满了饱和Ca(OH)

2

溶液，它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀，该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，即Fe203和Fe304，这层覆盖物称为钝化膜[3]，在高碱性环境中，即pH≥11．5时，它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的pH 值降低到8.5～9.0，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。