混凝土碳化影響因素及預(yù)防處理措施綜述

混凝土碳化影響因素及預(yù)防處理措施綜述

0空氣和廢水對樣品中co和so2濃度的影響混凝土碳化合物是指空氣中的酸性氣體b2和混凝土中的液相堿性物質(zhì)反應(yīng)，降低混凝土的堿性，改變混凝土中的化學(xué)成分。當(dāng)中性化深度大于混凝土的保護(hù)層厚度,就會破壞保護(hù)層下鋼筋表面的鈍化膜,在鈍化膜被破壞后,伴隨著水和空氣的共同作用,鋼筋就會出現(xiàn)銹蝕。銹蝕產(chǎn)生的體積膨脹將導(dǎo)致鋼筋長度方向出現(xiàn)縱向裂縫,并使保護(hù)層剝落,繼而使得構(gòu)件的截面減小、承載能力降低,最終將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或者失效。2006年全球大氣中的二氧化碳平均濃度為381.2ppm,比2005年上升了0.53%。2008年的二氧化碳平均濃度為394ppm,預(yù)計(jì)到2090年濃度將達(dá)到1000ppm?？梢?空氣中二氧化碳的濃度正呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。同時(shí),工廠排泄的廢液和廢渣也可使地下水中的CO2和SO2的濃度增加。因此,混凝土的碳化是一個(gè)不可忽視的問題,研究混凝土的碳化有其實(shí)際意義。1關(guān)于混凝土中h值、ph值和碳化在大氣環(huán)境下,CO2與混凝土中的堿性物質(zhì)的反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。水泥水化后的產(chǎn)物為氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等,其穩(wěn)定存在的pH值分別為:12.23、10.4、11.43、10.17?；炷恋目紫端疄闅溲趸}飽和液,其pH值約為12~13,呈強(qiáng)堿性。在水泥水化過程中,由于化學(xué)收縮,自由水蒸發(fā)等諸多原因,在混凝土內(nèi)部形成了許多大小各異的孔隙,大氣中的二氧化碳便通過這些孔隙向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散,并在水的參與下形成碳酸。碳酸與水泥水化過程中產(chǎn)生的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成碳酸鈣和其他物質(zhì)。由于碳化作用,氫氧化鈣變成了碳酸鈣,水泥石的原有強(qiáng)堿性逐漸降低,pH值降至8.5左右,稱這種現(xiàn)象為中性化。國內(nèi)外研究表明,對于混凝土中的鋼筋,存在兩個(gè)臨界pH值,其一是pH=9.88,這時(shí)鋼筋表面的鈍化膜開始生成,或者說低于此臨界值時(shí)鋼筋表面不可能有鈍化膜的存在,即完全處于活化狀態(tài);其二是pH=11.5,這時(shí)鋼筋表面才能形成完整的鈍化膜,或者說低于此臨界值時(shí)鋼筋表面的鈍化膜仍是不穩(wěn)定的。因此,要使混凝土中的鋼筋不銹蝕,則混凝土的pH值必須大于11.5。前蘇聯(lián)的一些學(xué)者在研究了這個(gè)多相物理化學(xué)過程的基礎(chǔ)上,得到了碳化過程受二氧化碳在混凝土孔隙中擴(kuò)散控制的結(jié)論,并由Fick第一擴(kuò)散定律推導(dǎo)得到了經(jīng)典混凝土碳化理論模型。Houst等學(xué)者從孔結(jié)構(gòu)和孔隙率等方面對碳化的影響研究了水泥砂漿的碳化機(jī)理,同時(shí)對混凝土含水量對CO2在硬化水泥漿中擴(kuò)散的影響作了相應(yīng)的研究。Parrot用熱重分析法研究了混凝土碳化前緣的物質(zhì)濃度梯度問題。葉紹勛根據(jù)熱力學(xué)原理,計(jì)算比較了水泥硬化漿體中液相和固相水化產(chǎn)物碳化反應(yīng)的活性大小以及因碳化反應(yīng)而發(fā)生的固相體積變化。PapadakisVG等認(rèn)為從化學(xué)分析的角度出發(fā),水泥中的可碳化物質(zhì)不僅有氫氧化鈣,還有C-S-H及未水化的C3S和C2S。他們用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的方法研究了水泥水化和碳化速率,并利用碳化過程中各可碳化物質(zhì)的質(zhì)量平衡條件建立了一個(gè)形式為微分組的模型。該模型中的參數(shù)都有明確的物理含義和量綱,且經(jīng)過適當(dāng)簡化得到簡化數(shù)學(xué)模型。該模型的建立還為尋找各種碳化影響因素與碳化深度的關(guān)系及研究未完全碳化區(qū)的性質(zhì)提供了理論依據(jù),比之前各機(jī)理研究前進(jìn)了一步,得到了各國學(xué)者的普遍認(rèn)同。