混凝土碳化研究现状.pdf
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1、 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第6期 2 0 1 1 年 l 2月 混凝土碳化研究现状 武俊曦 , 王艳 ( 1 陕西建工集团第三建筑工程有限公司, 陕西 西安7 1 0 0 5 4; 2 西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要: 混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程 , 国内外众多学者分别从碳化机理、 影响碳化的因素、 碳化深度预测模型 等方面, 对这个问题进行了深入研究。本文对这些成果进行了总结与分类, 在此基础上提出了尚存在的问题, 并对混凝土碳 化研究发展方向
2、进行了展望。 关键词: 混凝土; 碳化; 碳化速度; 碳化深度 中图分类号: T U 5 2 8 文献标识码: B 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 6 2 0 2 0 3 0前言 M a h t a 教授在题为 混凝土耐久性5 0年进 展 的主旨报告中指出: “ 当今世界, 混凝土破坏原 因, 按重要性递减顺序排列是钢筋腐蚀、 寒冷气候下 的冻害、 侵蚀环境的物理化学作用” 。因此, 钢筋锈 蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一。而混凝土 碳化又是引起钢筋锈蚀最主要的原 因。2 O世纪 6 O 年代, 国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构 的耐久性问题 ,
3、 对混凝土碳化进行了大量 的试验研 究及理论分析。国内从2 O 世纪8 0年代开始研究混 凝土碳化与钢筋锈蚀问题, 通过快速碳化实验、 长期 暴露实验及实际工程调查, 研究混凝土碳化的影响 因素与碳化深度预测模型。经过 4 0多年的研究 , 国 内外对混凝土碳化机理与影响因素已经有了深刻的 认识, 并提出了很多种碳化深度的计算模型。 1 混凝土碳化机理的研究 混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程, 国内外很多学者从不同的角度对这个问题进行了深 入研究 。 普通水泥混凝土水泥熟料的主要矿物成分是硅 酸三钙 C 3 S ( 3 C a O S i O 2 ) 、 硅酸二 钙 C 2 S ( 2
4、C a O S i O 2 ) 、 铁铝酸 四钙 c A F ( 4 C a O A 1 0 F e 2 0 3 ) 和 铝酸三钙 C A( 3 C a O A 1 : O ) , 另外 , 还有少量 的石 膏 C S H ( C a S O 2 H 0 ) 等。其水化产物为氢氧化 钙( 约占2 5 ) 、 水化硅酸钙( 约占6 o ) 、 水化铝酸 钙、 水化硫铝酸钙等, 充分水化后, 混凝土孔隙水溶 液为氢氧化钙饱和溶液, 其 p H值约为 l 2 1 3 , 呈强 碱性。在水泥水化过程中, 由于化学收缩、 自由水蒸 发等多种原因, 在混凝土内部存在大小不同的毛细 收稿 日期 : 2 0
5、1 0 - 0 6 1 0 作者简介: 武俊曦( 1 9 7 7一 ) , 男, 陕西西安人, 工程师, 主要从事建筑 施工工作。 E ma i l : w u j u n x i t 9 7 7 1 2 6 。 c o m 管、 孔隙、 气泡等, 大气 中的二氧化碳通过这些孔隙 向混凝土内部扩散, 并溶解于孔隙内的液相 , 在孔隙 溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生碳 化反应 , 生成碳酸钙。 混凝土碳化的主要化学反应式如下 J : C a ( O H) 2 +C O 2 C a C O 3 +H 2 0 3 Ca O 2 S i O 23 H2 0 +3 C 02 3 C a CO
