混凝土碳化的影响因素及其防护措施探讨

孙炳华,李志敏,佟建美

(1.河北省沧州市水利科学研究所,河北沧州 061000;2.河北省沧州市水利勘测设计院,河北 沧州 061000;3.河北省沧州市水务局机关后勤服务中心,河北 沧州 061000)

0 概述

沧州地区六七十年代修建的水工建筑物,尤其是生产桥有相当一部分桥梁、井柱桩、栏杆、扶手等的钢筋锈蚀膨胀,混凝土保护层胀裂崩落,甚至有的井柱桩断裂,桥梁倒塌。如沧州市海兴县宣惠河明泊洼生产桥、大浪淀排水渠西侯生产桥即是如此,现均已倒塌。由此可以看出,由于混凝土的碳化,引起内部钢筋锈蚀,造成混凝土结构物的破坏,在水工建筑物中普遍存在,而且是危害较大,因而应引起重视,并采取防治措施。

1 混凝土碳化机理

混凝土是由水泥石、砂、石骨料、毛细孔和水组合而成的多相体。水泥石、砂、石骨料为固相、水为液相、毛细孔内有气体为气相。在这一多相体中,由于水泥的水化反应,使混凝土中存在着相当数量的氢氧化钙〔Ca(OH)2〕,当这些氢氧化钙溶解在毛细孔内的水中后,就使混凝土的液相中呈现较强的碱性。在普遍硅酸盐水泥混凝土中这种碱性可达到 PH值 13左右。

混凝土的碳化是指大气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙中,而后溶解于毛细孔中的水分,与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物相互作用,生成碳酸钙等产物。所以,混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙,里面充满着水分和空气,在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。有时也将混凝土的碳化称之为混凝土的中性化,中和反应不断进行的结果,则使混凝土中的碱性不断降低,PH值可下降到8.3～ 8.5。

混凝土碳化有增加混凝土强度和减少渗透性的作用,这可能是因为碳化放出的水分促进水泥的水化及碳酸钙沉淀减少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后,其碱性降低,加快钢筋腐蚀。

2 混凝土碳化影响因素分析

水工建筑物混凝土碳化的影响因素较多,有内在因素,也有外界因素。

2.1 影响混凝土碳化的内在因素

2.1.1 水泥品种

一般说来,普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快,掺混合材的水泥碳化速度更快,混合材掺量越大,碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂,可以大大改善混凝土的和易性,减小水灰比,制成密实的混凝土,使碳化减慢。

2.1.2 骨料品种和级配

混凝土中的骨料本身一般比较坚硬、密实,总的说来,天然砂、砾石、碎石比水泥浆的透气性小,因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是,在轻混凝土中,由于轻质骨料本身气泡多,透气性大,所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来,轻混凝土比普通混凝土碳化快,需要掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化速度。

骨料品种和级配不同,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,级配较好的骨料的混凝土,其碳化的速度较慢。

2.1.3 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。

2.1.4 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(并不是无限度的增大)。

2.1.5 水灰比

混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系,混凝土的透气性越小,碳化进行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实,透气性小,因而碳化速度就慢。同理,单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。

2.1.6 施工质量

2.1.7 浇筑与养护质量

密实的混凝土表层孔隙很小,易从潮湿的空气中吸取水分而充满水,故不易碳化;欠密实的混凝土表层中大孔隙内无水,二氧化碳可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规范,特别是振捣不密实,以及养护方法不当、养护时间不足时,就会造成混凝土内部毛细孔道粗大,且大多相互连通,严重时会引起混凝土再现蜂窝、裂缝等缺陷,使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部,从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀。

2.2 影响混凝土碳化的外界因素

2.2.1 酸性介质

酸性气体(如二氧化碳)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。试验研究已证明,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。

2.2.2 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。

多普勒超声技术检测出643枚淋巴结，其中220枚淋巴结为良性，其中病理证实为恶性43枚，良性177枚；多普勒超声检测423枚为恶性，其中病理证实为恶性400枚，良性23枚。统计检测所得数据，并对结果进行分析，具体统计情况见表2。

2.2.3 含水量和相对湿度

周围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%),使混凝土孔隙充满水,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;当周围介质的相对湿度为 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周围介质的相对湿度。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。

