碳化混凝土（精选11篇）
碳化混凝土 篇1
大气中CO2引起的混凝土中性化过程称为混凝土的碳化。碳化使混凝土的p H值下降, 当p H值低于临界值时, 钢筋表面脱钝, 引起钢筋锈蚀。碳化引起钢筋锈蚀是钢筋混凝土渡槽常见的一种病害形式。20世纪60年代, 一些发达国家就开始对混凝土碳化进行大量的试验研究及理论分析。国内起步较晚, 从20世纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋锈蚀问题, 通过快速碳化试验、长期暴露试验及实际工程调查, 研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型。
至今, 混凝土碳化研究相对较为成熟, 混凝土的碳化深度预测模型研究已取得重要进展, 基于Fick第一扩散理论建立的碳化深度预测模型有较好的预测效果。
1 混凝土碳化侵蚀机理
混凝土的碳化过程, 事实上是空气中的酸性气体CO2渗透到混凝土内部, 与碱性物质发生中和反应, 使混凝土碱度降低的过程, 也可称为中性化过程。
对素混凝土而言, 由于碳化生成了碳酸钙和其他固态物质堵塞在孔隙中, 降低了混凝土的总孔隙率, 提高了混凝土的密实度和强度, 反而可以提高混凝土耐久性。
对钢筋混凝土而言, 当碳化深度超过混凝土的保护层, 且混凝土的p H值降低至11.5以下时, 就可能破坏钢筋钝化膜而造成钢筋锈蚀, 以及由钢筋锈蚀产生的体积膨胀, 造成混凝土保护层的剥落。这将对钢筋混凝土结构的安全运行带来潜在威胁, 并减少结构的正常使用年限。
混凝土碳化是一个复杂的物理化学过程。主要的化学反应式如下:
2 混凝土碳化深度预测
碳化并不直接影响混凝土的使用寿命, 而是当碳化发展到一定程度时, 钢筋发生腐蚀而导致结构破坏。所以碳化深度的发展决定了混凝土结构的使用寿命。国内外学者基于扩散理论和试验数据, 针对不同碳化龄期的混凝土碳化深度建立了很多预测模型。这些模型大致可归纳为两类:理论模型和经验模型。
2.1 理论模型
理论推导基于CO2在混凝土中的扩散遵循Fick第一扩散定律, 较有代表性的是前苏联学者阿列克谢耶夫所建立的数学模型:
式中, Xc———碳化深度, (m) ;
———CO2在混凝土中的有效扩散系数, (m2/s) ;
———混凝土表面CO2浓度, (%) ;
———完全碳化时单位体积混凝土吸收CO2的量, (mol/m3) ;
———碳化时间, (s) 。
另一个著名的理论模型是希腊学者Papadakis等基于混凝土碳化的物理化学过程, 并根据碳化反应过程中CO2、Ca (OH) 2及3CaCO3·2Si O2·3H2O (水化硅酸钙) 的质量平衡条件推导出的数学模型:
式中, CH、CSH———分别为单方混凝土中Ca (OH) 2和3Ca CO3·2Si O2·3H2O的含量, (mol/m3) ;
———碳化后混凝土的总孔隙率, (%) ;
RH———环境相对湿度, (%) 。
2.2 经验模型
经验模型是根据大量的快速碳化试验、室外暴露试验及实际工程碳化状况得出的碳化模型。代表性的有Lesahe de conienay C等列出的模型公式。目前工程上一般都采用 , 对K的取值, Kishitani、牛荻涛、中国建研院等都在λ=0.5的情况下给出了相应的碳化深度预测公式。如山东建科院给出的预测模型为:
式中, ———水泥品种影响系数, 矿渣水泥为1.0, 普通水泥为0.5~0.7;
———粉煤灰影响系数, 取代水泥量小于15%时取1.1;
———气象条件影响系数, 中部一般地区取1.0, 南方潮湿地区取0.5~0.8, 北方干燥地区取1.1~1.2。
然而, 有研究表明, 混凝土碳化深度并不一定是时间平方根的关系, 碳化指数与水灰比、水泥用量、粉煤灰取代量等不存在明显的相关性。假设λ服从对数正态分布的前提下, 可取它的0.95分位点值0.67进行定值计算。
碳化混凝土 篇2
摘要: 许多既有的钢筋混凝土建构筑物都存在着各种各样的病害和损伤,尤其是随着时间的推移,一大批已建钢筋混凝土建构筑物由于施工质量原因或年久失修及老化出现了很多结构性的病害,而无法正常使用.如何迅速准确地对这些建构筑物进行检测、判断其受损程度、以及做好加固改造处理,在总体安全、经济的前提下,最大限度地延长结构的功能与使用寿命,是土木工程领域里的一个主要热点问题,对于受损及病害钢筋混凝土建构筑物如何做到准确的检测鉴定并修复加固是关系到安全、正常使用和经济的重大问题.对其进行研究具有重要的现实意义.本文介绍了混凝土碳化和钢筋锈蚀的发生机理与影响因素,分析和讨论了混凝土碳化和钢筋锈蚀对材料性能的影响.本文根据收集现有的理论成果总结混凝土碳化和钢筋锈蚀的检测方法,并分析提出修复和加固处理方法.关键词:钢筋混凝土结构 钢筋锈蚀 混凝土碳化 检测 加固
正文: ①钢筋锈蚀的发生机理与影响因素;
钢筋混凝土结构随着时间的推移将发生钢筋锈蚀、混凝土碳化等影响建筑物正常使用的病害.钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因.混凝土保护层不够,混凝土结构有裂缝,结构中有外露的钢筋头，水和空气渗透作用,混凝土质量没有满足密实要求，有空洞；或者混凝土标号太低（低标号混凝土不密实）,钢筋锈蚀原因主要就是谁和空气侵蚀，使钢筋产生氧化,混凝土中钢筋锈蚀的条件是受氧化，如果保护层不够，或者水中有腐蚀性物质就会锈蚀的.由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳碳化至钢筋表面，使钢筋周围碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子较高，均可引起钢筋周围氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，从而生成氢氧化铁锈蚀物。
