混凝土碳化对结构的影响

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　　摘要：本文分析了CO2等物质使混凝土发生碳化的作用机理及主要影响因素，阐述了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学过程，运用混凝土碳化原理分析了混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响。

　　关键词：混凝土,碳化,钝化膜,钢筋腐蚀

　　普通混凝土的工作特征是带裂缝工作，混凝土长期裸露于空气中，并受到日晒、风吹、雨淋、霜雪的侵蚀和其他化学腐蚀介质作用，使结构表面发生碳化、污染，从而引起钢筋腐蚀，降低了结构的可靠度和耐久性。随着工程实践中建(构)筑物因混凝土耐久性问题而提前破坏的实例的发生，混凝土的碳化及其对钢筋腐蚀的影响已经引起了工程界的重视。如何选择原材料和控制配合比，从根源上防止混凝土的碳化、提高结构耐久性已成为很重要的一个课题。

　　1.混凝土的碳化

　　混凝土的碳化是指空气中的CO2渗透到混凝土内，与其碱性物质化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程，又称中性化。

　　1.1碳化作用原理

　　由于混凝土内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷,具有一定的透气性。空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，随后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2和水化硅酸钙等物质相互作用，形成了CaCO3 。研究表明，混凝土的碳化过程是CO2气体由表及里向混凝土内部逐渐扩散的物理化学反应过程。随着混凝土碳化过程的进行，混凝土毛细孔中Ca(OH)2的含量会逐渐减少，必然会使混凝土PH值降低。碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构，对混凝土物理力学性能和耐久性有着明显的影响。

　　1.2影响碳化的因素

　　根据混凝土碳化原理可知，影响混凝土碳化的主要因素是混凝土的表面裂缝、内部密实度和所含碱性物质的多少。如果混凝土表面裂缝越少、内部密实度越高、Ca(OH)2含量越大，则抗碳化性能就越好;反之则越差。而影响混凝土表面裂缝、密实度及Ca(OH)2含量大小又与多种因素有关，主要有材料因素、环境因素和施工因素三方面。材料因素主要有混凝土水灰比大小、水泥品种及用量、混凝土强度等级、粉煤灰掺量等;环境因素主要有周围环境的相对湿度、温度、CO2浓度等;施工因素主要有混凝土振捣质量和养护等。

　　(1)水灰比

　　水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大。在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率越大，渗透性增大，CO2在清水混凝土毛细孔中的扩散速度越快，导致清水混凝土的碳化速度加快。

　　(2)水泥品种及其用量

　　水泥品种不同，水化产物中碱性物质的含量及混凝土的渗透性不同，对混凝土的碳化速度有一定程度影响。实践表明：使用矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥配制的混凝土的碳化速度要比用硅酸盐水泥配制的混凝土的碳化速度快。这是因为火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiO2的含量高，水泥水化生成的Ca(OH)2含量较少，混凝土的碱性低;而硅酸盐水泥中CaO的含量高，能生成较多的Ca(OH)2，碱性高。另外，混凝土的碳化还与CO2的渗透速度有关。在相同湿度下，火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO2的渗透速度要比硅酸盐水泥混凝土的渗透速度快。

　　水泥用量也是影响混凝土碳化的主要因素之一。水泥用量增加，不仅可以改善混凝土拌合物的和易性，提高强度，还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化能力大大增强。

　　(3)混凝土强度等级

　　混凝土强度等级越高,内部组织越密实, CO2的扩散速度降低,致使混凝土的碳化速度降低，抗碳化能力得到提高。

　　(4)粉煤灰掺量

　　在水灰比一定时，粉煤灰中的活性SiO2与水泥熟料水化产生的Ca(OH)2进行二次水化反应，生成低碱性的水化硅酸钙，致使混凝土含碱量降低。粉煤灰掺量越大，消耗的Ca(OH)2的越多，混凝土抗碳化能力越弱。但在水灰比较小时，随着养护龄期的延长，混凝土后期强度不断提高，内部组织结构更加致密，CO2在混凝土中的扩散速度和能力逐渐降低，混凝土的抗碳化性能得到改善。

