孫炳華,李志敏,佟建美

(1.河北省滄州市水利科學(xué)研究所,河北滄州 061000;2.河北省滄州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河北 滄州 061000;3.河北省滄州市水務(wù)局機(jī)關(guān)后勤服務(wù)中心,河北 滄州 061000)

0 概述

滄州地區(qū)六七十年代修建的水工建筑物,尤其是生產(chǎn)橋有相當(dāng)一部分橋梁、井柱樁、欄桿、扶手等的鋼筋銹蝕膨脹,混凝土保護(hù)層脹裂崩落,甚至有的井柱樁斷裂,橋梁倒塌。如滄州市海興縣宣惠河明泊洼生產(chǎn)橋、大浪淀排水渠西侯生產(chǎn)橋即是如此,現(xiàn)均已倒塌。由此可以看出,由于混凝土的碳化,引起內(nèi)部鋼筋銹蝕,造成混凝土結(jié)構(gòu)物的破壞,在水工建筑物中普遍存在,而且是危害較大,因而應(yīng)引起重視,并采取防治措施。

1 混凝土碳化機(jī)理

混凝土是由水泥石、砂、石骨料、毛細(xì)孔和水組合而成的多相體。水泥石、砂、石骨料為固相、水為液相、毛細(xì)孔內(nèi)有氣體為氣相。在這一多相體中,由于水泥的水化反應(yīng),使混凝土中存在著相當(dāng)數(shù)量的氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕,當(dāng)這些氫氧化鈣溶解在毛細(xì)孔內(nèi)的水中后,就使混凝土的液相中呈現(xiàn)較強(qiáng)的堿性。在普遍硅酸鹽水泥混凝土中這種堿性可達(dá)到 PH值 13左右。

混凝土的碳化是指大氣中的二氧化碳首先滲透到混凝土內(nèi)部的孔隙中,而后溶解于毛細(xì)孔中的水分,與水泥水化過(guò)程中所產(chǎn)生的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物相互作用,生成碳酸鈣等產(chǎn)物。所以,混凝土碳化是由于混凝土存在著孔隙,里面充滿著水分和空氣,在混凝土的氣相、液相、固相中進(jìn)行著一個(gè)十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過(guò)程。有時(shí)也將混凝土的碳化稱之為混凝土的中性化,中和反應(yīng)不斷進(jìn)行的結(jié)果,則使混凝土中的堿性不斷降低,PH值可下降到8.3～ 8.5。

混凝土碳化有增加混凝土強(qiáng)度和減少滲透性的作用,這可能是因?yàn)樘蓟懦龅乃执龠M(jìn)水泥的水化及碳酸鈣沉淀減少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后,其堿性降低,加快鋼筋腐蝕。

2 混凝土碳化影響因素分析

水工建筑物混凝土碳化的影響因素較多,有內(nèi)在因素,也有外界因素。

2.1 影響混凝土碳化的內(nèi)在因素

2.1.1 水泥品種

一般說(shuō)來(lái),普通硅酸鹽水泥要比早強(qiáng)硅酸鹽水泥碳化稍快,摻混合材的水泥碳化速度更快,混合材摻量越大,碳化速度越快。摻用優(yōu)質(zhì)減水劑或加氣劑,可以大大改善混凝土的和易性,減小水灰比,制成密實(shí)的混凝土,使碳化減慢。

2.1.2 骨料品種和級(jí)配

混凝土中的骨料本身一般比較堅(jiān)硬、密實(shí),總的說(shuō)來(lái),天然砂、礫石、碎石比水泥漿的透氣性小,因此混凝土的碳化主要通過(guò)水泥漿體進(jìn)行。但是,在輕混凝土中,由于輕質(zhì)骨料本身氣泡多,透氣性大,所以能通過(guò)骨料使混凝土碳化。一般說(shuō)來(lái),輕混凝土比普通混凝土碳化快,需要摻用加氣劑或減水劑來(lái)減緩它的碳化速度。

骨料品種和級(jí)配不同,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大,直接影響著混凝土的密實(shí)性。材質(zhì)致密堅(jiān)實(shí),級(jí)配較好的骨料的混凝土,其碳化的速度較慢。

2.1.3 磨細(xì)礦物摻料的品種和數(shù)量

如具有活性水硬性材料的摻料,其不能自行硬化,但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強(qiáng)較穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì),使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下,摻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,一方面可以改變混凝土的和易性,提高混凝土的密實(shí)性;另一方面還可以增加混凝土的堿性儲(chǔ)備,使其抗碳化性能增強(qiáng),碳化速度隨水泥用量的增大而減少(并不是無(wú)限度的增大)。