（1）尽管高掺量硅粉的火山灰反应使碱度下降，但钢筋不生产宏电池锈蚀。其原因是水灰比降低和硅粉的火山灰反应时孔结构致密化，导致电极电阻增大。掺硅粉的HPC的高度致密的孔结构大大降低了电解电导率-------钢筋锈蚀的基本条件。
钢筋锈蚀后，其氢氧化铁修饰物体积比原来增长约2~4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗出到混凝土表面。由于锈蚀，使钢筋有效截面面积减小，钢筋与混凝土握裹力消弱，结构承载力下降，并诱发其他形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。
因为混凝土硬化后，表面混凝土遇到空气中二氧化碳的作用，使氢氯化钙慢慢经过化学反应变成碳酸钙，使之碱性降低，碳化到钢筋表面时，使钝化膜遭到破坏，钢筋就开始腐蚀，众所周知，大气是二氧化碳的主要来源，大气中通常含0.2%-0.3%的二氧化碳，而且只要有大气存在的地方，就必然存在二氧化碳，对于普通的硅酸盐而言，水化产生的氢氧化钙可达到整个水化产物的10%-15%，它作为水泥水化产物之一，一方面，它是混凝土高碱度的提供源和保证者，对保护钢筋起着十分重要的作用；另一方面，它又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反应，使混凝土碳化，并逐步延伸钢筋，使钢筋开始锈蚀。
混凝土属于碱性材料，其孔隙溶液的PH值为12-14，因而对钢筋具有较好的保护作用，有利于钢筋表面形成保护钢筋的钝化膜，但这种钝化膜只有在高碱环境中才是稳定的。如果周围环境PH值降到11.8时，钝化膜就开始变得不稳定，当PH值继续降到9.88时，钝化膜就开始变得难以生存或逐渐破坏，使得进入混凝土中的氯离子吸附于钝化膜处，并使钝化膜的PH值迅速降低，逐步酸化，从而使得钝化膜被破坏。
无论混凝土碳化还是氯离子侵蚀，都可以引起钢筋部分锈蚀，在钝化膜破坏处有腐蚀电流产生，在钝化膜破坏还与未破坏区这间存在电位差，有宏电流产生，但微电流要比宏电流大得多。又因为氯离子的存在大大降低了混凝土的电阻率，并且氯离子和铁离子的结合可以形成易容于水的氯化铁，从而加速了腐蚀产物向外的扩散过程，并由于宏观腐蚀电流在钝化膜破坏区边边缘最大，使得靠近钝化区的边缘的局部钝化膜破坏较快，这种现象称为局部锈蚀钢筋的“边缘效应”。正是由于混凝土结构中氯离子的存在，大大降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，强化了离子通路，提高了腐蚀电流的效率，从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程，氯离子对混凝土中钢筋锈蚀更严重更快速.而氯化物是钢筋的一种活化剂，它能置换钝化膜的氧而使钢筋发生溃烂性腐蚀，而氯盐是高吸湿性的盐，它能吸收空气中的水分变成液体，从而使氯离子从扩散作用变成渗透作用，达到氯离子，透过保护区去腐蚀钢筋的目的。
（2）混凝土硬化以后，表面遭受空气中二氧化碳的作用，氢氧化钙慢慢变成碳酸钙而失去碱性通常称之为混凝土的碳化，或者中性化。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电流，而且加速了电流的作用过程，阳极反应过程Fe→2e→Fe2+,如果生成的Fe2+不能及时搬运而积累于阴极表面，则阴极反应就会因此而受阻，相反，如果生成的Fe2+能及时被搬走，那么。阳极反应过程就会顺利乃至加还进行，Cl与Fe相遇就会生成FeCl2，Cl能使Fe消失而加速阳极过程，通常把阳极过程受阻称做阳极极化作用，而加速阳极过程者，称作阳极去极化作用，氯离子正是发挥了阳极去极化作用的功能。
应该说明的是，在氯离子存在的混凝土中，钢筋通常的锈蚀产物很很难找到FeCl2的存在，这是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子，立即生成Fe(OH)2的一种沉淀物质又进一步氧化成铁的氧化物，即通常说的“铁锈”，由此可见，氯离子只起到了“搬运”的作用，而不被消失，也就是说进入混凝土的氯离子，会周而复始地起破坏作用，这也是氯盐危害特点之一。
水泥中的铝酸三钙，在一定条件下，可与氯盐作用生成不溶性“复盐”，从而降低了混凝土中游离氯离子的存在，从这个角度讲，含铝酸三钙高的水泥品种有利于氯离子的侵害，海洋环境中优先选用铝酸三钙含量高的普通硅酸盐水泥，然而，复盐只有在碱性环境下才能生成和保持稳定，当混凝土的碱度降低时，复盐会发生分解，重新释放出氯离子来。在做钢筋锈蚀实验不难发现，如果大面积的钢筋表面上具有高浓度的氯化物，则氯化物所引起的锈蚀是均匀的，但是在不均质的混凝土中，常见的局部锈蚀，导致点蚀.首先则是在很小的钢筋表面上，混凝土孔隙液具有较高的氯化物浓度，形成破坏钝化膜的具备条件，形成小阳极，此时，钢筋表面的大部分仍具钝化膜，成为大阳极，这种特点的由大阳极、小阴极组成的锈蚀电偶，由于大阴供养充电，使小阳极上的铁迅速溶解而产生沉淀，小阴极区局部酸化，同时，由于大阴极区的阴极反应，生成氢氧化根离子，PH值增高，氯离子提高了混凝土的吸湿性，使得阴极与阳极之间的混凝土孔隙的欧姆电阴降低，这几方面的自发变化，将使上述局部锈蚀电偶得以自发的一局部深入形式继续进行。