　　(5)环境相对湿度

　　环境相对湿度的大小对混凝土碳化有直接的影响。Ca(OH)2与CO2反应生成的水要向外扩散，以保持混凝土内部与大气之间的湿度平衡。如果水向外的扩散速度由于环境湿度大而被减慢，混凝土内部的水蒸气压力将增大，CO2向混凝土内部扩散渗透的速度将降低乃至终止，混凝土的碳化反应也随之减慢。因此在相对湿度接近100% 时，混凝土中的孔隙被水蒸气的冷凝水所充满，反应产生的水向外扩散和CO2向内渗透的速度大幅度降低，碳化将终止。相对湿度小于25% 时，虽然CO2的扩散渗透速度很快，但混凝土毛细孔中没有足够的水，空气中的CO2无法溶解于混凝土毛细管水中，或其溶解量非常有限，使之不能与碱性溶液发生反应，因此碳化反应实际上也无法进行。只有在相对湿度为50～70% 的条件下，最有利于清水混凝土的碳化。

　　(6)环境温度

　　环境温度的变化对碳化反应速度有一定影响。当温度降低到0℃时，碳化反应无法进行;当温度升高时，C02的扩散速度和碳化反应速度加快，混凝土抗碳化能力降低。

　　(7)空气中CO2浓度

　　碳化反应包含着CO2通过混凝土表面孔隙向其内部逐渐渗入、反应的过程，然而这个过程的快慢取决于CO2的浓度。空气中CO2浓度越高，混凝土碳化速度就越快，碳化深度越大。

　　(8)混凝土振捣质量和养护

　　施工过程中混凝土的振捣质量高，则混凝土硬化后密实度高，可降低C02在混凝土中的扩散，使混凝土碳化速度减弱。养护条件对碳化反应也有一定影响。如果养护不良，混凝土中的水分蒸发过快，混凝土表面渗透性增大，可加快混凝土的碳化。

　　2. 混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响

　　2.1钢筋腐蚀原理

　　根据钢筋腐蚀的作用原理不同，钢筋腐蚀一般分为化学腐蚀与电化学腐蚀，混凝土构件中钢筋的腐蚀主要是电化学腐蚀。钢筋发生电化学腐蚀必须具备两个条件，一是钢筋表面形成电位差，二是阳极部位的钢筋表面处于活性状态，可以自由地释放电子，在阴极部位钢筋表面存在足够的水和氧气。

　　由于钢筋同时含有碳、硅、锰等合金元素和杂质，不同元素处在相同或不同介质中，其电极电位也不同，必然存在着电位差，因此，在潮湿的环境下钢筋表面的钝化膜受到破坏时，就可以发生电化学反应。

　　2.2碳化对钢筋腐蚀的影响

　　当混凝土PH值为12～13时，混凝土对钢筋具有一定的保护作用，这是因为水泥水化过程中产生一定量的溶解度很小Ca(OH)2，在钢筋表面形成一层钝化膜，使钢筋免受腐蚀。使钝化膜破坏的因素有两个，一个是内在因素，指混凝土本身具有腐蚀性，如在混凝土中使用了过量的氯盐类外加剂等引起钢筋发生电化学腐蚀。另一个是外在因素，主要指混凝土碳化。碳化反应的结果是降低了混凝土中碱的含量，使钝化膜失去稳定性或被破坏，引起钢筋腐蚀。混凝土的碳化是引起钢筋腐蚀的主要原因之一。

　　3. 钢筋腐蚀对结构的影响

　　钢筋表面被腐蚀而生成铁锈，会对混凝土结构造成不利影响：

　　(1)铁锈的体积增大，是原体积的2～4倍。增大的体积挤压周边混凝土，在混凝土中产生拉应力。当该拉应力超过混凝土的极限抗拉强度后，会沿钢筋表面产生顺筋裂缝。这种裂缝进一步使水、氢气、氯离子等使钢筋发生腐蚀的物质直接与钢筋接触，进一步加快钢筋腐蚀的速度。

　　(2)铁锈破坏了钢筋与混凝土之间的粘结，从而使钢筋与混凝土的协同工作能力下降，构件延性显著降低。

　　(3)铁锈造成钢筋截面减小，构件承载力降低。

　　(4)铁锈体积膨胀，使混凝土保护层胀裂，甚至脱落，构件变形增大，影响混凝土的表面质量和结构的正常使用，降低结构耐久性。

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