2.1.5 水灰比

混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關(guān)系,混凝土的透氣性越小,碳化進(jìn)行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實(shí),透氣性小,因而碳化速度就慢。同理,單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。

2.1.6 施工質(zhì)量

2.1.7 澆筑與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量

密實(shí)的混凝土表層孔隙很小,易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水,故不易碳化;欠密實(shí)的混凝土表層中大孔隙內(nèi)無(wú)水,二氧化碳可以由氣相擴(kuò)散到充滿水的毛細(xì)孔隙而完成碳化。所以越是密實(shí)的混凝土其抗碳化能力越高?；炷翝仓c養(yǎng)護(hù)質(zhì)量是影響混凝土密實(shí)性的一個(gè)重要因素。如果混凝土澆筑時(shí)不規(guī)范,特別是振搗不密實(shí),以及養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足時(shí),就會(huì)造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔道粗大,且大多相互連通,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起混凝土再現(xiàn)蜂窩、裂縫等缺陷,使水、空氣、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)沿著粗大的毛細(xì)孔道或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。

2.2 影響混凝土碳化的外界因素

2.2.1 酸性介質(zhì)

酸性氣體(如二氧化碳)滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸,與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng),導(dǎo)致水泥石逐漸變質(zhì),混凝土的堿度降低,這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗(yàn)研究已證明,混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比,即混凝土碳化速度系數(shù)隨二氧化碳濃度的增加而加快。

混凝土中鋼筋銹蝕的另一個(gè)重要和普通的原因是氯離子(CL-)作用。氯離子在混凝土液相中形成鹽酸,與氫氧化鈣作用生成氯化鈣,氯化鈣具有高吸濕性,在其濃度及濕度較高時(shí),能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋發(fā)生潰燦性銹蝕。

2.2.2 溫度和光照

混凝土溫度驟降,其表面收縮產(chǎn)生拉力,一旦超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土表面便開(kāi)裂,導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落,為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件,加速混凝土碳化。陽(yáng)面混凝土溫度較背陽(yáng)面混凝土溫度高,二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)較大,為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件,陽(yáng)光的直接照射,加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。

多普勒超聲技術(shù)檢測(cè)出643枚淋巴結(jié)，其中220枚淋巴結(jié)為良性，其中病理證實(shí)為惡性43枚，良性177枚；多普勒超聲檢測(cè)423枚為惡性，其中病理證實(shí)為惡性400枚，良性23枚。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，具體統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

2.2.3 含水量和相對(duì)濕度

周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過(guò)高的濕度(如 100%),使混凝土孔隙充滿水,二氧化碳不易擴(kuò)散到水泥石中,過(guò)低的濕度(如 25%),則孔隙中沒(méi)有足夠的水使二氧化碳生成碳酸,碳化作用都不易進(jìn)行;當(dāng)周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度為 50～70%,混凝土碳化速度最快。因此,混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度。實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)下部的碳化程度較上部輕,主要是濕度影響的結(jié)果。

2.2.4 凍融和滲漏

在混凝土浸水飽和或水位變化部位,由于溫度交替變化,使混凝土內(nèi)部孔隙水交替地凍結(jié)膨脹和融解松弛,造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫,導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會(huì)使混凝土中的氫氧化鈣流失,在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶,引起混凝土水化產(chǎn)物的分解,其結(jié)果是嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和堿度,惡化鋼筋銹蝕條件。

2.3 環(huán)境條件

因?yàn)樘蓟且合喾磻?yīng),十分干燥的混凝土即一直處于相對(duì)濕度低于 25%空氣中的混凝土很難碳化;在空氣濕度50%～75%的大氣中,不密實(shí)的混凝土最容易碳化;但在相對(duì)濕度 ＞95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化,這是因?yàn)榛炷梁畷r(shí)透氣性小,碳化慢;在濕度相同時(shí),風(fēng)速愈高、溫度愈高,混凝土碳化也愈快;混凝土碳化速度與空氣中二氧化碳濃度的平方根成正比。

3 對(duì)混凝土碳化侵蝕的防護(hù)措施

從以上影響混凝土碳化的主要因素可以看出,一個(gè)是環(huán)境條件的影響,一個(gè)是混凝土本身質(zhì)量狀態(tài)的影響。外部環(huán)境是不以人們主觀愿望而改變的。因此,為了保證建筑物有足夠抗碳化能力,必須從混凝土本身質(zhì)量上及防護(hù)措施上加以解決?；炷帘旧碣|(zhì)量能否具有足夠的抗碳化能力,即足夠的安全運(yùn)行壽命,它與設(shè)計(jì)、施工及管理三方面有密切關(guān)系。