（3）混凝土中的钢锈是一电化学过程，它由钢表面的电阻，与钢接触的水泥浆体的PH值及电解质如氯化物及氧向混凝土的扩散所控制。在荷载作用下受弯引起的混凝土的裂纹导致CL-及其他离子更快的扩散至钢筋。这些个别地方的锈蚀因锈蚀产物的聚集又导致进一步开裂。
试验结果表明，混凝土中的钢筋锈蚀与通氧程度和掺盐量关系最大，其中通氧程度又是其中的最关键因素，因为氯盐的保锈作用只在氧气比较充足的情况下，才能表现出来。当氧气不足时，钢筋锈蚀量主要取决于氧的通入程度：绝氧时，不论掺盐多少钢筋都未锈蚀。当通氧容易时，随着氯盐掺量的增加，锈蚀量直线增长，掺加5 ％的氯盐，4 个月内钢筋锈蚀4g，掺和20％的氯盐，锈蚀量增加至5 g，占钢筋重的5.1 %。当通氧困难时，无论CaCl2,还是NaCl，钢筋锈蚀量均与盐量成抛物线关系，即掺盐量对钢筋锈蚀的影响有一个最大的极限值，掺盐量超过最大极限值时，掺盐量再增加，钢筋锈蚀是反而减小。
明显看出掺盐量为2％～4％NaCl 和6％～8 ％NaCl，的钢筋锈蚀量最大。如掺加1％NaCl，一年时间钢筋锈蚀0.36g,掺盐量增加到3 ％，钢筋锈蚀量增至最大0.6g,掺盐量继续增加，钢筋锈蚀量急剧减少，掺盐量增加到20％，钢筋锈蚀量减少到0.1g,仅为1％NaCl 的27% 和3％NaCl 的17％。同时钢筋锈蚀速度逐渐减慢，试验龄期一年以后，锈蚀速度更慢，直到四年龄期的三年时间内，锈蚀量几乎没有增加。将通氧容易时与通氧困难时的试验进行比较明显看出，掺氯盐数量相同时，通氧容易和通氧困难两种不同条件下的钢筋锈蚀量相差很大，且掺盐量越高，相差越大，即通氧容易的钢筋锈蚀量比通氧困难的锈蚀量高10～100 倍。
（4）由于在氯离子环境下，钢筋一旦开始锈蚀，发展即非常迅速，腐蚀发展阶段与锈蚀诱导阶段相比非常短，所以在现有研究中，对海洋环境和除冰盐环境，通常将腐蚀诱导期定义为混凝土结构的使用寿命。这样，临界浓度的确定对于评估钢筋锈蚀的情况和结构寿命的预测都具有重要的意义。
②混凝土碳化发生机理和影响因素;(1)发生机理:拌和混凝土时，硅酸盐水泥的主要成份CaO水化作用后生成Ca（OH）2，它在水中的溶解度低，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的储备，它的PH值为12.5～13.5。空气中的CO2气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与其中的孔隙液所溶解的Ca(OH)2进行中和反应。反应产物为CaCO3和H2O，CaCO3溶解度低，沉积于毛细孔中。该反应式为：
Ca（OH）2+CO2→CaCO3↓+H2O
反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为Ca2+和OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进来的CO2反应，一直到孔隙液的PH值降为8.5～9.0时，这层混凝土的毛细孔中才不再进行这种中和反应，此时即所谓“已碳化”。确切地说，碳化应称为碳酸盐化。另外，凡是能与Ca（OH）2进行中和反应的一切酸性气体，如SO2、SO3、H2S以至于气相HCI等，均能进行上述中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化应广义地称为“中性化”。混凝土表层碳化后，大气中的CO2继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散，更深入地进行碳化反应。碳化后的混凝土质地疏松，强度降低。(2)影响因素: Ⅰ;环境条件
因为碳化是液相反应，十分干燥的混凝土即一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土很难碳化；在空气湿度50%～75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；但在相对湿度>95%的潮湿空气中或在水中的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、温度愈高，混凝土碳化也愈快；混凝土碳化速度与空气中CO2浓度的平方根成正比。Ⅱ;水泥品种
一般说来，普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快，掺混合材的水泥碳化速度更快，混合材掺量越大，碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂，可以大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，使碳化减慢。尤其是加气减水剂，由于抗冻性提高，可以大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。Ⅲ;水灰比
混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系，混凝土的透气性越小，碳化进行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实，透气性小，因而碳化速度就慢。同理，单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。Ⅳ;浇筑与养护质量
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，CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。