6、 3。2 S i O2 3 H2 0 3 C a O S i O2+3 C 02+ H2 O +S i O2。- y H2 0 + 3 C a C O 3 2 Ca O S i O2+2C02+ 3 , H2 0_ S i 02 。 H2 0 + 2Ca CO3 文献 2 研究表明, 昆 凝土孔溶液中绝大多数 组分为 N a , K 和与其保持电性平衡 的 O H一 , C a n 含量微乎其微, c a ( O H) 大部分是以晶体存在的。 当 C O 扩散到混凝 土孔 溶液, 并分别与 N a , K , C a “ 反 应 生 成 N a 2 C O 3 ,K 2 C O 3 ,C a
7、C O 3 。 由 于 N a C O , K : C O 溶解度大, 孔溶液中的 N a , K 浓度 不会发生变化, 除非这些溶液干燥时达到过饱和析 出晶体; 而孔溶液中的 c a 与 C O ; 一发生反应生成 溶解度极低的 C a C O , , 并沉积在孔壁表面 , 导致孔溶 液中 c a 浓度降低 , 因此 C a ( O H) 晶体继续溶解 , 并补充孔溶液中失去的 C a 2 浓度。C a ( O H) 晶体 逐渐溶解而碳化反应过程 中 C a C O 晶体逐渐增 多, 这种循环反应一直进行到 C a ( O H) :晶体完全溶解 和消耗为止, 此时混凝土 p H值降低, 混凝
8、土发生中 性化现象。 混凝土孔溶液的 p H值越高, C a C O 溶解度越 小 , 孔溶液中发生中性化反应之后 C a n的浓度减少 得也越多 , C a ( o n) 晶体的溶解速度也越快 。随着 中性 化过 程 的继 续 , 孔溶 液 的 p H 不 断 降低 , c a ( 0 H) ,晶体的溶解速度也会减慢, 碳化速度相应会 有一些降低。 另外 , 由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶 解性钙盐 , 比原反应物 的体积膨胀约 l 1 6 , 因 武俊曦, 等: 混凝土碳化研究现状 2 0 3 此 , 混凝土的毛细孔隙将被碳化产物堵塞 , 使混凝土 的密实度和强度有所提 高, 一定程度
9、上阻碍了二氧 化碳和氧气 向混凝土 内部扩散 。另一方面 , 混凝土 碳化使混凝土的p H值降低, 完全碳化混凝土的 p H 值约为 8 5 9 0 , 使混凝土中的钢筋脱钝。 2影响碳化的主要因素研究 混凝土碳化是一个非常复杂的过程 , 影响混凝 土碳化的因素非常多, 这方面的研究主要是围绕环 境 因素 ( 包括环境相对湿度、 温度 、 空气中 C O 的浓 度等) 、 混凝土品质( 包括水胶比、 水泥品种、 水泥用 量、 骨料品种与粒径 、 外加剂、 混凝土强度 、 施工因素 等) 两方面来开展的。 对碳化速度产生影响的环境条件主要是环境相 对湿度 、 温度 、 空气 中 C O 的浓度。
10、 日本 学者给 出 了C O : 浓度对碳化速度的影响曲线, 并通过快速试 验方 法 回归 给 出 了 C O :浓度 影 响系 数。P a p a d a k i s 4 刮曾通过试验研究得到相对湿度对扩散系 数的影响。李果 _ 6 和徐道 富 对环境 温度 、 相对湿 度对混凝土碳化速度的影响进行 了试验研究 , 并建 立 了考虑环境温、 湿度气候条件 的混凝土碳化速度 预测模型。蒋清野在分析了 1 9 8 1 1 9 9 6年问国内 外碳化资料后认为 , 碳化速度与相对湿度的关 系呈 抛物线状。朱安 民 通过试验研究得 出不同相对 湿度下混凝土碳化速度的平均比率。 水灰 比是影响碳化速度
