浅析水工混凝土的碳化机理及防碳化处理措施

浅析水工混凝土的碳化机理及防碳化处理措施

崔小虎

新疆旭元泽水利工程有限公司乌鲁木齐830057

摘要：水工钢筋混凝土结构最常见的病害就是混凝土碳化。由于碳化，混凝土逐渐由碱性转化为中性。在碱性介质中，钢筋表面会形成一层钝化膜，能有效地抵制钢筋锈蚀。而当混凝土碳化后，pH值降低，保护钢筋的钝化膜消失，在氧和水的作用下钢筋便产生电化学腐蚀，钢筋锈蚀形成的铁锈体出现体积膨胀，此时混凝土中产生低抗膨胀应力，当锈蚀达到一定程度后，混凝土就会被胀裂，形成沿钢筋的裂缝，继而出现保护层崩落、露筋等现象。混凝土中出现裂缝与钢筋锈蚀会破坏水工建筑物构的完整性和承载能力，致使许多水工建筑物的使用寿命大为缩短。

关键词：水工混凝土；碳化机理；防护措施

1、混凝土的碳化机理

当混凝土拌和时，硅酸盐水泥主要成分CaO水化作用生成Ca（oH）2，它在水中溶解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液外，大部分以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性储备，它的PH值为12.5-13.5，空气中的二氧化碳不断透过混凝土中水干后留下的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与其中孔隙液滚解的Ca（OH）2进行中和反应，产生不溶于水的CaCO3沉积于毛细孔中，这时毛细孔周围水泥石中羟钙石补充溶解为Ca2+和OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散到水中的CO2反映，一直到孔隙夜PH值降到8.5-9，这层混凝土的毛细孔中才不再进行这种中和反应，这就是混凝土碳化，即碳酸盐化。另外凡是能与Ca（OH）2进行中和反映的气体，如SO2、SO3、H2S等均能进行上述反应，使混凝土强度降低，混凝土质地疏松，容易产生裂缝，引起钢筋锈蚀，导致混凝土结构破坏。

2、混凝土中钢筋锈蚀机理

最初的混凝土孔隙中充满饱和的Ca（OH）2溶液，它使钢筋表面发生初始电化学腐蚀，该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，那Fe2O3和Fe3O4，即钝化膜，在高碱性环境中，PH值大于11.5时，它可以阻止钢筋进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过钢筋保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液PH值降到8.5-9.0时，钝化膜破坏，钢筋完成电化学反应，导致钢筋锈蚀。2FeO2生成FeO；FeOH2CO3生成FeCO3和水，钢筋生锈时，体积增大，破坏其保护层，沿钢筋方向产生裂缝。水和空气进入裂缝，加速钢筋锈蚀。当然，引起混凝土中钢筋锈蚀的因素不只是上述机理，在海洋环境中，氯化物就是一个非常重要的影响因素。事实上，氯化物引起的钢筋去钝化要比混凝土严重得多，氯化物影响明显的工程（海洋工程）中，在考虑混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响时更应考虑到氯化物影响。

3、影响混凝土碳化因素

大气中混凝土的碳化通常是一个缓慢的过程。碳化速度取决于混凝土渗透性和大气中二氧化碳等有害物质的含量，施工时周边环境条件，以及混凝土浇筑方法和养护条件等。

3.1水泥品种。一般来说，普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快，掺混合材料的水泥碳化速度更快，掺合量越大碳化越快，但掺和减水剂或加气剂，可大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实性混凝土，使碳化减漫。尤其起加气减水刘，由可抗冻性提高，可大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。

3.2骨料种类。混凝土骨料本身坚硬、密实，总的说来，天然砂、砾石、碎石等比水泥浆透气性小，因此混凝土碳化主要通过水泥浆进行。但是在轻混凝土中，由于轻骨科本身气泡多，透气性大，所以能通过骨料使混凝土碳化。一般来说，轻混凝土比普通混凝土碳化快，需掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化进度。

3.3水灰比。混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系，混凝土的透：汽性，碳化进行越慢，水灰比小的混凝土由于水洗紧组织密实，透气性八，而碳化进度就慢，同理单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。

3.4环境条件。因为碳化是液相反应，十分干操的砼即一直处于相对湿放传于25%空气中，混凝土很难碳化，空气相对湿度在50%-75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；，但在相对湿度大于95%的潮湿空气中或在水中混凝土反而难以碳化，这是因为混凝土含水时透气性小，碳化慢；在湿度相同时、风速愈高、温度越高，混凝土的碳化也越快。