柳俊哲在查閱了國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上指出:混凝土孔溶液主要成分為Na+、K+和與其保持電性平衡的OH-,Ca2+含量微乎其微;孔溶液Na+、K+濃度越大,pH值越高;Ca2+濃度越大,pH值越小。同時(shí)介紹了酚酞指示劑、X射線物相分析、熱分析等評價(jià)混凝土碳化程度的方法。2混凝土凝土的穩(wěn)定性從混凝土碳化的機(jī)理可知,影響碳化的最主要因素,是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲備的大小,即混凝土的滲透性及其Ca(OH)2等堿性物質(zhì)的含量。影響混凝土碳化的因素主要分為三個(gè)方面:材料因素、環(huán)境因素和施工因素。2.1影響混凝土抗碳化能力的因素材料因素包括水灰比、水泥品種與用量、摻合料、外加劑、骨料品種與級配、混凝土表面覆蓋層等,它們主要通過影響混凝土的堿度和密實(shí)性來影響混凝土碳化速度。(1)水灰比的影響水灰比對混凝土碳化速度影響極大。水泥用量不變的情況下,水灰比越大,混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大,從而促進(jìn)了二氧化碳的擴(kuò)散,加速了混凝土的碳化。碳化深度與水灰比并非呈線性正比關(guān)系,而是近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。另外,水灰比大還會使混凝土孔隙中的游離水增多,這有利于碳化反應(yīng)。蔣利學(xué)通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。龔洛書通過試驗(yàn)給出水灰比對碳化速度影響系數(shù)的公式:對于輕骨料混凝土:η=0.017+2.06W/C對于普通混凝土:η=4.15W/C-1.02Houst等學(xué)者從孔結(jié)構(gòu)、孔隙率等對碳化的影響方面研究了水泥砂漿的碳化機(jī)理,研究顯示:當(dāng)水灰比從0.4增長至0.8時(shí),氣體在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)將增長至少10倍。有研究表明:混凝土的水灰比大于0.65時(shí),其抗碳化能力急劇下降,水灰比在0.55以下時(shí),混凝土的抗碳化能力基本上可以保證。方的試驗(yàn)結(jié)果表示:水灰比與碳化深度有明顯的相關(guān)性。水灰比小,則碳化深度小,當(dāng)水灰比小于0.65時(shí),兩者之間近乎直線關(guān)系,當(dāng)水灰比大于0.65,尤其是大于0.75時(shí),碳化深度急劇加大。(2)水泥品種與用量的影響水泥品種決定了單位體積混凝土中可碳化物質(zhì)的含量,因而對混凝土的碳化有重要的影響。在同一試驗(yàn)條件下,不同水泥配制的混凝土的碳化速度大小順序?yàn)?硅酸鹽水泥<普通硅酸鹽水泥<其他品種的水泥。方研究結(jié)果顯示:早強(qiáng)水泥與同強(qiáng)度等其他水泥相比,抗碳化能力更高。馬文海研究顯示:礦渣水泥和火山灰配置的浮石混凝土比普通硅酸鹽水泥配制的混凝土碳化速度快。水泥用量也直接影響到混凝土中可碳化物質(zhì)的含量。增加水泥用量不僅可改善混凝土和易性、提高混凝土密實(shí)性,還可增加混凝土的堿性儲備。一般情況下,水泥用量越大,碳化速度越慢。馬文海的試驗(yàn)研究表明:隨著水泥用量的增加,混凝土的密實(shí)度增加,CO2不易向混凝土內(nèi)部滲透,故減緩了鋼筋的銹蝕速度。蔣利學(xué)研究發(fā)現(xiàn):相同材料及水灰比時(shí),碳化深度與水泥用量成指數(shù)的倒數(shù)函數(shù)關(guān)系。(3)摻合料的影響混凝土中摻入的粉煤灰、礦渣等活性摻合料,與水泥水化后的Ca(OH)2結(jié)合,混凝土堿性降低,使混凝土抗碳化能力減弱。馬文海研究表明:隨著粉煤灰摻量增加,混凝土抗碳化能力下降。文獻(xiàn)認(rèn)為:粉煤灰混凝土的早期抗碳化能力低于不摻粉煤灰的混凝土,但是后期的抗碳化能力有所提高?；炷林袚饺敕勖夯矣姓?fù)兩方面作用:一方面由于水泥用量減少,水化反應(yīng)生成的可碳化物質(zhì)減少,堿儲備降低,抗碳化能力降低;另一方面,粉煤灰的二次水化填充效應(yīng)可顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu),提高混凝土的密實(shí)性。粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低,二次水化填充效應(yīng)未充分發(fā)揮,孔結(jié)構(gòu)差,加速了二氧化碳擴(kuò)散速度,使碳化速度加快。方的試驗(yàn)證明:粉煤灰等量取代水泥越多,則混凝土抗碳化能力下降程度越大。但采用超量取代技術(shù)或純外摻粉煤灰技術(shù)時(shí),混凝土的抗碳化性能可以得到提高。