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。如果混凝土浇筑时不规范，特别是振捣不密实，以及养护方法不当、养护时间不足时，就会造成混凝土内部毛细孔道粗大，且大多相互连通，严重时会引起混凝土再现蜂窝、裂缝等缺陷，使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部，从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀。
③混凝土碳化对材料性能的影响;(该结果通过对实验结果的分析所得)结果如下:(1)基本力学性能
各种强度等级混凝土的抗压强度、抗拉强度及弹性模量在碳化前的结果如表1。碳化后的测试结果见试验结果汇总表2。
表1混凝土的强度及弹性模量
表2 试验结果汇总
对比表1和2中的数据可以看出，碳化后各种强度等级混凝土的立方体抗压强度有明显提高，提高大约1．25倍左右，但抗拉强度没有明显变化，因此，工程中可按抗拉强度不变考虑。从材料学上来分析这一现象是：由于混凝土碳化后变得更密实，孔隙率降低，而且孔隙内壁的Ca(OH)2转化成了CaCO3，所以混凝土的抗压强度会提高。不同强度等级混凝土碳化前后强度的变化如图1,2所示:
图1：碳化前后抗压强度的变化
图2：碳化前后抗拉强度的变化（2）应力应变关系曲线
混凝土碳化以后，由于从材料微观结构上发生了一系列的变化，导致宏观受力性能改变。碳化前后混凝土棱柱体破坏形态无大的变化，都是产生锥状裂缝劈裂破坏，到达极限荷载后，随着变形的发展，表面凝土剥落。碳化前后的应力应变关系如图3、4、5所示。由碳化前后的应力应变对比曲线图看出，混凝土碳化以后棱柱体抗压强度变高，同立方体抗压强度试验结果相符合，但是峰值应变相对碳化前没有明显提高，基本变化不大，弹性模量有一定程度提高。碳化后应力应变曲线中，上升段更接近直线，斜率变大，下降段变陡，比碳化前的混凝土更脆。
图3：混凝土碳化前后
图4：混凝土碳化前后 应力应变曲线图（C20）
应力应变曲线图（C30）
图5：混凝土碳化前后
图6；不同程度碳化混 应力应变曲线图（C40）
凝土应力应变曲线图 同济大学朱伯龙教授给出了不同程度碳化混凝土应力应变曲线，没有说明试验方法和试件的有关情况，曲线如图6。图中所示混凝土不同程度碳化后的强度都有所提高，峰值应变减小电比较明显，和本文试验结果有一定的出入，本文峰值应变的减小并不是很明显，大约在0．001ε。同时对碳化后钢筋混凝土受弯构件和压弯构件性能的试验，得出的结果都是强度略有提高，但延性降低，延性系数随碳化深度的增加而降低的情况如表7。
表7：延性系数随碳化深度的变化
④钢筋锈蚀对材料性能的影响;❶锈蚀钢筋的强度
钢筋锈蚀以后，不仅仅造成截面面积减小，而且因为种种原因使其力学性能发生变化，最明显的就是钢筋屈服强度、极限强度的降低，随着锈蚀率的不同，强度的降低程度也不同。事实上，锈蚀钢筋的实际屈服强度和极限强度分别为锈蚀钢筋的屈服荷载和极限荷载与钢筋实际截面面积的比值，其与钢筋锈蚀截面损失率之问的关系并不明显，因此，所谓的锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度指的是锈蚀钢筋的实际屈服荷载和极限荷载与钢筋公称面积(即未锈时的面积)之比，显然小于钢筋未锈时的强度。从宏观上看，锈蚀钢筋强度下降的原因主要有二，其一是钢筋锈蚀以后有效截面面积减小，从而使其所能抵抗的拉力减小；其二是锈蚀钢筋的表面凹凸不平，受力以后严重的应力集中使其所抗拉力进一步减小。锈蚀钢筋强度的降低与锈筋截面损失率之间的关系可以分为如下四种情况：
(1)当钢筋截面损失率小于1％时，钢筋表面仅有一层浮锈，钢筋的屈服强度、极限强度与母材相同。
(2)对于截面损失率小于5％，且沿钢筋长度发生均匀锈蚀的弱腐蚀钢筋，钢筋的失重率近似等于截面面积损失率，钢筋的屈服强度和极限强度可以与母材相同来考虑，钢筋承载能力的降低与钢筋截面面积损失率基本成正比，此时，可以简单地用锈蚀钢筋的实际截面面积乘以屈服强度、极限强度获得钢筋的承载力。
(3)对于截面损失率大于5％小于20％的钢筋，由于混凝土材料的不匀性、使用环境的不稳定性、钢簸各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异越大。(4)当截面损失率大于20％时，则按无屈服点的热轧钢筋处理。❷锈蚀钢筋的变形
钢筋锈蚀后，极限伸长率明显下降，塑性降低，通过试验研究发现，当截面损失率小于5％时，热轧钢筋的应力一应变曲线仍具有明显的屈服点，钢筋的伸长率基本上大于规范最小允许值，而当截面损失率大于10％时，钢筋的屈服点已经不很明显。伸长率则大于规范堤小允许值。钢筋锈蚀后的伸长率降低程度远远大于截面面积的损失率，当截面损失率大于5％时，具有局部坑蚀的钢筋蚀后伸长率与截面损失率的关系可由下式表示：
一般，在正常的工艺制度和化学成分范围内生产出来的热轧钢筋都有明显的屈服点和一定的屈服台阶，并且混凝土结构用钢的厢强比一般在0．67以内。然而随着钢筋锈蚀的加剧，锈蚀钢筋极限抗拉强度的降低比屈服强度的降低更快，屈服台阶缩短，屈强比增大，屈服点趋于不明显甚至消失，容易引起结构或构件的突然破坏。❸锈蚀钢筋的弹性模量
图8为不同锈蚀率钢筋的应力一应变曲线放在一起的图形。从图中可以看出：在钢筋锈蚀率小于20％时，应力一应变关系曲线的形状很相似，钢筋屈服时的应变与未锈时近似相等。不同的是钢筋锈蚀以后，屈服点降低，屈服平台缩短，极限强度和极限应变减小，且随着锈蚀率的增大，屈服点、极限强度和极限应变减小的越快，屈服平台也越不明显，当锈蚀率大于20％时，钢筋已没有屈服台阶。