3.5浇筑和养护条件。密实的混凝土表层孔隙很小，易从潮湿的空气中吸取水分而充满水，故不易碳化；欠密实的混凝土表层中大孔隙内无水，二氧化碳可以由气相护散到充水的毛细孔隙内进行碳化反应，所以越密实的混凝土其抗碳比能力越强。混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果浇筑时不规范，特别是振捣不密实，以及养护不当、养护时间不足时，就会造成混凝土内部毛细孔隙粗大，且大多相互连通，严重时会引起混凝土蜂窝、裂缝，使水、空气、侵蚀性化享物质沿着粗大毛细孔道或裂缝进入混凝土内部，从而加速混凝土阳碳化和钢筋锈蚀。

4、混凝土的防碳化处理工程措施

4.1、碳化处理方法。根据混凝土碳化程度不同，部位不同，处理方法也不同。对碳化深度过太，钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件应拆除重建；对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闲；对于碳化深度大于钢筋保护层或者碳化深度较小，但碳化层疏松剥落的，均应凿陈碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；对寸钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈油漆，并根据锈蚀情况和结构要求加补钢筋。防碳化处理后的结果要达到阻止或尽可能减缓外界有害气体进入混凝土内侵蚀。使混凝土和钢筋一直处在高碱性环境中。

4.2、几种常见混凝土碳化处理方案

4.2.1、环氧厚浆涂抖

1.性能特点，环氧厚浆涂料是由环氧基料、增韧剂、防锈剂、防锈防渗填料及固化剂等等多种成份组成，适用于混凝土表层封闭。它具有以下特点：（1）稳定性好。该涂料在大气、淡水、海水及酸碱溶液等介质中长期稳定。（2）物理性能好。该涂料附着力强，涂层坚韧耐磨，耐热：性及电绝缘性好。（3）密封性好。该涂料涂刷后能完全密封受涂物表面，耐水、耐湿。（4）保护周期长。使用寿命12年以上。（5）施工方便。既适合手工涂刷，丈适合机械喷涂。

2施工工艺。①表面处理，混凝土表面处理是除掉混凝土表面污迹、浮物，一般分手工清理和机械清理两种方法。手工清理用钢丝刷在混凝土表面来回拉刷，直至去掉表面油污，灰迹，浮砂，再用水清洗。机械清理常用喷砂处理、高压水中洗，以不损伤混凝土表层为限。表面处理后，对于混凝土显露出来的裂缝、蜂窝、麻面等缺陷进行修补，完全补好达到强度后再涂装，这样才能彻底保护混凝土。

②涂料使用要求，环氧厚浆涂料分甲、乙两组份，使用前按要求配制，并在规定时间用完，随用随配，二次涂装要一次涂装漆膜完全干燥后进行。

③表面涂装，环氧厚浆涂料的人工涂装方法与一般涂料相同，机械喷涂采用高压无气喷涂工艺。环氧涂料用量，环氧厚浆涂料固体组分多，挥发组分少，一般应涂刷3-4遍，厚度达到250微米左右，用量0.5-0.6Kg/m2。

4.2.2、硅粉砂浆

硅粉砂浆是由普通水泥砂浆和硅粉制而成，适用于混凝土碳化凿除后的重新粉刷。硅粉砂浆因其优越的力学和抗渗性能而尤其适用于船闸、通航节支闸闸室岸墙、翼墙的防碳化处理。硅粉砂浆的施工工艺为：混凝土表面凿毛、冲洗、刷水泥硅粉净浆，再粉刷硅粉砂浆，养护14d。厚度一般为2cm左右。

4.2.3、混凝土结构变形缝的缝面处理

混凝土结构变形缝的表面处理难于一般方法进行碳化处理。为阻缓缝内混凝土继续碳化，并满足变形缝的要求，对于水上部位的变形缝采用SR嵌缝膏进行表面封闭；对于水下部分变形缝采用SBS改性沥青灌注封闭，能起到闭气止水的双重作用。

5、结语

通过浅析水工混凝土的碳化机理及防碳化处理措施，揭示了混凝土结构的破坏规律，提出了在设计和施工时对混凝土防碳化处理的建议，并提供了一些除险加固工作中实用的防碳化处理方案，为我们在今后水利工程混凝土施工和工程运行管理中指明了方向。

参考文献

[1]汪斌.水工混凝土的碳化机理探讨[J].山东建筑科技2016（9）