建筑工程用混凝土碳化、凍融破壞影響因素及防治

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建筑物多以混凝土結(jié)構(gòu)組成，而這些混凝土結(jié)構(gòu)多處在氣候惡劣的環(huán)境中，受泥沙、水流、物理、化學(xué)、氣溫等影響因素頗多?；炷恋钠茐囊蕴蓟鋈谄茐臑槌Ｒ?，致使許多建筑物的運(yùn)行壽命大為縮短，造成極大浪費(fèi)。所以有必要進(jìn)一步探討水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞機(jī)理及防治措施。
２混凝土碳化、凍融破壞機(jī)理分析

　　1．混凝土碳化機(jī)理
　　水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強(qiáng)度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。
　　混凝土具有毛細(xì)管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這些毛細(xì)管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細(xì)孔和凝膠孔，以及水泥石和集料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8－10%。
　　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)行著一個十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過程。
　　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。
    混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕?？諝庵校茫希矚鉂B透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護(hù)層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開始生銹?？梢?，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會使混凝土對鋼筋的保護(hù)作用減弱。
　　混凝土的抗凍性是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質(zhì)，不僅在嚴(yán)寒地區(qū)混凝土建筑物有抗凍的要求，溫?zé)岬貐^(qū)混凝土建筑物同樣會遭到干、濕、冷、熱交替的破壞作用，經(jīng)歷時間長久會發(fā)生表層削落，結(jié)構(gòu)疏松等破壞現(xiàn)象，如浙江省的富春江水電站，湖南省的桃江水庫等，都發(fā)生過不同程度的凍融破壞。所以對混凝土的凍融破壞的研究顯得尤為重要。對混凝土凍融破壞的機(jī)理，目前的認(rèn)識尚不完全一致，按照公認(rèn)程度較高的，由美國學(xué)者T．C．Powerse提出的膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成。其一是當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹９％，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力；其二是當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。
　　另外凝膠不斷增大，形成更大膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，最后甚至完全喪失。從實(shí)際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。
３混凝土碳化、凍融破壞影響及防治

　　2．混凝土碳化影響因素
　　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
　　不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學(xué)成分不同，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度有重要影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗?jié)B性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強(qiáng)劑則會嚴(yán)重加速鋼筋銹蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制其用量。
　　2．1．2　集料品種和級配
　　集料品種和級配不同，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)，級配較好的集料的混凝土，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。
　　2．1．5　水灰比
　　在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實(shí)度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學(xué)物質(zhì)較多的浸入混凝土體內(nèi)，加快混凝土碳化。
　　2．1．6　施工質(zhì)量
　　施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí)，造成混凝土強(qiáng)度低，蜂窩、麻面、空洞多，為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化。
　　2．1．7　養(yǎng)護(hù)質(zhì)量
　　混凝土成型后，必須在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的混凝土，具有膠凝好、強(qiáng)度高、內(nèi)實(shí)外光和抗侵蝕能力強(qiáng)，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內(nèi)，延緩碳化速度。
　　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CO2）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，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，一旦超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土表面便開裂，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。
　　陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，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，陽光的直接照射，加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。
　　2．2．3　含水量和相對濕度
　　周圍介質(zhì)的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過高的濕度（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，過低的濕度（如25%），則孔隙中沒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。

　　3．混凝土碳化的簡易測試
　　采用化學(xué)測試法。即先鑿掉混凝土保護(hù)層，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色（碳化），若發(fā)現(xiàn)有碳化情況，則可迅速地測試出其碳化深度。
　　3．1　酚酞劑的配制
　　根據(jù)實(shí)踐試驗(yàn)結(jié)果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色；用96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。二者均可用來測試混凝土的碳化情況。
　　3．2　混凝土碳化判定及其深度檢測
　　首先將所需檢測的混凝土表面打鑿到需要的測試深度，然后把表面清理干凈，涂抹或滴入已配制好的酚酞劑。當(dāng)酚酞劑涂抹或滴入混凝土內(nèi)1~2分種后，便有反應(yīng)。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化；若混凝土不變色，則混凝土已碳化。因?yàn)榉犹獎﹥?nèi)含有大量酒精，容易揮發(fā)，所以在測試和觀察時速度要快，要盡快量出混凝土內(nèi)碳化與非碳化的界面尺寸，以便得到準(zhǔn)確的碳化深度。
　　3．3　混凝土碳化檢測值的取得
　　由于水工建筑中混凝土結(jié)構(gòu)物的部位不同，其碳化程度也不盡相同，所以在進(jìn)行混凝土碳化測試時，一定要多測幾次，以其平均值為混凝土碳化檢測值。
　　3．4　測試混凝土碳化鑿開面的處理
　　在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應(yīng)用環(huán)氧樹脂砂漿或環(huán)氧混凝土作填補(bǔ)封閉處理。

