牛穎蘭

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050)

碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響

牛穎蘭

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050)

工程實(shí)踐表明，混凝土在使用過程中，不可避免地受到周圍環(huán)境介質(zhì)的作用；由于混凝土受自身因素的影響，在空氣中CO2的作用下，會(huì)發(fā)生不同程度的碳化。若碳化程度較高，則會(huì)嚴(yán)重降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。從引起混凝土碳化的因素、對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性造成的影響，以及如何減小碳化帶來的危害等方面進(jìn)行了分析。

碳化；影響因素；強(qiáng)度；耐久性；防制措施

0 引言

影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的因素比較多，而碳化的影響亦不可小視。通常情況下，硬化后的混凝土在早期常呈較強(qiáng)的堿性，當(dāng)周圍環(huán)境中的酸性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散并溶解在混凝土的液相中形成酸，與水泥石中的堿性物質(zhì)如：氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥石中的pH降低，導(dǎo)致混凝土呈現(xiàn)中性化，即碳化。碳化將嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，威脅混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)方程式如下[1]：

1 引起混凝土碳化的主要因素

1.1 CO2的濃度和環(huán)境的濕度

CO2的濃度是引起混凝土碳化的直接原因。試驗(yàn)研究表明，混凝土的碳化速度與CO2濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數(shù)隨CO2濃度的增加而加快。環(huán)境的濕度也是加速混凝土碳化速度的重要外部因素。隨著空氣中CO2濃度的增加，碳化速度加快，并在相對(duì)濕度為50%左右的環(huán)境下最快。

1.2 混凝土內(nèi)部的堿度

混凝土內(nèi)部的堿度對(duì)混凝土的強(qiáng)度及耐久性有重要的影響，當(dāng)混凝土內(nèi)部含有較多的Ca(OH)2時(shí)，即便發(fā)生碳化，混凝土的堿度降低的也不是很多，對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響比較小?；炷羶?nèi)部堿度的高低主要取決于所使用的水泥品種。

1.3 混凝土的抗?jié)B性

一般情況下，混凝土抗?jié)B性愈好，則抗碳化能力愈強(qiáng)，混凝土的抗?jié)B性的好壞主要受下列因素的影響。

1.3.1 水膠比

當(dāng)水膠比過大時(shí)，一方面，混凝土在拌合及澆筑過程中容易產(chǎn)生泌水，致使混凝土不均勻，較易產(chǎn)生泌水通道；其次，在硬化過程中由于大量游離水分的蒸發(fā)而引起較大的干縮裂縫。當(dāng)水膠比過小時(shí)，從理論角度講，可以提高混凝土的強(qiáng)度，但由于受到施工條件的限制，混凝土不能被振搗密實(shí)，在硬化后其內(nèi)部將存在較多的蜂窩和空洞，混凝土結(jié)構(gòu)較為疏松。滲透性增大，加速混凝土的碳化。

1.3.2 粗細(xì)骨料的品質(zhì)

拌制混凝土?xí)r，采用品質(zhì)良好的骨料，就能形成較為密實(shí)的骨架，且混凝土在凝結(jié)硬化過程中干縮小，密實(shí)度高，則可減輕碳化。若采用多孔狀的輕質(zhì)骨料，則收縮變形比普通混凝土要大。1 m結(jié)構(gòu)的輕骨料混凝土最終收縮值在0.4～1.0 mm之間，為同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土的1～1.5倍。由于容易出現(xiàn)收縮裂縫，使得混凝土的抗?jié)B性變差。

1.3.3 施工質(zhì)量的影響

混凝土在澆筑成型過程中，如果拌合不均勻或振搗不密實(shí)，都會(huì)造成混凝土硬化后內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩、麻面和空洞等缺陷?；炷脸尚秃?，若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，使其暴露在干燥的環(huán)境中，就會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。大量孔隙和裂縫的存在為CO2和水分的滲入創(chuàng)造了條件，會(huì)進(jìn)一步加速混凝土碳化的進(jìn)行。

2 碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響

2.1 碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土碳化后，會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成不同程度的降低。根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)于14～1 000 d齡期范圍內(nèi)的混凝土，可用混凝土回彈儀檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)回彈的角度對(duì)回彈值進(jìn)行修正。表1[2]為部分“測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算表”，并加以分析，從而得出碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

