混凝土的碳化及碱—骨料反应

混凝土的碳化与碱—骨料反应
于换小（10级岩土工程）
一、混凝土的碳化
1、混凝土碳化的定义
混凝土的碳化是指混凝土中原呈碱性的勤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]。

2、混凝土碳化的形成机理
混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子，其中的水泥和水发生水化反应，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，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。

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[2]。

3、混凝土碳化的影响因素
大气中的混凝土碳化通常是一个缓慢的过程，碳化速度取决于混凝土的渗透性和大气中二氧化碳的浓度。

在实际中可以分为混凝土自身相关的内部因素和环境相关的外部因素。

混凝土的渗透性取决于混凝土的严密性，而严密性又取决于水泥的品种和用量、集料的品种和级配、水灰比、浇筑和养护的质量等[3]。

内部因素：（1）水泥用量；（2）水泥品种；（3）水灰比；（4）混凝土抗压强度；（5）集料品种和级配；（6）施工质量及养护方法对碳化的影响。

外部因素：（1）光照和温度；（2）相对湿度；（3）二氧化碳的浓度；（4）氯离子浓度的影响。

其他因素：（1）不同应力状态对混凝土碳化的影响；（2）裂缝对混凝土碳化的影响，裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处[2]。

4、混凝土碳化的危害
混凝土碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响。

经过碳化的混凝土，表面强度，密度能有所提高，但由于碳化的混凝土一般在结构表面，深度不大。

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。

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[1]。

5、混凝土碳化的处理措施
措施：（1）认真选择建筑材料。

水泥选择抗碳化能力强的硅酸盐水泥、集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料，并剔除集料中的有害物质；(2)在混凝土中参入优质外加剂，如减水剂、阻水剂等，在水泥用量不变的情况下，再外掺粉煤灰取代部分砂子；（3）严格控制混凝土的水灰比；（4）选好合适的配合比，适量的外加剂，控制细骨料、粉料用量，科学的搅拌和运输；（5）振捣和养护；（6）钢筋混凝土保护层厚度要满足设计要求；（7）施工缝要做到少留或不留，必须要留的，应做好接缝处的工艺处理[1]。

二、混凝土的碱骨料反应
1、混凝土碱骨料反应的定义
碱骨料反应(Alkali—aggregate reaction简称AAR)是指砼骨料中的某些矿物成分与砼中的碱溶液发生化学反应，这种反应所生成的反应生成物吸收砼内部或外部的水分．产生体积膨胀．使已经凝结硬化的砼构筑物产生破坏．这种现象称为碱骨料反应[4]。

2、混凝土碱骨料反应的分类和机理
根据骨料中活性成分的不同，碱骨料反应分为三种类型：碱-硅酸（ASR）、碱-碳酸盐反应（ACR）、碱6硅酸盐反应。

AAR破坏往往是以上三种类型协同作用的结果。

碱硅酸反应是指混凝土中碱与骨料中微晶或无定形硅酸发生反应,生成碱硅酸类.碱碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的粘土质细粒白云质石灰岩或粘土质细粒白云岩骨料发生下列反应,进行所谓的去(脱) 白云化作用.碱硅酸盐反应是指混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应,使层状硅酸盐层间间距增大,骨料发生膨胀,致使混凝土膨胀开裂。

3、混凝土碱骨料反应发生条件和特征
AAR必须具备三个条件：碱、活性骨料和水[5]。

碱骨料反应的特征：（1）从外观特征看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可看到从裂缝处溢出白色或透明胶体的痕迹；（2）在同一工程中潮湿部位发展严重；（3）内部特征表现为从破坏的试样里可以鉴定出碱-硅酸凝胶的存在，骨料颗粒周围出现反应环；（4）表面开裂：碱-骨料反应的最重要的特征是混凝土表面开裂。

如果混凝土没有施加预应力，裂缝成网状，每条裂缝长约数厘米。

开始时，裂纹从网接点三分岔成三条放射状裂纹，夹角约120度。

随着碱骨料反应程度的增加，最终这些裂纹相互连通，形成网状[6]。

4、混凝土碱骨料反应的预防方法
碱骨料反应被称作混凝土癌症，一旦发生就难以控制，严重影响混凝土结构的耐久性。

因此，需要预先防止发生。

防止的方法主要从四个方面着手：
（1）使用非活性骨料。

可对骨料专门进行碱活性测试，或根据以往的调查结果选用骨料。

（2）控制混凝土的总含碱量（当量
Na O）低于3.0kg/m³。

碱的来源包括水泥、外加剂、
2
拌合水和骨料，其中水泥和外加剂是主要来源。

（3）胶凝材料中使用6%以上硅灰，或25%以上粉煤灰，或40%以上磨细矿渣（矿粉）。

这些矿物掺合料含有的氧化硅，比骨料中氧化硅活性更高，能够预先将钾、钠固结在早期反应生成的硅酸钙凝胶中，从而防止后期有过量钾、钠与骨料反应。

（4）隔绝水和湿空气的来源如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果
总之，碱-骨料反应是可以预防的。

对于重要、重大工程，如大坝、大桥等等，往往还多种措施同时采用，确保万无一失。

参考文献：
[1] 朱金才.混凝土碳化的影响因素及其控制措施的探讨. [J].工艺技术散装水泥.2009
NO.4
[2] 张震,兰皓.混凝土碳化的影响因素及其控制措施
[3] 韦陆松,郑建新. 混凝土的碳化原理及影响因素.[J].建筑工程
[4] 伊丽丽,田亚矛,谢晓卫,王晓荥.谈碱骨料反应及其对砼构筑物的危害性. [J].森林工程.
2000 JUL vol.16NO.4
[5] 代明,柯国军,岳红涛,张海捷,张春雨. 混凝土的碱-骨料反应.[J].山东建材.2006 NO.5
[6] 混凝土碱-骨料反应的预防.隧道工程。