2.2.4 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。

2.3 环境条件

因为碳化是液相反应,十分干燥的混凝土即一直处于相对湿度低于 25%空气中的混凝土很难碳化;在空气湿度50%～75%的大气中,不密实的混凝土最容易碳化;但在相对湿度 ＞95%的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化,这是因为混凝土含水时透气性小,碳化慢;在湿度相同时,风速愈高、温度愈高,混凝土碳化也愈快;混凝土碳化速度与空气中二氧化碳浓度的平方根成正比。

3 对混凝土碳化侵蚀的防护措施

从以上影响混凝土碳化的主要因素可以看出,一个是环境条件的影响,一个是混凝土本身质量状态的影响。外部环境是不以人们主观愿望而改变的。因此,为了保证建筑物有足够抗碳化能力,必须从混凝土本身质量上及防护措施上加以解决。混凝土本身质量能否具有足够的抗碳化能力,即足够的安全运行寿命,它与设计、施工及管理三方面有密切关系。

3.1 合理设计

为了保证混凝土具有足够的抗碳化能力,保证建筑物安全运行的年限,设计主要是确定两个合理的指标,一个是混凝土的保护层厚度;一个是混凝土的标号。设计时除考虑结构本身要求外,还要充分考虑抗碳化问题。

3.2 保证施工质量

3.2.1 保证混凝土保护层厚度和垫块质量

必须保证设计要求的混凝土保护层厚度和垫块质量。足够的保护层厚度是防止内部钢筋锈蚀的重要保证。但在施工中往往对保护层厚度注意不够,造成钢筋骨架变形,保护层厚度不均,甚至钢筋紧贴模板,无保护层。因此,这个部位混凝土碳化很快发展到钢筋表面。使钢筋很快锈蚀。另外,垫块的质量也必须十分注意,垫块即起到保护层厚度的作用。也是保护层的一部分。因此,垫块质量不好,不能保证相应的密实性,则它本身就可能成为碳化锈蚀的突破点。因此,在施工中要保证垫块的尺寸和强度,强度应高于混凝土。

3.2.2 保证混凝土具有足够的密实性

混凝土的密实程度是抵抗空气中二氧化碳侵入的重要因素。施工中要认真成型振捣,不产生蜂窝狗洞,并且有良好光洁表面,这样就能使混凝土具有良好的抗碳化性能。

3.2.3 保证良好的养护条件

成型后的钢筋混凝土结构具有良好的养护条件,就能保证混凝土中水泥的充分水化。从而就提高了混凝土微观结构的密实度。也就提高了抗碳化能力。

3.3 加强管理

好的管理是延长混凝土抗碳化年限,防止钢筋锈蚀混凝土被破坏的重要环节,即对建筑物要经常的、及时的进行观测,并进行维护和修复,保证完好性就能提高抗碳化能力,延长建筑物使用年限。

4 混凝土碳化的防治

1)选择合适的水泥品种。在施工中根据建筑物所处的地理位置、周边环境,选择合适的水泥品种。在水位变化区及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸酸盐普通水泥。冲刷部位宜选高强度水泥。

2)分析骨料的性质。如抗酸性骨料与水、水泥相互作用,对混凝土的碳化有一定的延缓作用。

3)要选好配合比。适量的外加剂、高质量的原材料、科学的搅拌和运输、及时的养护等都可以减少渗流水量和其他有害物质对混凝土的侵蚀,以确保混凝土的密实性。

4)设置保护层。如果建筑物地处环境恶劣地区,宜采取环氧基液涂层进行保护,对建筑物地下部分在其周围设置保护层,并用各种溶注液浸注混凝土,如溶化的沥青等。

此外,若建筑物一旦发生碳化,最好采用环氧材料修补,若碳化深度较大,可凿除混凝土松散部分,洗净进入的有害物质,将混凝土衔接面凿毛,用环氧砂浆或细石混凝土填补,最后以环氧基液做涂层保护。

[1]李金玉 .混凝土的碳化 .水电科学研究院结构材料所,1986.

[2]马越 .简明实用建筑工程手册.沈阳出版社,1990.

[3]杨静 .混凝土的碳化机理及其影响因素.混凝土,1995,(6).[4]王博.混凝土碳化机理及其影响因素.水利水电技术,1995,(11).