11、的主要 因素之一 , 很多 学者研究了水灰 比对混凝土碳化的影响。 日本学者 岸谷 提出了以水灰 比为 主要参数确 定碳化速度 的计算公式 。S k i j o l s v o l d 1 , H o DWS 1 l J , D h i r R K ,方噪等 通过试验研究了水灰比对碳化 深度 ( 速度 ) 的影 响。朱安民 J 、 颜 承越 等通过 长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关 系。 水泥品种与用量是影响混凝土碳化速度的另一 个主要因素。D h i r R K 【 1 2 、 岸谷 J 、 方噪 引、 颜承 越 等人做过不同水泥品种的混凝土碳化对比试 验。H o D wS 1
12、1 , T h o m a s MD A , Ho b b s D w 1 】 ,牛建刚 等人专门研究过粉煤灰 ( 火 山 灰) 水泥混凝土的碳化 问题。C e u k e l a i r e L D L 1 8 研 究过矿渣水泥混凝土的碳化问题 。S a k a i E 等人 也比较过膨胀水泥混凝土与普通水泥混凝土碳化 的 异同。龚洛书 、 Me y e r 、 马文海 、 张誉等 研 究过不同水泥用量对碳化深度的影响。 混凝土抗压强度是混凝土最基本的性能指标, L e w i s , S mo l c z y k 及 前苏联 学者 通 过研究得 出 碳化深度与抗压强度平方根 的倒数成正 比
13、的结论 。 日 本学者和泉、 中国建筑科学研究院的邸小坛、 颜承 越 得出混凝土碳化深度与抗压强度的倒数成正 比。 混凝土施工质量对混凝土 的品质有很大影响 , 混凝土浇筑、 振捣不仅影响混凝土的强度, 而且直接 影响混凝土的密实性 , 因此, 施工质量对混凝土碳化 有很大 影响。D h i r _ 2 , F a t t u h i - 2 的研究结果表 明, 养护时间对混凝土碳化速度的影响很大。N a g a t a k i s , E w e r t s o n 等研究了养护方法对混凝土 碳化的影响。邸小坛对养护时间对 昆 凝土碳化速度 的影响进行了研究并给出修正系数。刘亚芹 研 究了覆
14、盖层对混凝土碳化速度的影响。 3碳化深度预测模型研究 混凝土碳化深度预测模型一直是结构工程领域 研究 的热点问题 , 国内外学者已提出了很多碳化深 度预测模型 , 基本上可以归纳为三种类型。 3 1 基于扩散理论的理论模型 前苏联的学者阿列克谢耶夫等人 深入研究 了 昆 凝土碳化这个多相物理化学过程 , 得到碳化过 程 由 C O 在 混凝土孔 隙 中扩散控 制 的结论 , 并 由 F i c k 第一扩散定律推导得到了混凝土碳化理论模 型。希腊学者 P a p a d a k i s 等人 根据 C O 及各可碳 化物质在碳化过程中的质量平衡条件建立偏微分方 程组 , 经简化求解给出另一种理
15、论模型。两者所用 方法不同, 但模型最后形式均表明混凝土碳化深度 与碳化时间的平方根成正 比。理论模型的优点在于 模型的物理意义明确, 有理论基础, 但其不足之处是 模型参数不易确定, 不便于工程应用。 3 2 基于碳化试验的经验模型 由于理论模型中许多参数很难确定, 不便与实 际工程应用 , 因此出现 了基于试验和工程实测的经 验模型 。经验模型大多数是以混凝土碳化深度与碳 化时间的平方根成正 比的基础上, 对碳化系数进行 研究。由于不 同学者考虑的影响因素不 同, 因此往 往得到的计算模型形式是不同的。比较有代表的是 日本学者岸谷孝一 基于水灰 比提出的经验模型 , 黄士元等 考虑水灰 比
16、和水泥用量 回归给出的碳 化深度计算公式 , 牛荻涛 。 考虑混凝土碳化的随机 性 , 建立的基于混凝土抗压强度的碳化深度预测模 型, 山东建科院的朱安 民 给 出的考虑水泥 品种、 粉煤灰 、 气象条件影响的混凝土碳化深度经验公式 , 中国建筑科学研究 院的邸小坛 3 提 出的以混凝土 抗压强度标准值为主要参数, 考虑环境修正、 养护条 件修正和水泥品种修正的碳化计算公式等。 3 3 基于扩散理论和碳化试验的碳化模型 同济大学张誉等 在全面分析混凝土碳化机 理和影响因素之后, 基于碳化理论分析与试验结果 建立了混凝土碳化实用数学模型。蒋利学 在数 值计算的基础上, 提出了混凝土部分碳化区的概
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