論水泥混凝土的碳化

論水泥混凝土的碳化本學期上了《土木工程材料》這門課，另外還選修了一門《綠色建材耐久性使用壽命的預測》這兩門課之間有著那么一絲的聯(lián)系。兩門課程都講到了混凝土，而我剛好在選修課上對混凝土的碳化進行了一定的學習，并在班上進行了研討。于是便把研討的結果記下，以供以后回顧學習。首先是混凝土碳化的影響因素。先從內部因素說起：水灰比一一水灰比越大，混凝土碳化速度也就越快?；炷恋乃冶仍降?，其強度越高，混凝土的密實程度也越高；反之亦然。水泥品種一一水泥品種不同，水泥水化產(chǎn)物中堿性物質的含量及混凝土的滲透性不同，故對混凝土碳化速度有一定影響。同一試驗條件下砂漿的碳化速度為：BFC(高爐礦渣水泥)>OPC(普通硅酸鹽水泥)>HEC(早強水泥)水泥用量一一混凝土吸收CO2的量取決于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢。骨料的品種及顆粒級配——骨料的品種和顆粒級配影響混凝土的密實度，從而影響到碳化速度。粗骨料粒越大，越容易造成離析、泌水，影響穩(wěn)定性，增加了透氣性，降低密實度。而輕骨料本身氣泡多，透氣性大?；炷翐胶狭弦灰粨郊臃勖夯液?，由于水泥中的熟料量相應地減少了，致使混凝土吸收CO2的能力降低，同時，由于粉煤灰混凝土的早期強度低，孔結構差，加速了CO2的擴散速度，從而使碳化速度加快?；炷量箟簭姸取芯拷Y果表明，混凝土碳化深度與抗壓強度的倒數(shù)成正比。施工質量及養(yǎng)護方法一一施工質量差表現(xiàn)為振搗不密實，養(yǎng)護不善，造成混凝土密實度低，蜂窩麻面多，為大氣中的CO2、O2和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土的養(yǎng)護狀況對碳化也有一定影響。再從外部因素來說：相對濕度一一碳化是液相反應，在相對濕度低于45%的空氣中(干燥狀態(tài))的混凝土很難碳化；在相對濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土由于透氣性小，反而難以碳化。在50%-70%的環(huán)境相對濕度范圍，混凝土碳化速度最快。光照和溫度一一溫度升高，碳化反應和CO2擴散速度加快，所以碳化速度加快。陽光的直射，加速了其化學反應，也能使碳化速度加快。環(huán)境中CO2濃度——CO2濃度越高，碳化速度就越快。對于CO2濃度對碳化的影響，理論模式大多基于菲克(Fick)第一擴散(滲透)定律x=2Dqca?t其中，x為碳化系數(shù)；D為CO2濃度；a為單位體積混凝土吸收CO2能力的系數(shù)。其他因素一一例如不同應力狀態(tài)對混凝土碳化的影響、裂縫對混凝土碳化的影響、凍融環(huán)境下凍融與碳化的耦合作用。混凝土在使用過程中因為外在環(huán)境的作用會產(chǎn)生碳化，使設施的使用壽命減少，對設施造成損壞，因此必須要對它進行預防，從而達到避免或者延緩混凝土碳化的目的。預防可從以下幾點進行：設計方面根據(jù)水工建筑物中不同的結構形式和不同的環(huán)境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，應盡量避免一律采用2—3cm.施工方面混凝土質量好壞，施工是關鍵。一是要認真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質地硬實和級配良好的砂和石料；施工中除砂要篩、石要洗外，還要特別注意剔除集料中的有害物質。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質適宜的外加劑，如減水劑、阻水劑等，以改善混凝土的某些性能，提高其強度和密實性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴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滿足配料和施工需要的最低范圍內，盡量減少混凝土的自由水。四是振搗和養(yǎng)護，振搗一定要充分并嚴格按照規(guī)定標準進行，必要時可作表面處理；養(yǎng)護一定要及時，一旦混凝土達到初凝時，就應立即進行養(yǎng)護，并堅持按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護，控制好環(huán)境的溫度和濕度，以使混凝土在適宜的環(huán)境中進行養(yǎng)護。五是鋼筋混凝土保護層厚度，施工時要將鋼筋用事先預制好的高標號砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護層厚度滿足設計要求。