由表1可以看出，隨著碳化深度的增大，混凝土強(qiáng)度降低的程度愈大，并且隨著混凝土強(qiáng)度值的提高，碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響更加顯著。當(dāng)碳化深度達(dá)到6 mm及以上時(shí)，碳化深度每達(dá)1 mm，混凝土強(qiáng)度值平均降低約2 MPa以上。原因是由于混凝土中的水泥水化產(chǎn)物與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，釋放出結(jié)合水，導(dǎo)致混凝土碳化而引起收縮，混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而開裂，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。

表1 測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算表

2.2 碳化對(duì)混凝土耐久性的影響

碳化使混凝土內(nèi)部的堿度降低，減弱了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。當(dāng)混凝土內(nèi)部的pH值小于11.5時(shí)，鋼筋鈍化膜就脫離穩(wěn)定狀態(tài)，逐漸破壞，鋼筋易發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕的同時(shí)伴隨著大量的體積膨脹，致使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生開裂，進(jìn)一步加劇了CO2、水和氧氣等有害介質(zhì)的侵入，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致混凝土沿順筋方向產(chǎn)生開裂。開裂后的混凝土，使得環(huán)境中的有害介質(zhì)進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)散，從而使混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗風(fēng)化性能等其他耐久性指標(biāo)嚴(yán)重下降，以至發(fā)生完全破壞。

3 如何防止或減輕混凝土的碳化

3.1 合理設(shè)計(jì)混凝土配合比

3.1.1 設(shè)計(jì)合理的水膠比并保證足夠的水泥用量

在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，所計(jì)算的水膠比不宜過大，也不宜過小，應(yīng)以滿足混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求為宜。一般在能保證混凝土振搗密實(shí)的前提下，宜盡量選擇較小的水膠比，使混凝土在拌合及澆筑過程中的游離水分減少，硬化后密實(shí)度提高，可有效地提高混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性，進(jìn)而提高混凝土的抗碳化性能。

工程實(shí)踐表明，混凝土的碳化速度隨水泥用量的增大而減慢。適當(dāng)增加水泥用量，一方面可以改善混凝土拌合物的工作性能，提高混凝土的密實(shí)性；另一方面，還可增加混凝土內(nèi)部的堿性儲(chǔ)備，增強(qiáng)混凝土的抗碳化性能。

3.1.2 適宜的水泥品種

不同的水泥品種配制的混凝土，其堿度的大小差別很大。硅酸鹽水泥，完全水化后，水化硅酸鈣凝膠高達(dá)約50%，Ca(OH)2的含量大約占25%。因此，配制而成的混凝土密實(shí)度高，堿度也較高，除具有較高的強(qiáng)度外，抗碳化能力也比較強(qiáng)。而摻加了大量混合材料的硅酸鹽水泥，配制而成的混凝土，由于水泥石內(nèi)部的Ca(OH)2含量低，使得水泥石的堿度降低，導(dǎo)致抗碳化能力較差。

3.1.3 摻加混凝土外加劑和活性超細(xì)粉

3.1.3.1 高效減水劑

高效減水劑的減水率一般可達(dá)15%以上，摻入混凝土中，可在保持混凝土拌合物坍落度及水泥用量不變的條件下，顯著降低拌合用水量，使得水膠比降低，硬化后混凝土中水泥石的孔隙率降低，密實(shí)度提高，外部的有害介質(zhì)較難進(jìn)入內(nèi)部，從而提高了混凝土的抗碳化性能。

3.1.3.2 引氣劑

在混凝土拌合過程中，摻入適量引氣劑[3]可以增大混凝土拌合物的坍落度，1%的含氣量可提高坍落度1 cm，在和易性相同的條件下可以降低拌合用水量，且使泌水減小到50%～25%，使沉降顯著降低。除此之外，還能改善混凝土內(nèi)部孔隙的特征，從而提高混凝土的抗?jié)B性。摻引氣劑的混凝土抗碳化性能明顯優(yōu)于不摻的。

