浅谈水工建筑物混凝土碳化

浅谈水工建筑物混凝土碳化

张婷

邯郸市城区水利管理处  河北 邯郸 056001

摘要:水泥的碳化过程是在水泥中原呈碱性的氢氧化钙,在大气中因为接受二氧化碳和水份的影响,而慢慢变为呈现中性的碳酸钙生产的过程,因此水泥碳化对混凝土结构的破坏影响较大。

关键词:混凝土,碳化,分析

1.混凝土碳化机理

水泥具有毛细管―孔隙构造的特征,其中毛细管―孔隙中含有水泥成形后所残留的泡沫,水泥岩中的毛细孔和凝胶材料孔隙,以及水泥岩中与集料颗粒接触处的孔穴等。另外,还可能存在着由水泥岩的干燥收缩和高温变质所产生的微裂纹。

混凝土的渗碳是由大气中的超临界二氧化碳首先进入了混凝土构造的空隙中,而后又溶于在毛细空隙中的水分,和在混凝土水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化物相互作用,从而产生了碳酸钙生产等物质。所以,所谓混凝土的炭化正是因为混凝土里面存在了孔隙,而里面充满了水分和气体,在混凝土的气相、液象学、固相过程中,进行的一种十分复杂的多相物理化学的反应。

水泥碳化具有提高水泥硬度和降低渗透率的效果,这大概就是碳化释放的水分促使水泥的水化和碳酸钙生产沉淀缩小了水泥岩的空隙之故。但水泥碳化后,其碱性减弱,加速钢材锈蚀。

2.混凝土碳化影响因素

水工建筑物混凝土碳化的影响因素较多,有自身因素,也有外界因素。

2.1影响混凝土碳化的内在因素

2.1.1水泥品种

不同的混凝土材料,其矿物成分、掺材量、阻锈剂、生料化学成份等差异,都直接影响了水泥的机械活性和混凝土的强碱性,对碳化率也形成了重要影响。通常,当水泥中熟料越多,那么水泥的碳化速度也就越慢。而外加剂(减水剂、引气剂)等通常均能提高防水渗漏特性,进而减少碳化速度,但含氯盐的防冻性能、早强剂等也能强烈提高钢筋锈蚀,所以必须严格控制其用量。

2.1.2集料品种和级配

集料品种和型配的差异巨大,其内在孔隙结构差别也很大,直接影响到了混凝土的密实程度。材料必须是致密坚硬,且有级配好的热集料颗粒的混凝土,且碳化的速度较慢。

2.1.3磨细矿物掺料的品种和数量

如有活性水硬性材料的掺料时,虽然其无法自行硬化,但却因能与混凝土在水化时析出的氢氧化钙以及与掺入材料的硅灰相互作用,而形成较强较稳定的胶结类物质,从而使混凝土碱性显著减少。当水泥灰比不变采用少许多取代的条件时,掺料量及代替水泥用量亦将越来愈多,而混凝土的碳化利用速度亦越快。

2.1.4水泥用量

加大混凝土用量,一方面能够改善水泥的和易性能,一方面增加了水泥的密实性;另外它还能够提高水泥的碱性储备,使其耐碳化特性提高,碳化速率也随着水泥用量的增加而降低。

2.1.5水灰比

当与混凝土用量相当的条件下,增大水泥灰比,混凝土的孔隙比增大,密实程度减小,渗透率增加,空气中的水份和有害物质较多的会浸入混凝土内,从而加速了水泥碳化。

2.1.6施工质量

浇筑品质较差体现为浇筑不严密,导致水泥硬度降低,蜂窝、麻面、空隙多,给大气中的二氧化碳和水份的渗透提供了必要条件,加剧了水泥的碳化。

2.1.7养护质量

混凝土产生后,必须在适当的自然环境中进行保存。养护良好的混凝土,富有胶凝好、牢固度好、内实外光和抗冲击能力强,并可阻止大气中的水分和二氧化碳流入其内,因而延缓了碳化速度。

2.2影响混凝土碳化的外界因素

2.2.1酸性介质

酸性化合物(如CO2)通过混凝土孔隙溶解在混凝土的液象学中形成酸式,和混凝土岩石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应,导致混凝土岩石逐渐变质,混凝土的碱性下降,这就是产生混凝土渗碳的直接原因。试验资料也证明,混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比,而混凝土碳化速度系数则随着二氧化碳浓度的升高而增大。

2.2.2温度和光照

水泥温度骤降,其表层收缩形成应力,如果大于水泥的抗拉强度,水泥表层即破裂,导致产生裂纹并逐渐剥落,给二氧化碳和水份渗透提供了必要条件,促进水泥碳化。

阳面水泥温度一般较背阳面水泥温度为高,但由于超临界二氧化碳在空气中的扩散系数较大,给其与氢氧化钙反应创造了有利条件,同时受到大量阳光的直接照射,也提高了其基本类型和渗碳率。

2.2.3含水量和相对湿度

周围介质的相对湿度,直接关系混凝土含水率和碳化速度系数之间的影响。过高的相对湿度(如百分之一百),使混凝土孔隙充满水,二氧化碳不易扩散到水泥石中,过低的湿度(如百分之二十五),则使孔隙中没有足够的水份和二氧化碳形成碳酸,甚至连碳化过程也无法进行;当周围介质的相对湿度大约为50~百分之七十时,其水泥的碳化速度为最大。而又因此,水泥碳化速度最主要还取决于砌体的含水量,以及周围介质的相对湿度。在实际建筑中,混凝土结构底层的碳化程度通常较上部为低,主要是相对湿度影响的结果。