六是施工縫要做到少留或不留，必須要留的，應作好接縫處的工藝處理。管理方面對于水工建筑中混凝土構件的管理，主要是定期檢查、加強維護。對于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構件，則應派專人定期觀察及測試溫度、濕度，檢查裂縫情況和碳化深度，并作好詳細記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開裂、剝落現(xiàn)象時，則應及時利用防護涂料對混凝土表面進行封閉或采取使混凝土表面與大氣隔離措施，絕對不允許其裂縫繼續(xù)擴大，必要時可作混凝土補強處理。使用方面對于水工建筑物在使用上不要隨意改變原設計的使用條件。因為水工建筑物使用條件的改變，直接關系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構件的容易碰撞部位，更應當設置包角和隔層保護。若建筑物一旦發(fā)生了混凝土碳化破壞，最好采用環(huán)氧材料修樸.若碳化程度較大，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進入的有害物質，將混凝土銜接面鑿毛.用環(huán)氧砂漿或細石混凝土填補，最后以環(huán)氧基液做涂基保護。當混凝土產(chǎn)生碳化時，就必須對混凝土的碳化程度及狀況進行檢測。檢測的方法有許多種，我從網(wǎng)上查了一種，步驟如下：在砼表面鑿個小洞，深1cm左右；用洗耳球或小皮老虎吹掉灰塵碎屑；在鑿開的砼表面滴或者噴1%的酚猷酒精溶液；用游標卡尺或碳化深度深度測定儀測定沒有變色的砼的深度。測量完之后需對測量出的碳化深度值與標準進行比對，從而得出結論。此處便不一一贅述。檢測出混凝土的碳化后，便需要針對混凝土的碳化程度與外部環(huán)境制定出正確的治理方法。常見的治理方法有以下幾種：表面修補法表面修補法是常見的修補方法，它主要適用于穩(wěn)定和對結構承載能力沒有影響的表面裂縫以及深進裂縫的處理。通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥砂漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，在防護的同時為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開裂，通?？梢圆捎迷诹芽p的表面粘貼玻璃纖維布等措施。灌漿、嵌縫封堵法灌漿法主要適用于對結構整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補。嵌縫法師裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫鑿槽，在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，以達到封閉裂縫的目的。結構加固法當裂縫影響到混凝土結構的性能時，就要考慮采取加固法對混凝土結構進行處理。結構加固中常用的主要有以下幾種方法：加大混凝土結構的截面面積，在構建的角部外包鋼、采用預應力法加固、粘貼鋼板加固、增設支點加固以及噴射混凝土補強加固?；炷林脫Q法混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方掛，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。電化學防護法電化學防腐是利用施加電場在介質中的電化學作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性復原法是化學防護法中常用而有效的三種方法。這種方法的優(yōu)點是防護方法受環(huán)境因素的影響較小，適用于鋼筋、混凝土的長期防錯，既可用于已裂結構也可用于新建結構。防治的原則應是防重于治，由于混凝土的品種、摻和料及配合比等各不相同，外界環(huán)境介質條件的影響也各有差異。要綜合考慮荷載、材料、環(huán)境腐蝕介質、齡期等因素對混凝土耐久性影響。首先應根據(jù)混凝土所處的環(huán)境.合理進行配合比設計；其次是嚴把施工質量關，加強工程運行中科學管理，出現(xiàn)堿化、凍融破壞及時采取防范保護和修補措施，以達到延長工程的使用壽命的目的。說到混凝土的使用壽命，就不得不提到混凝土耐久性，以及混凝土耐久性壽命預測?；炷两Y構耐久性是指混凝土結構及其構件在可預見的工作環(huán)境及材料內部因素的作用下，在預期的使用年限內抵抗大氣影響、化學侵蝕和其他劣化過程，而不需要花費大量資金維修，也能保持其安全性和適用性的功能。