　　4．混凝土碳化的防止措施
　　混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，關(guān)鍵是應(yīng)采取防止措施。
　　4．1　設(shè)計(jì)方面
　　根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素，分別對混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2－3cm。
　　4．2　施工方面
　　混凝土質(zhì)量好壞，施工是關(guān)鍵。一是要認(rèn)真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強(qiáng)的硅酸鹽水泥；集料選用質(zhì)地硬實(shí)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(zhì)。二是在混凝土中可摻入優(yōu)質(zhì)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(qiáng)度和密實(shí)性、抗?jié)B性、抗凍性。三是要嚴(yán)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(nèi)，盡量減少混凝土的自由水。四是振搗和養(yǎng)護(hù)，振搗一定要充分并嚴(yán)格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，必要時可作表面處理；養(yǎng)護(hù)一定要及時，一旦混凝土達(dá)到初凝時，就應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并堅(jiān)持按不同水泥品種所要求的時間養(yǎng)護(hù)，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(jìn)行養(yǎng)護(hù)。五是鋼筋混凝土保護(hù)層厚度，施工時要將鋼筋用事先預(yù)制好的高標(biāo)號砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。六是施工縫要做到少留或不留，必須要留的，應(yīng)作好接縫處的工藝處理。
　　4．3　使用方面
　　對于水工建筑物在使用上不要隨意改變原設(shè)計(jì)的使用條件。因?yàn)樗そㄖ锸褂脳l件的改變，直接關(guān)系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內(nèi)部某些情況的變化，尤其是對于混凝土構(gòu)件的容易碰撞部位，更應(yīng)當(dāng)設(shè)置包角和隔層保護(hù)。
　　4．4　管理方面
　　對于水工建筑中混凝土構(gòu)件的管理，主要是定期檢查、加強(qiáng)維護(hù)。對于容易產(chǎn)生碳化的混凝土構(gòu)件，則應(yīng)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(xì)記錄。若發(fā)現(xiàn)混凝土表面有開裂、剝落現(xiàn)象時，則應(yīng)及時利用防護(hù)涂料對混凝土表面進(jìn)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(kuò)大，必要時可作混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理。
    5.1混凝土凍融破壞影響因素及防治
    5.1.1混凝土凍融破壞影響因素
　　混凝土凍融破壞的影響因素是多方面的。一是組成混凝土的主要材料性質(zhì)的影響，如；水泥的品種、水泥中不同礦物成份對混凝土的耐久性影響較大，又如骨料的影響，除了骨料本身的質(zhì)量對混凝土的抗凍性的影響以外，骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用，由于濕度和強(qiáng)度的變化，會產(chǎn)生含針狀物巖石體積的變化，這將會損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面，同時骨料的化學(xué)性能對混凝土的耐久性也將產(chǎn)生一定的影響；二是外加劑的影響，在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可起到緩沖凍脹的作用，大大降低凍脹應(yīng)力，提高混凝土的抗凍性；三是施工工藝影響，配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關(guān)系，同時混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于最不利的工作條件，所以混凝土模板種類、性質(zhì)和表面加工情況以及工作縫的處理對混凝土的耐久性也有很大的影響；四是防止受水位變化影響，寒冷季節(jié)水位變化會引起混凝土的嚴(yán)重凍融破壞需采取有力措施防止；五是嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，混凝土施工質(zhì)量的好壞，將影響它的抗凍性，因此必須把好質(zhì)量關(guān)，不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面，力求密實(shí)，表面光滑。
    5.1.2混凝土凍融破壞的防治
　　對于混凝土凍融破壞的防治，結(jié)合我們的施工實(shí)踐，總結(jié)出了如下幾點(diǎn)：
（１）預(yù)防措施。一是在混凝土施工中應(yīng)根據(jù)不同情況選擇含有不同礦物成份和不同性能的水泥、骨料和外加劑，從材料方面確保混凝土的耐久性；二是嚴(yán)格混凝土制作配合比，一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和所處的環(huán)境條件，試驗(yàn)確定關(guān)鍵參數(shù)，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分僅為其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游離析出，產(chǎn)出孔隙，飽和后易受凍脹破壞；另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一；三是人為地優(yōu)化建筑物混凝土構(gòu)件周圍的環(huán)境條件，以減少或改善致使混凝土凍融的各種不利因素。
（２）治理措施。①水泥砂漿修補(bǔ)，適用于輕微的表層破壞；②預(yù)縮砂漿修補(bǔ)，所謂預(yù)縮砂漿是指經(jīng)拌和好之后再歸堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂漿，此種方法適高速水流區(qū)混凝土表面的損壞；③噴漿修補(bǔ)，多用于混凝土凍融破壞化較嚴(yán)重的部位；噴混凝土修補(bǔ)，是指經(jīng)施高壓將混凝土拌料以高速運(yùn)動注入被修補(bǔ)的部位，其密度及抗?jié)B性較一般混凝土好，且具有快速，高效的特點(diǎn)；④環(huán)氧材料修補(bǔ)，一般有環(huán)氧基液、環(huán)氧砂漿和環(huán)氧混凝土等，這種材料具有較高的強(qiáng)度和抗蝕、抗?jié)B能力，并與混凝土結(jié)合力較強(qiáng)，但價格較貴，施工工藝復(fù)雜，材料配比嚴(yán)格，此法可與其它修補(bǔ)方法配合使用，效果更佳；總之我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)水工建筑物所處的環(huán)境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構(gòu)件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補(bǔ)方法，才能獲得較好的效果。