2.2.4冻融和渗漏

当混凝土浸水完全饱和时或在温度不同部位,随着气温的变动,导致水泥内孔隙水交替的冻结膨胀和融解松弛,从而引起水泥大面积的松散脱落并出现裂纹,造成水泥碳化。渗漏水会使水泥中的氢氧化钙损失,在水泥表层形成碳酸钙生产结晶,导致混凝土水化物质的降解,其后果是严重削弱水泥温度和碱度,恶化钢筋腐蚀条件。

3.混凝土碳化的简易测试

常用化学测试法。即先挖去水泥保护层,随即滴入溶液并涂抹酚酞剂,看水泥表面有无变色(碳化),如果看到有碳化情况,则可很快地测量出其碳化深度。

3.1酚酞剂的配制

通过实际测试结果得知,以百分之九十九的乙醇加百分之一的酚剂溶液,其混合的酚类物为浅色;用百分之九十六的乙醇加百分之四的甲基橙液,所混合的甲基橙剂显深色。两者都可以来检测水泥的碳化情况。

3.2混凝土碳化判定及其深度检测

首先将所要求测量的混凝土表面打凿至规定的测量深度,然后再将表面重新清理一遍,并喷涂或滴入已搅拌好的酚型药剂。当将酚型药剂喷涂或滴入混凝土内的1~2分工种后,即有反应。若水泥色泽已变红,则水泥还未碳化;若水泥颜色仍不变色,则水泥也已碳化了。但由于酚酞溶剂内存着大量乙醇,极易挥发,因此在计算与观察的过程中速度一定要快,并尽快计算出混凝土内碳化与非碳化间的界面尺寸,才能得到最准确的碳化深度。

3.3混凝土碳化检测值的取得

因为水工建筑物的水泥根据结合物质的部位不同,其碳化程度也不尽相同,故在进行混凝土的碳化测试之前,必须要多测量一些,并以其平均值作为水泥碳化的检测值。

3.4测试混凝土碳化凿开面的处理

当水泥碳化检测项目完成后,对检测水泥碳化项目的凿开表面使用环氧树脂砂浆或环氧水泥进行填补密封处理。

4.混凝土碳化的防止措施

水泥碳化也有混凝土的"癌症"一说,但重点还是要做好防治措施。

4.1设计方面

根据水工建筑物中不同的构造类型和不同的环境因素,分别给混凝土的保护层选择了不同的厚度,并尽可能地一律使用到2~3cm。

4.2施工方面

混凝土性能的好坏,在施工中也至关重要。一是要精心选择建筑材料。水泥选用抗碳化力较强的硅酸盐水泥;集料颗粒选用质地硬实和层准备较好的细砂和石头;在施工时除砂要筛、石头要洗以外,还必须特别注意去除集料颗粒中的有害物质等。二是在混凝土中,可加入优质合格的混凝土或水泥外加剂,如减水剂、阻水剂等,可改善混凝土的某些特点,提高其硬度和密实性、防水渗特性、抗冻性能等。三是要从严把控混凝土的水灰比,要达到小水灰比,最小坍落率,要把水泥的用量控制在能满足材料标准和施工条件的最低范围内,并尽可能减少混凝土的自由水。四是各点的保养措施,对各点一定要全面检查和严格地按照有关规定规范实施,在必要时还可进行表面处理;对养护工作一定要适时,一旦混凝土进行初凝后,就应立即加以养护,并要坚持根据不同水泥品种所要求的时间养护标准,控制好周围的气温和湿度,并使混凝土处在最适宜的自然环境中,做好养护管理工作。五是钢筋直径的水泥保护层厚度,在浇筑前要将钢筋用事先为钢筋预制好的高标号水泥垫片铺垫好,以保证钢筋直径的水泥保护层厚度满足设计需要。六是对施工缝要做到少留或不留,对一定要留的部分,应做好对连接点的技术管理。

4.3使用方面

对于水工构筑物在设计上不得任意变更原来设计的利用要求。由于水工建筑物使用环境的变化,直接联系着外部空气、温度、湿度等各种因素变动而导致的混凝土结构某些状态的改变,特别是对水泥建筑物的易碰撞部分,更需要设计包角和隔离层防护。

4.4管理方面

关于水工建筑物中水泥结构的管理,重点是定期检查、强化养护。对易形成碳化的砼结构,则应派专人定时监视和测量气温、相对湿度,检测裂缝状况和碳化深度,并进行详尽记载。如发现砼表层有裂缝、剥落迹象时,则应尽快使用保护涂料对砼表层加以密封或采用将砼表层与大气隔绝处理,绝对不容许其裂纹进一步扩展,必要时应作砼补强处理。

5.结束语

在水工建筑中水泥碳化的原因众多,问题比较复杂,其检测手段和防治措施还有待于深入分析研讨。文中提到的水工构筑物混凝土碳化的原因和措施,也应用于其他建筑物的水泥碳化的问题。