(4)外加劑的影響外加劑對混凝土的抗碳化性能的影響與水泥品種有關(guān)。方通過試驗(yàn)證實(shí)了這觀點(diǎn)。高效減水劑能夠降低用水量,改善混凝土的和易性,從而降低混凝土的孔隙率,故可提高混凝土的抗碳化能力。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一觀點(diǎn)。繆昌文等研究發(fā)現(xiàn),摻新型聚羧酸系減水劑比同等條件下?lián)捷料禍p水劑的混凝土抗碳化能力強(qiáng)。引氣劑為混凝土引入大量的微細(xì)氣泡,初期可以在一定程度上抑制混凝土的碳化,但隨著碳化的延續(xù),引氣劑在混凝土內(nèi)部留下的孔隙成為二氧化碳擴(kuò)散的通道,因而會促進(jìn)碳化的發(fā)展。在早期和后期,減水劑和引氣劑雙摻對混凝土抗碳化性能影響不同。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn):雙摻高效減水劑和引氣劑的混凝土初期抗碳化能力有所提高,但后期碳化深度增長的趨勢比較大。(5)骨料品種與級配的影響粗骨料的粒徑越大,在骨料底部越容易形成凈漿的離析、沉淀,從而增大了混凝土的滲透性,CO2易從骨料-水泥漿膠結(jié)面擴(kuò)散,使碳化過程加快。輕骨料和人造骨料本身孔隙較大,有利于CO2氣體擴(kuò)散,會加速碳化過程。馬文海通過試驗(yàn)證明了普通混凝土較陶粒及浮石混凝土的銹蝕速度慢。在混凝土強(qiáng)度相同的情況下,輕骨料混凝土的碳化速度比普通混凝土快。(6)混凝土表面覆蓋層的影響混凝土覆蓋層的種類與厚度對混凝土的碳化有著不同程度的影響。氣密性覆蓋層使二氧化碳滲入混凝土的數(shù)量減少,濃度降低,可提高混凝土的抗碳化性能。文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn):增大覆蓋層厚度和提高覆蓋層的密實(shí)度是有效地延緩碳化的手段。提高覆蓋層的可碳化物質(zhì)含量可推遲混凝土碳化開始的時(shí)間,碳化時(shí)間較長時(shí)這種影響并不明顯。張令茂研究了9種覆面材料對混凝土碳化的影響并計(jì)算了其碳化延遲系數(shù),結(jié)果表明密實(shí)不透氣的覆面材料對延遲混凝土的碳化是很有效的。2.2混凝土的碳化試驗(yàn)環(huán)境因素包括自然環(huán)境和使用環(huán)境兩個(gè)方面,自然環(huán)境包括環(huán)境相對濕度,溫度、應(yīng)力以及二氧化碳濃度等;使用環(huán)境主要指混凝土構(gòu)件的受力狀態(tài)及應(yīng)力水平,它們主要通過影響二氧化碳擴(kuò)散速度及碳化反應(yīng)速率來影響混凝土碳化速度。(1)相對濕度的影響相對濕度大小的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小。相對濕度較大時(shí),混凝土的含水率較高,二氧化碳向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速度將降低甚至終止,使混凝土的碳化速度大大降低;相對濕度較低時(shí),混凝土處于較為干燥或是含水率較低的狀態(tài),雖然二氧化碳的擴(kuò)散速度較快,但是由于碳化反應(yīng)所需的水分不足,故而碳化速度較慢。文獻(xiàn)分析了1981年到1996年間國內(nèi)外的碳化資料后認(rèn)為,碳化速度與相對濕度的關(guān)系呈拋物線狀,在相對濕度40%~60%時(shí),碳化速度較快,50%時(shí)達(dá)到最大值。李果的研究結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)境相對濕度超過臨界環(huán)境相對濕度RH0時(shí),混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度隨著環(huán)境相對濕度、環(huán)境溫度的升高而增大;當(dāng)環(huán)境相對濕度低于RH0時(shí),混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度很低,環(huán)境溫度的變化對其不產(chǎn)生明顯影響。李道富的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境相對濕度和混凝土的碳化速度二者近似呈反比關(guān)系。清華大學(xué)在建立混凝土碳化數(shù)據(jù)庫時(shí),給出了環(huán)境相對濕度對碳化的影響公式:式中:RH1、RH2——兩種環(huán)境的相對濕度。(2)溫度的影響隨著溫度的升高,二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散速度加快,并且碳化反應(yīng)速率也加快,因而碳化速度加快。