图8: 筋不同截面锈蚀率的应力应变关系
⑤混凝土碳化的检测方法和修复与加固处理方法；
1.在砼表面可采用适当的工具在测区表面形成直径约15mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度（大于10mm）或者直接在柱角或梁角敲一块混凝土下来；
2.用洗耳球或小皮老虎吹掉灰尘碎屑，并不得用水擦洗；
3.在凿开的砼表面滴或者喷1％的酚酞酒精溶液；
4.用游标卡尺或碳化深度深度测定仪测定没有变色的砼的深度。
5.2.1 环氧厚浆涂料 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多种成份组成，适用于混凝土表层封闭。它具有以下一些特点：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、物理机械性能好。该涂料附着力强，涂层坚硬耐磨，耐热性及电绝缘性好。③、密封性能好。该涂料涂刷后能完全密闭受涂物表面，耐水、耐湿。④、保护周期长。使用寿命在12年以上。⑤、施工方便。既适合手工涂刷，又适合机械喷涂。
2.施工工艺（1）表面处理
混凝土表面处理是除掉混凝土上的污迹、浮物，一般有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上来回拉刷，直至除掉混凝土表面的污迹，再用水清洗。机械清理常用喷砂及高压水、高压气冲洗，以不损伤混凝土表层为限。表面处理后，对于混凝土上显露出来的裂缝、蜂窝、麻面等缺陷要先进行修补，完全补好后才能进行涂装，这样才能彻底保护混凝土。混凝土表面处理后待完全干燥后才能进行涂装。
（2）涂料使用要求 环氧厚浆涂料分甲、乙两组分，使用时一般按甲、乙组分比7∶1混合均匀后使用。配制量要根据需求适量配制，及时用完。二次涂装要在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。
（4）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250μｍ左右，用量0.5～0.6kg/m2。
5.2.2 硅粉砂浆
硅粉砂浆由普遍水泥砂浆掺和硅粉拌制而成，适用于混凝土碳化层凿除后的重新粉刷。硅粉砂浆因其优越的力学性能和抗渗性能而尤其适用于船闸、通航节制闸闸室岸翼墙墙面的防碳化处理。
根据试验，其抗冲磨性能比C60水泥砂浆高1.5倍，其抗压强度达120MPa，抗拉强度5.2MPa，粘结强度3.6MPa，CO2浓度为30%的28d碳化试验的碳化深度为0。
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、粉硅粉砂浆，养护14d。硅粉砂浆粉层厚度一般为2cm左右。
5.2.3 混凝土结构变形缝的缝面处理
混凝土结构变形缝的缝面处理难于一般方法进行防碳化处理。为阻缓缝内混凝土的继续碳化，并能满足变形缝的变形要求，对于水上部位的变形缝，可采用华东水利设计研究院研制的SR嵌缝膏进行表面封闭；对水下部位的变形缝，可采用南京水利科学研究院研制的SBS改性沥青灌注封闭，能起到闭气止水的双重作用。
⑥钢筋锈蚀的检测方法、预防措施、修复与加固处理方法.❶检测方法；
目前，混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学法三大类。分析法是根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的侵入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据，综合考虑构件所处的环境情况，利用文献中所述的钢筋锈蚀计算模型，来推断钢筋锈蚀程度；物理方法主要通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况；电化学方法通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。
分析法的应用有赖于建立合理可靠的钢筋锈蚀实用预测模型，但到目前为止，还没有既有充分理论根据、又有大量工程实例验证的数学模型，因此将分析法用于混凝土中钢筋锈蚀评估还有待于进一步研究。
用于混凝土中钢筋锈蚀检测的物理方法主要有电阻棒法、涡流探测法嘶引、射线法、及红外热像法。电阻捧法测量钢筋锈蚀是钢筋截面积和表面状态发生变化引起的电阻值变化，利用导电原理间接推算钢筋的剩余面积；涡流探测法通过测定励磁电流与发生在钢筋内的次生波的相位关系来判断钢筋的锈蚀情况。射线法拍摄混凝土中钢筋的x射线或Y射线照片，直接观察钢筋的锈蚀情况；红外热像法通过测量混凝土表面的温度分布图分析钢筋锈蚀程度。但到目前为止，物理方法还主要停留在实验室阶段。
混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，电化学测量是反映其本质过程的有力手段，与分析法或物理方法比较，电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点，因此电化学检测方法得到了很大的重视和发展，在实验室已经成功地用于检测混凝土试样中钢筋的锈蚀状况和锈蚀速度，并已开始试用于现场测试。电化学检测方法有自然电位法(又叫半电池电位法)、交流阻抗谱法、线性极化法恒电量法、电化学噪声法、混凝土电阻法和谐波法等。其中，现场检测最常用的是自然电位法和线性极化测量技术。❷预防措施； Ⅰ.基本措施