這個混凝土結構耐久性的定義實際上包含了三個基本要素：環(huán)境:結構處于某一特定環(huán)境(包括自然環(huán)境、使用環(huán)境)中，并受其侵蝕作用；功能:結構的耐久性是一個結構多種功能(安全性、適用性等)與使用時間相關聯(lián)的多維函數(shù)；經(jīng)濟:結構在正常使用過程(即設計要求的自然物理剩余壽命)中不需要大修。定義中的工作環(huán)境及材料內部因素的作用指的是物理或化學作用，根據(jù)結構工作環(huán)境情況、破損機理、形態(tài)以及國內各行業(yè)傳統(tǒng)經(jīng)驗，可將混凝土結構的工作環(huán)境分成6大類:大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、海洋環(huán)境、受環(huán)境水影響的環(huán)境、化學物質侵蝕環(huán)境以及特殊工作環(huán)境。同時，結構耐久性是結構的綜合性能，既涉及結構的承載能力、又涉及結構的正常使用以及維修等，反映了結構性能隨時間的變化，這樣就不可簡單地把耐久性歸入為承載能力狀態(tài)或正常使用狀態(tài)。而耐久性的經(jīng)濟性則體現(xiàn)在以較小的維修成本達到維持混凝土結構基本功能的要求，若業(yè)主要求延長結構使用壽命時則需適當?shù)木S修成本就可達到其目的?；炷两Y構產(chǎn)生耐久性失效，是指由于在環(huán)境作用下，混凝土或鋼筋的材料物理、化學性質及幾何尺寸的變化，繼而引起混凝土構件外觀變化，不能滿足正常使用的要求，導致承載能力退化,最終影響整個結構的安全。因此,混凝土結構的耐久性失效應考慮以下幾個方面：結構外觀或表面破損已不能滿足正常使用或美學要求；鋼筋銹蝕或結構破損已導致結構承載力下降到不能允許的程度；對結構進一步維修在技術上或經(jīng)濟上已經(jīng)不可行。應當看到，混凝土結構耐久性的失效過程包含在混凝土結構的建造、使用和老化的結構全生命過程，以及與結構全生命過程相對應的結構設計、施工和維護的各個環(huán)節(jié)。目前混凝土結構耐久性評估方法主要可以分為三類：根據(jù)結構檢測和監(jiān)測結果，由有經(jīng)驗的技術人員作出評估,這就是所謂的傳統(tǒng)經(jīng)驗法；隨著基礎科學和計算機學科的發(fā)展，借助于模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能手段的綜合評估方法；基于可靠度理論的混凝土結構耐久性評估法。目前，學術界針對混凝土結構耐久性壽命預測的研究提出了以下三大類主要理論：鋼筋脫鈍壽命理論,這種理論以侵蝕介質侵入到鋼筋表面引起鋼筋脫鈍作為混凝土結構耐久性失效的極限狀態(tài)，以此來預測結構構件的壽命；混凝土開裂壽命理論，這種理論以鋼筋銹蝕引起鋼筋表面混凝土出現(xiàn)裂縫作為失效準則，預測結構構件的壽命；抗力壽命理論，這種理論將抗力作為時變隨機變量,將荷載視為隨機變量或隨機過程,分析抗力衰減的結構可靠度，通過可靠度指標變化函數(shù)來預測結構構件的壽命。由于工程實際問題的復雜性，混凝土結構耐久性評估和壽命預測中會遇到大量隨機的、模糊的以及不完善的信息，而且許多信息是不定性的，難以將其定量化，這種信息不確定性的分析還處于初級階段，尚無較為合理的混凝土結構耐久性評估模式。因而在實際工程應用中，仍然是以經(jīng)驗判斷為基礎，以運用層次分析法來進行混凝土結構的耐久性評估為多。目前這些壽命預測方法基本停留在單環(huán)境因素作用下混凝土構件的評估與壽命預測，并不能真正實現(xiàn)混凝土結構耐久性全過程的性能評估與壽命預測。隨著混凝土結構耐久性理論的深入研究，有學者在總結前人工作的基礎上，提出了基于全生命周期的混凝土結構耐久性評估的概念。為了能盡量準確地對在役混凝土結構進行壽命預測，完善以下兩方面研究工作至關重要：結構的使用壽命是材料本質特征的反映,必須尋找耐久性指標，建立其與混凝土的密實度、孔結構等表征混凝土內部結構的特征參量以及鋼筋銹蝕速度、銹蝕量等之間的關系。對已存在耐久性問題的在役混凝土結構，須建立混凝土結構動態(tài)評估體系，實現(xiàn)根據(jù)不斷積累的監(jiān)測耐久性指標數(shù)據(jù)，對混凝土結構進行動態(tài)評估,建立壽命預測模型。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準，目前我國對在役混凝土結構耐久性的評估，主要依據(jù)試驗室快速試驗獲取的參數(shù)以及現(xiàn)場同條件構件破損試驗結果，并依賴有經(jīng)驗的技術人員對結構進行現(xiàn)場檢測，綜合作出評價提出處理意見，同時間接推測結構的剩余使用壽命。由于該評估方法的數(shù)據(jù)有限、間