水工混凝土碳化的原因及预防措施

袁缤络

摘要:混凝土碳化对混凝土结构破坏影响很大。本文通过对混凝土的碳化机理及影响因素分析,提出了水工建筑物混凝土碳化的防治措施,原则上应为防重于治,以达到或延长工程的使用寿命。

关键词:防治;混凝土碳化;冻融破坏;水工建筑物

1 水工混凝土碳化的危害

混凝土碳化,会引起钢筋锈蚀,导致其体积膨胀,使混凝土保护层开裂,直至使混凝土剥落,严重的影响了混凝土建筑物的耐久性。因此必须采取相应措施,防止混凝土的碳化或降低碳化速度。

2 混凝土碳化机理

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。

3 混凝土碳化的原因

3.1 混凝土碳化的内在原因

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 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。

3.1.4 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。

3.1.5 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。

3.1.6 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。

3.1.7 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。

3.2 混凝土碳化的外在原因

3.2.1 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。试验研究已证实,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-)作用。氯离子在混凝土液相中形成盐酸,与氢氧化钙作用生成氯化钙,氯化钙具有高吸湿性,在其浓度及湿度较高时,能剧烈地破坏钢筋的钝化膜,使钢筋发生溃灿性锈蚀。

3.2.2 温度和光照

混凝土温度骤降,其表面收缩产生拉力,一旦超过混凝土的抗拉强度,混凝土表面便开裂,导致形成裂缝或逐渐脱落,为二氧化碳和水分渗入创造了条件,加速混凝土碳化。

阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高,二氧化碳在空气中的扩散系数较大,为其与氢氧化钙反应提供了有利条件,阳光的直接照射,加速了其化学反应和碳化速度。

3.2.3 含水量和相对湿度

四周介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度(如100%),使混凝土孔隙布满水,二氧化碳不易扩散到水泥石中,过低的湿度(如25%),则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸,碳化作用都不易进行;当四周介质的相对湿度为50~70%,混凝土碳化速度最快。因此,混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及四周介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻,主要是湿度影响的结果。

3.2.4 冻融和渗漏

在混凝土浸水饱和或水位变化部位,由于温度交替变化,使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛,造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝,导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失,在混凝土表面结成碳酸钙结晶,引起混凝土水化产物的分解,其结果是严重降低混凝土强度和碱度,恶化钢筋锈蚀条件。

4 混凝土碳化的预防措施

4.1 设计方面

根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素,分别对混凝土的保护层采取不同的厚度,应尽量避免一律采用2~3cm。

4.2 施工方面

混凝土质量好坏,施工是关键。一是要认真选择建筑材料。水泥选用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;施工中除砂要筛、石要洗外,还要非凡注重剔除集料中的有害物质。二是在混凝土中可掺入优质适宜的外加剂,如减水剂、阻水剂等,以改善混凝土的某些性能,提高其强度和密实性、抗渗性、抗冻性。三是要严格控制混凝土的水灰比,要求是小水灰比,低塌落度,要把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内,尽量减少混凝土的自由水。四是振捣和养护,振捣一定要充分并严格按照规定标准进行,必要时可作表面处理;养护一定要及时,一旦混凝土达到初凝时,就应立即进行养护,并坚持按不同水泥品种所要求的时间养护,控制好环境的温度和湿度,以使混凝土在适宜的环境中进行养护。五是钢筋混凝土保护层厚度,施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好,使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。六是施工缝要做到少留或不留,必须要留的,应作好接缝处的工艺处理。

4.3 使用方面

对于水工建筑物在使用上不要随意改变原设计的使用条件。因为水工建筑物使用条件的改变,直接关系到外界气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化,尤其是对于混凝土构件的轻易碰撞部位,更应当设置包角和隔层保护。

4.4 治理方面

对于水工建筑中混凝土构件的治理,主要是定期检查、加强维护。对于轻易产生碳化的混凝土构件,则应派专人定期观察及测试温度、湿度,检查裂缝情况和碳化深度,并作好具体记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时,则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施,绝对不答应其裂缝继续扩大,必要时可作混凝土补强处理。

5 结束语

影响水工建筑物中混凝土碳化的因素很多,问题比较复杂,预防对策还有待于进一步分析研究。混凝土的碳化虽然能对混凝土的耐久性产生严重的不良影响,但只要科学施工,严格管理,采取各种措施,预防混凝土的碳化或减慢碳化速度是完全有可能做到的。