基本措施就是致力于提高混凝土自身的防护能力。由于钢筋腐蚀的最直接原因是其表面保护膜的破坏，因此，完好的混凝土对其内部钢筋的防腐蚀提供了第一道屏障。最大限度的保证混凝土自身密实完好、保持高碱度和防止有害离子入侵，是钢筋混凝土防腐蚀措施的出发点。采取的主要措施为：
(1)设计合理的混凝土配合比，严格控制混凝土的水灰比我们知道，水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率越大，密实性越差，渗透性也就越大，碳化速度也越快。此外，由于碳酸化是混凝土中碱性物质被中和的过程，因而保持混凝土的高碱度，即采用当的水灰比，提高混凝土的水泥含量，是十分必要的。
(2)在混凝土中掺入粉煤灰等外加剂，提高其抗渗性国内外许多研究表明，在掺用优质粉煤灰等掺和料时，在降低混凝土碱性的同时能提高混凝土的密实度，改变混凝土内部孔结构，从而能阻止氯离子和氧气与水分的渗入，这对防止钢筋锈蚀是十分有利的。近年来，我国的研究工作还表明，掺入粉煤灰可以增强混凝土抵抗杂散电流对钢筋的腐蚀作用。
(3)采用机械振捣和机械搅拌，保证混凝土的密实度因为二氧化碳在具有开放一连通式微孔结构的混凝土中更容易侵入，所以，正确执行混凝土施工过程中的捣实和养护操作规程，减小微孔尺寸，降低微孔连通程度，对于提高混凝土抗碳酸化能力也是非常关键的。
除了采取以上几种提高混凝土自身性能的方法外，增加混凝土保护层厚度、严格控制周围环境中的氯离子含量、应用较大直径的钢筋、提高桥梁的施工工艺等都有利于钢筋的防腐。
Ⅱ.附加措施
对于一般钢筋混凝土结构工程，由于环境、施工及材料本身等一些因素的影响，混凝土表面必然会产生裂缝，因而钢筋的锈蚀就不可避免。为了更好的防止结构因钢筋锈蚀而发生破坏，采取一些附加措旌是必要的。主要有：
(1)在混凝土表面涂层对修补过的混凝土结构甚至新浇注的混凝土结构，在其表面加覆盖层、隔盖层、水泥基、聚台物、树脂类涂层等，作为第一道防线往往是一种比较简单、经济和有效的辅助性保护措施。这些外涂层有隔离腐蚀环境的功能，对于保护混凝土自身、保持碱度和防止有害离子入侵都是有效的。
(2)采用耐腐蚀钢筋(环氧涂层钢筋)在钢筋表面涂刷坏氧树脂，对于防止高强钢筋的应力腐蚀和脆性断裂，是十分有效的。虽然涂刷环氧树脂钢筋的造价是普通钢筋的2倍，但在美国已被广泛应用，在英国也被接受和采用。(3)使用钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂通过影响钢筋和电解质之间的电化学反应，可以有效地阻止钢筋腐蚀发生。实践证明，拌制混凝土时掺入阻绣剂是预防恶劣环境中钢筋腐蚀的一种经济有效的补充措施，亚硝酸盐是近20年来已经大规模应用的钥簏阻锈剂。
(4)应用电化学防护法钢筋的腐蚀最终属于电化学腐蚀，因此，解决钢筋腐蚀问题的最贴切、有效的方法理应是采用电化学防护技术。目前，电化学防护技术主要有以下三种：(I)降低
电势至免疫区一阴极保护阴极保护法是将外加直流电源的负极与被保护的金属相连接，通过外加电源使被保护的金属成为阴极，并发叫：极化；或通过外加牺牲阳极，使被保护金属的整体成为阴极。(II)提高电势至钝化区使阳极极化一阳极保护阳极保护法是把被保护的金属构件与外加直流电源的正极相连，使金属构件成为阳极，并在一定的电解质溶液中被极化。(III)提高介质pH值至钝化区一高碱度保护原理同混凝土如何保护钢筋。
碳化混凝土 篇3
摘要：为研究碳化对反复荷载下混凝土力学性能及本构关系的影响，本文通过碳化混凝土棱柱体试件单调及反复荷载试验，得到各试件应力应变曲线及骨架曲线，考虑到碳化混凝土构件的截面尺寸效应，从混凝土碳化率的角度对比分析了单调及反复荷载下碳化对试件破坏形态、混凝土强度、弹性模量、峰值应变及极限应变的影响.试验表明：随着反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累，其应力应变曲线下降段比单调荷载下的更为陡峭，破坏较为突然，反复荷载碳化混凝土延性变差；反复荷载下随着碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值应变有所降低，但变化不大；而峰值应力均有所提高，极限应变均有所降低.根据试验结果引入与碳化率相关的下降段参数修正系数建立了碳化混凝土反复荷载作用下应力应变本构关系，通过与试验对比分析表明本文确定的本构关系与试验结果较为吻合.
关键词：混凝土；碳化率；反复荷载；本构关系；力学性能
中图分类号：TU528文献标识码：A
混凝土碳化是影响结构耐久性的重要因素之一[1].国内外学者对混凝土的抗碳化问题[2]、碳化的影响因素[3]、多因素作用对混凝土抗碳化性能的影响[4]、碳化模型[5]以及应力状态和应力损伤对碳化混凝土的影响[6-10]进行了研究.研究结果表明：碳化混凝土峰值应力提高，极限应变降低，弹性模量增加，延性降低，脆性明显增加.混凝土本构关系是研究混凝土结构承载力和变形特征的基本依据，是分析构件极限承载力和进行非线性全过程分析时必不可少的，对碳化后的混凝土的本构关系进行研究，既为既有建筑物的耐久性及抗震性能分析提供了理论依据[11]，也对钢筋混凝土结构的耐久性设计有着重要的现实意义.耿欧[12]根据试验成果，建立了单调荷载下碳化混凝土受压本构关系.但结构在正常使用过程中，往往承受反复荷载作用，反复荷载下碳化混凝土的力学性能与单调荷载下有所差异.然而目前对碳化混凝土在反复荷载下的力学性能及本构关系研究未见报道，本文以混凝土碳化率为分析参数，通过试验研究碳化混凝土在反复荷载下力学性能及耗能性能的变化规律，并建立反复荷载下碳化混凝土的本构关系，为疲劳荷载、地震作用、风荷载及其他反复荷载作用下碳化混凝土结构性能评估及既有结构再设计提供技术依据.