3.1 合理設(shè)計(jì)

為了保證混凝土具有足夠的抗碳化能力,保證建筑物安全運(yùn)行的年限,設(shè)計(jì)主要是確定兩個(gè)合理的指標(biāo),一個(gè)是混凝土的保護(hù)層厚度;一個(gè)是混凝土的標(biāo)號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)除考慮結(jié)構(gòu)本身要求外,還要充分考慮抗碳化問(wèn)題。

3.2 保證施工質(zhì)量

3.2.1 保證混凝土保護(hù)層厚度和墊塊質(zhì)量

必須保證設(shè)計(jì)要求的混凝土保護(hù)層厚度和墊塊質(zhì)量。足夠的保護(hù)層厚度是防止內(nèi)部鋼筋銹蝕的重要保證。但在施工中往往對(duì)保護(hù)層厚度注意不夠,造成鋼筋骨架變形,保護(hù)層厚度不均,甚至鋼筋緊貼模板,無(wú)保護(hù)層。因此,這個(gè)部位混凝土碳化很快發(fā)展到鋼筋表面。使鋼筋很快銹蝕。另外,墊塊的質(zhì)量也必須十分注意,墊塊即起到保護(hù)層厚度的作用。也是保護(hù)層的一部分。因此,墊塊質(zhì)量不好,不能保證相應(yīng)的密實(shí)性,則它本身就可能成為碳化銹蝕的突破點(diǎn)。因此,在施工中要保證墊塊的尺寸和強(qiáng)度,強(qiáng)度應(yīng)高于混凝土。

3.2.2 保證混凝土具有足夠的密實(shí)性

混凝土的密實(shí)程度是抵抗空氣中二氧化碳侵入的重要因素。施工中要認(rèn)真成型振搗,不產(chǎn)生蜂窩狗洞,并且有良好光潔表面,這樣就能使混凝土具有良好的抗碳化性能。

3.2.3 保證良好的養(yǎng)護(hù)條件

成型后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的養(yǎng)護(hù)條件,就能保證混凝土中水泥的充分水化。從而就提高了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。也就提高了抗碳化能力。

3.3 加強(qiáng)管理

好的管理是延長(zhǎng)混凝土抗碳化年限,防止鋼筋銹蝕混凝土被破壞的重要環(huán)節(jié),即對(duì)建筑物要經(jīng)常的、及時(shí)的進(jìn)行觀測(cè),并進(jìn)行維護(hù)和修復(fù),保證完好性就能提高抗碳化能力,延長(zhǎng)建筑物使用年限。

4 混凝土碳化的防治

1)選擇合適的水泥品種。在施工中根據(jù)建筑物所處的地理位置、周邊環(huán)境,選擇合適的水泥品種。在水位變化區(qū)及干濕交替作用的部位或較嚴(yán)寒地區(qū)選用抗硫酸酸鹽普通水泥。沖刷部位宜選高強(qiáng)度水泥。

2)分析骨料的性質(zhì)。如抗酸性骨料與水、水泥相互作用,對(duì)混凝土的碳化有一定的延緩作用。

3)要選好配合比。適量的外加劑、高質(zhì)量的原材料、科學(xué)的攪拌和運(yùn)輸、及時(shí)的養(yǎng)護(hù)等都可以減少滲流水量和其他有害物質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕,以確?；炷恋拿軐?shí)性。

4)設(shè)置保護(hù)層。如果建筑物地處環(huán)境惡劣地區(qū),宜采取環(huán)氧基液涂層進(jìn)行保護(hù),對(duì)建筑物地下部分在其周圍設(shè)置保護(hù)層,并用各種溶注液浸注混凝土,如溶化的瀝青等。

此外,若建筑物一旦發(fā)生碳化,最好采用環(huán)氧材料修補(bǔ),若碳化深度較大,可鑿除混凝土松散部分,洗凈進(jìn)入的有害物質(zhì),將混凝土銜接面鑿毛,用環(huán)氧砂漿或細(xì)石混凝土填補(bǔ),最后以環(huán)氧基液做涂層保護(hù)。

[1]李金玉 .混凝土的碳化 .水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所,1986.

[2]馬越 .簡(jiǎn)明實(shí)用建筑工程手冊(cè).沈陽(yáng)出版社,1990.

[3]楊靜 .混凝土的碳化機(jī)理及其影響因素.混凝土,1995,(6).[4]王博.混凝土碳化機(jī)理及其影響因素.水利水電技術(shù),1995,(11).