李道富通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境的溫度和混凝土的碳化速度二者近似呈正比關(guān)系。文獻(xiàn)表明:在10~60℃范圍內(nèi),混凝土碳化速度隨環(huán)境溫度的升高而加快。文獻(xiàn)表明,在22℃和-8℃時(shí),水泥砂漿吸收二氧化碳的量相差4倍。同樣,清華大學(xué)在建立混凝土碳化數(shù)據(jù)庫時(shí),給出了溫度對碳化的影響公式:式中:T1、T2——兩種環(huán)境絕對溫度,K。(3)應(yīng)力的影響混凝土構(gòu)件在不同應(yīng)力狀態(tài)下碳化速度不同?；炷潦艿嚼瓚?yīng)力,混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫擴(kuò)展,使二氧化碳容易擴(kuò)散,碳化速度加快?；炷潦艿綁簯?yīng)力,內(nèi)部大量的微細(xì)裂縫閉合或是寬度減小,這抑制了二氧化碳的擴(kuò)散,碳化速度減慢。但是當(dāng)壓力超過一定的限值時(shí),會引起混凝土內(nèi)部新的裂紋的發(fā)展,從而加速碳化,文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一現(xiàn)象。涂永明、呂志濤對不同應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土進(jìn)行碳化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在應(yīng)力水平不超過0.7倍的極限應(yīng)力范圍內(nèi),拉應(yīng)力可促進(jìn)碳化,壓應(yīng)力可減緩碳化,且拉應(yīng)力越大,碳化速度越快,壓應(yīng)力越大,碳化速度越慢。(4)二氧化碳濃度的影響環(huán)境中二氧化碳的濃度越大,混凝土內(nèi)外的二氧化碳的濃度梯度就越大。根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律可知:濃度梯度越大,二氧化碳越容易進(jìn)入混凝土,使得混凝土內(nèi)部的二氧化碳的濃度升高,從而碳化反應(yīng)速度增快。同濟(jì)大學(xué)劉亞芹通過試驗(yàn)證實(shí)了碳化深度與二氧化碳濃度成近似平方根關(guān)系。謝東升通過試驗(yàn)得到相同的結(jié)果。2.3施工質(zhì)量影響施工因素主要是指混凝土的攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件等,它們主要通過影響混凝土的密實(shí)性來影響混凝土的碳化速度。實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明:其他條件一樣的情況下,施工質(zhì)量越好,混凝土強(qiáng)度越高,密實(shí)性越好,抗碳化能力也越強(qiáng);施工質(zhì)量差,由于混凝土內(nèi)部裂縫、蜂窩和孔洞等因素增加了二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散路徑,使得碳化速度加快。同樣,養(yǎng)護(hù)方法與齡期的不同也會造成密實(shí)性和可碳化物質(zhì)的不同,從而會對碳化速度產(chǎn)生不同的影響。馬文海的試驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)28d碳化后,蒸養(yǎng)混凝土的碳化速度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)快27%左右。蔣利學(xué)的試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)方法的不同對碳化速度的影響不是很明顯。3k—混凝土碳化模型近年來,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種碳化深度預(yù)測模型。目前,一致認(rèn)可,混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比:式中:xc——混凝土碳化深度,mm;k——碳化系數(shù),是反映混凝土碳化速度快慢的綜合參數(shù);t——碳化時(shí)間,年。為確定k值,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究,形成了基于氣體擴(kuò)散理論的理論模型和基于試驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约盎跀U(kuò)散理論和試驗(yàn)結(jié)果的模型。