1试验概况
1.1试件设计
试验依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》[13]及GB/T50081 -2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[14].试验采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件，混凝土设计强度为C35.试件共5组，每组6个，其中3个进行单调受压试验，另外3个进行反复受压试验，见表1.
未碳化立方体试块28 d强度为35.1 MPa，弹性模量为3.13×104 MPa.碳化箱按JG/T247《混凝土碳化试验箱》采用CCB70F试验箱，二氧化碳体积分数为20%±3%，相对湿度保持在70%±5%的范围内，温度保持在20 ℃±5 ℃.
1.2试验装置及加载制度
试验设备采用电液伺服材料试验机，最大压力3 000 kN，精度0.1 kN.试验开始前，将试件受力面磨平，保证两端部与轴线垂直.试验在预加载结束后，设置加载程序，单调加载时开始的加载速度为0.3 mm/min，当应力达到峰值应力的70%时，把加载速度减小到0.1 mm/min，一直到试件破坏.在进行反复加载试验时，与单调加载的加载方式类似，采用的是等位移增幅加载.上升段等位移加载速度为0.3 mm/min，增幅是0.05 mm.卸载段采用力控制，卸载速度为3 kN/s，荷载完全卸载后进行再加载，直至试件破坏.反复荷载加载机制见图1.
2基于混凝土碳化率分析的原因
已有研究通常采用碳化深度作为参数，但相同的碳化深度对截面面积不同混凝土结构或构件力学性能影响不同，采用碳化深度来表征碳化对混凝土结构或构件性能的影响不能考虑实际构件截面的尺寸效应；另一方面，实际结构中同一个构件碳化后各个面由于所处环境不完全相同，导致其碳化深度也不相同，碳化对相同的环境中不同构件的影响也不尽相同，目前还未见有相关文献采用其他碳化参数表征碳化对混凝土力学性能及本构关系的影响.为考虑尺寸效应以便更合理地描述混凝土碳化后力学性能变化规律，本文采用混凝土碳化率作为分析参数来研究碳化混凝土性能，碳化率=Ac/A，即结构或构件的相对碳化面积，如图2所示.其中，碳化面积Ac与截面四周碳化深度b1，b3，h1及h3有关，截面总面积A=bh.
混凝土结构或构件在典型耐久性环境下，达到一定使用年限后，不可避免地发生混凝土碳化，在此定义混凝土碳化率为：混凝土结构或构件截面碳化混凝土面积Ac与混凝土总面积A的比值.
3碳化混凝土力学性能退化分析
各试件均为混凝土压碎破坏，未碳化及碳化率较小试件（T1，T2），临近破坏时混凝土剥落面积较大，裂缝发展相对较多；碳化率较大试件（T3，T4）破坏时混凝土剥落面积较小，裂缝发展相对较少，且贯穿整个试件，与没有碳化的试块相比，破坏较为突然.混凝土碳化后在反复荷载的作用下，在超过峰值应力后，试件表面出现可见裂缝（见图3）.在试验过程中，有些试件在达到最大荷载时，随着碳化率增加，破坏更加突然.当总应变达到3 500～4 500με时，混凝土试件表面形成临界斜裂缝，破坏斜面与单调荷载作用下的类似，不同碳化时间试件反复荷载下破坏形态与单调荷载下基本一致.
3.1单调荷载下碳化混凝土力学性能
单调加载试件应力应变曲线见图4.从图4可以看出，混凝土随着碳化率增加，碳化后混凝土的峰值荷载有所提高.
单调荷载试验主要结果见表2，其中峰值应力取峰值荷载对应的应力值，峰值应变取峰值应力对应的应变，弹性模量取应力应变曲线上原点及0.4 fc点的割线模量（注：fc为试件峰值应力）.根据《混凝土结构设计规范》GB50011-2010附录C2.1条规定，在应力应变曲线的下降段上，当应力（残余强度）减至0.5fc时，所对应的压应变为极限压应变εu.
从表2所示本文试验结果可以看出，随着碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值应变有所降低，但变化不大；而峰值应力均有所提高，极限应变均有所降低.不同碳化率的试件峰值应力、极限应变的变化值不同，当碳化率达到42.2%时，峰值应力提高28.8%，弹性模量增加29.6%，极限应变降低5.5%.
碳化混凝土峰值应力σcp，峰值应变εcp，极限应变εcu及弹性模量Ec随碳化率变化趋势见图5，对其分析见式（1）～（4）.
σcp=（1+0.653）σp（1）
εcp=（1-0.089）εp（2）
εcu=（1-0.137）εu （3）
Ec=（1+0.694）E （4）
式中：σp，εp，εu，E分别为试件峰值应力、峰值应变、极限应变及弹性模量.
由以上分析可知完全碳化后混凝土的峰值应力约提高65%，混凝土碳化后的弹性模量随着碳化率增加而增大，变化趋势与峰值应力一致.
3.2反复荷载下碳化混凝土力学性能
混凝土碳化后反复荷载作用下应力应变曲线如图6.从图6可知碳化后混凝土在反复荷载作用
下随碳化率增加破坏更加突然，试件碳化28 d，碳化率达到42.2%时，混凝土的脆性有明显增大.