3.1.3.3 活性超細(xì)粉

活性超細(xì)粉如硅灰、超細(xì)礦渣粉、超細(xì)粉煤灰等。超細(xì)粉的粒徑大多在5 m以下，這種尺度的粉粒能夠填充到一般細(xì)骨料和水泥中混合材粉粒不能填充的孔隙中，因而使水泥石的孔隙率進(jìn)一步降低。另外，在超細(xì)粉中如果摻入一些對(duì)超細(xì)粉活性有激活作用的物質(zhì)，可以使超細(xì)粉的活性得以激發(fā)，二次水化反應(yīng)的速度加快，產(chǎn)生所謂的“復(fù)合凝膠效應(yīng)”[4]，混凝土硬化后密實(shí)度極大地提高，周圍環(huán)境中的CO2、O2、水分等有害介質(zhì)很難進(jìn)入其內(nèi)部。

3.2 改善施工條件，保證施工質(zhì)量

3.2.1 采用先進(jìn)的施工工藝，振搗密實(shí)

法國(guó)學(xué)者Romet的研究[5]發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)波破壞混凝土拌合物中的氣泡時(shí)，所能破壞的氣泡的直徑與振動(dòng)波的頻率有關(guān)，振動(dòng)波頻率與其能破壞的氣泡直徑的關(guān)系為：

式中：ω為振動(dòng)頻率，次/min；

d為所能破壞的最小直徑，mm。

一般機(jī)械振動(dòng)的頻率為5000～12000次/min，代入上式計(jì)算，當(dāng)振動(dòng)頻率為12 000次/min時(shí)，所能破壞的最小氣泡直徑只有0.7 mm。而對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性能有明顯有害作用的孔直徑一般為0.01 mm，要破壞0.01 mm及更小的孔，必須加大振動(dòng)頻率。Romet提出了采用超聲波振動(dòng)的方法，可以破壞直徑1.4×10-5mm的氣泡，有效降低混凝土內(nèi)部的細(xì)微孔隙，大幅度的提高混凝土抵抗外界侵蝕性介質(zhì)的作用。

3.2.2 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

實(shí)測(cè)結(jié)果表明[6]：早期或處于塑性狀態(tài)的混凝土，其收縮值約比硬化后的混凝土大數(shù)倍，且塑性狀態(tài)的混凝土表面收縮也比其混凝土內(nèi)部收縮要大，通常當(dāng)混凝土表面水分蒸發(fā)率超過0.5 kg/(m2·h)時(shí)，混凝土將產(chǎn)生急劇收縮，可能產(chǎn)生干縮裂縫。養(yǎng)護(hù)措施得當(dāng)?shù)幕炷?，具有膠凝性能好、強(qiáng)度高、抗侵蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能阻止大氣中水分和CO2的侵入，延緩碳化速度。

3.3 混凝土表面處理

混凝土表面加保護(hù)層，則可避免混凝土與空氣的直接接觸，亦可減輕混凝土碳化的程度。隨著保護(hù)層厚度的增加，抗碳化的性能就會(huì)愈好。如在混凝土表面抹灰、涂刷涂料或粘貼其他密實(shí)度、耐久性高的材料，則可提高混凝土的抗碳化性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性影響很大，但針對(duì)引起混凝土碳化的主要因素，采取必要的措施，就可以提高其密實(shí)度，有效地增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性，延緩碳化的速度或減輕混凝土碳化的程度，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，從而確保建筑物的正常使用。

[1]劉曉東,李固華.混凝土滲透性和耐久性關(guān)系研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2009.

[2]JGJ/T23,回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[3]馮浩,朱清江.混凝土外加劑工程應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[4]朱宏軍,程海麗,姜德民.特種混凝土和新型混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[5]馮乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[6]李德榮,陳惠華,金雪菊.砼結(jié)構(gòu)裂縫類型、特點(diǎn)、形成機(jī)理和原因分析[A].建筑物病害診治與工程質(zhì)量檢測(cè)實(shí)例論文集[C].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2003:9-10.

TU37

A

1673-1093(2014)01-0078-03

牛穎蘭(1975)，女，甘肅通渭人，畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，工程師，土木工程專業(yè)，研究方向：建筑材料教學(xué)與研究(nyl1161@163.com)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.01.017

2013-10-13；

2013-12-07