由于碳化過程的不確定性和隨機(jī)性,單純地使用回歸分析是無法取得令人滿意的效果的,研究人員開始建立基于可靠度理論的隨機(jī)模型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳化分析等。3.1兩種理論模型的物理意義現(xiàn)在形成的理論模型如表1所示。表1中兩種理論模型的物理意義明確,有理論基礎(chǔ)。但模型參數(shù)不易確定,不便于工程應(yīng)用,且與工程測試的碳化結(jié)果相差較大。3.2高效利用碳深度計(jì)算方法國內(nèi)外學(xué)者圍繞影響混凝土碳化的因素,開展了大量快速碳化試驗(yàn)、室外暴露試驗(yàn)及實(shí)際工程碳化調(diào)查,研究者根據(jù)各自對影響碳化因素的理解不同,提出了多種碳化深度計(jì)算模型,其中較有代表性的有以下幾種:3.2.1基于水灰比的混凝土配合比設(shè)計(jì)研究基于水灰比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶W(xué)者比較多,表2所示為具有代表性的兩種。日本Nishi模型和日本規(guī)范模型(混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范)也是同類型的模型?；谒冶鹊慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前l(fā)展較早、研究較多的一種碳化模型。由于混凝土水灰比與混凝土碳化的物理化學(xué)過程有密切聯(lián)系,碳化速度與水灰比有很好的相關(guān)性。不足之處:一是水灰比是決定混凝土性能的一個(gè)重要參數(shù),但不能全面反映混凝土質(zhì)量;二是實(shí)際工程中水灰比很難確切測得。3.2.2同類型模型和陳立亭模型基于混凝土抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪呛芏鄬W(xué)者的研究方向,其主要模型如表3。LesahedecontenayC模型和陳立亭模型是同類型模型。此類模型由于混凝土抗壓強(qiáng)度容易測定,且抗壓強(qiáng)度能綜合反映混凝土水灰比、施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等對混凝土品質(zhì)的影響,故以混凝土抗壓強(qiáng)度為變量建立碳化預(yù)測模型具有一定實(shí)際意義,但強(qiáng)度模型無法描述工業(yè)廢渣摻量對孔結(jié)構(gòu)、混凝土堿度以及二氧化碳反應(yīng)擴(kuò)散過程的影響,且應(yīng)用基于混凝土抗壓強(qiáng)度的模型預(yù)測碳化深度時(shí)往往誤差較大。3.2.3多系數(shù)碳化模型多系數(shù)模型是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠忠环种?也是很多學(xué)者在研究的,其主要模型如表4。多系數(shù)碳化模型主要表示在一定條件下碳化的規(guī)律,在相應(yīng)材料因素變化的情況下,可以較具體的計(jì)算出碳化深度。由于各試驗(yàn)者側(cè)重角度不同和試驗(yàn)操作因素的影響,模型不具有廣泛意義。3.3碳流模型的選擇原則這種模型將理論與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合,彌補(bǔ)了上述模型的不足,其主要模型如表5。CEBTGV模型也是同類模型?；跀U(kuò)散理論與試驗(yàn)結(jié)果的模型既有充分的理論依據(jù),又具有實(shí)際可操作性,應(yīng)是碳化預(yù)測模型的理想模式。在實(shí)際工程中,應(yīng)該優(yōu)先考慮基于碳化試驗(yàn)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?其次考慮基于擴(kuò)散理論與試驗(yàn)結(jié)果的碳化模型,理論模型不適合于工程應(yīng)用。鑒于預(yù)測模型的多樣性,為便于工程實(shí)際應(yīng)用,有待于建立統(tǒng)一的計(jì)算模型。模型應(yīng)該考慮水灰比、抗壓強(qiáng)度、水泥用量和品種,以及摻合料等多種因素的影響。4混凝土鈣化處理及預(yù)防措施4.1混凝土與環(huán)水材料對碳化深度過大,鋼筋銹蝕明顯,危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建;對碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度,碳化層比較堅(jiān)硬的,可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉;對碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的,應(yīng)鑿除碳化層,粉刷高強(qiáng)砂漿