反复荷载试验结果见表3，其中各数值计算原则同单调试验.从表3可以看出，随着碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值应变有所降低，但变化不大；而峰值应力均有所提高，极限应变均有所降低.不同碳化率的试件峰值应力、极限应变的变化值不同，当碳化率达到42.2%时，峰值应力提高26.9%，弹性模量增加20%，极限应变降低23.4%，延性降低.
碳化混凝土峰值应力σcp，峰值应变εcp，极限应变εcu及弹性模量Ec随碳化率变化趋势见图7，对其分析见式（5）～（8）.
σcp=（1+0.619）σp（5）
εcp=（1-0.106）εp（6）
εcu=（1-0.459）εu （7）
Ec=（1+0.503）E （8）
式中：σp，εp，εu，E分别为试件峰值应力、峰值应变、极限应变及弹性模量.
碳化混凝土应变延性μc的变化可取碳化后极限应变与峰值应变的比值，见式（9），随碳化率增大变化趋势见图8.
μc=（1-0.459）（1-0.106）εuεp （9）
由以上分析可知：反复荷载下完全碳化后的混凝土的峰值应力约提高61.9%，峰值应变降低10.6%，极限应变降低45.9%，弹性模量增加50.3%，应变延性约降低39.5%.
碳化率/%
3.3反复加载过程中损伤分析
碳化混凝土反复加载过程中损伤从延性损伤度及累积耗能两方面分析，单位体积混凝土的累积耗能可用混凝土应力应变曲线下的面积来表示，延性损伤度可用式（10）来表示.
D=1-E′E（10）
式中：D为混凝土延性损伤度；E′为已碳化混凝土弹性模量；E 为未碳化混凝土弹性模量.
碳化后混凝土的D值及累积耗能见表4.由表4可知，混凝土在碳化后D值增大，混凝土脆性增加，延性损伤度加大.另一方面，混凝土碳化率较小时耗能性能变化不大，当碳化率较大时，虽然强度有所增强，但耗能性能降低，破坏突然.
3.4单调与反复荷载下碳化混凝土力学性能对比
分析
将不同碳化率试件单调加载与反复加载包络线进行对比见图9.从图9可知碳化混凝土在反复荷载作用下的包络线曲线和单调荷载作用下上升段的基本一致，峰值应力变化不大；但由于反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累，其下降段比单调荷载下的更为陡峭，破坏较为突然，反复荷载碳化混凝土延性变差.
4反复荷载下碳化混凝土本构关系
4.1模型选取
目前受压应力应变全曲线方程的类型有多项式、有理分式、三角函数、指数式及分段式等.分段式表达式能够较好地反映混凝土碳化后的应力应变曲线的上升段与下降段，该表达式具有以下几个特点：与试验曲线的几何特征相似度很高，可以较准确、完整地拟合无论上升段还是下降段曲线，能够较真实地反映混凝土受力性能.混凝土受压本构及受拉本构关系采用《混凝土结构设计规范》[15]建议公式.
σ=1-dcEcε（11）
dc=1-ρcn-1+xnx≤1
1-ρcαcx-12+xx>1（12）
式中：αc为应力应变曲线下降段参数； dc为混凝土受压损伤演化参数.
由3.4节可知：反复荷载下碳化混凝土下降段比单调荷载下更为陡峭，为反映这一特性，应对应力应变曲线下降段进行修正，引入与碳化率相关的下降段参数修正系数D来表征.
αc=（0.157f0.785ck+0.905）D（）（13）
D=eaK （14）
式中：K为混凝土未碳化时，根据试验εu/εc推算的αd与规范建议值比值；a为计算参数，见《混凝土结构设计规范》[15]，根据试验结果分析计算（见图10）取为2.249.
在反复荷载下，受压混凝土卸载及再加载应力路径可按下列公式确定：
σ=Erε-εz （15）
Er=σunεun-εz （16）
式中：εz为受压混凝土卸载至零应力点时的残余应变；Er为受压混凝土卸载/再加载的变形模量.
4.2试验验证
基于本文模型计算试件应力应变曲线见图11.
由图11可知本文确定的本构关系与试验结果较为吻合，能较好地反映碳化混凝土在反复荷载下的应力应变曲线.其中上升段吻合较好，下降段尽管对其进行修正，但计算值与试验值仍有一定差别，特别是对于高碳化率试件.这是由于高碳化率试件混凝土脆性加强，另一方面，混凝土在达到峰值应力后裂缝发展并不规律，导致了应力应变曲线下降段不稳定，导致计算值与试验值有所差别.
5结论
本文通过碳化混凝土在单调与反复荷载下的力学性能试验研究，得出的主要结论如下：
1）采用碳化深度来表征碳化对混凝土结构或构件性能的影响不能考虑实际构件截面的尺寸效应，应采用混凝土碳化率作为参数更合理地描述混凝土碳化后力学性能变化规律.
2）混凝土不同碳化率的反复荷载作用下的应力应变曲线包络线与单调加载的基本一致，但由于反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累，其下降段比单调荷载下的更为陡峭，破坏较为突然，反复荷载碳化混凝土延性变差.
3）反复荷载作用下，随着碳化率的增加，混凝土峰值应变及极限应变降低，但变化不大，弹性模量及峰值应力提高.当混凝土完全碳化时，峰值应力提高61.9%，弹性模量增加50.3%，极限应变降低45.9%，应变延性约降低39.5%.
4）根据碳化混凝土试验结果，引入与碳化率相关的本构关系下降段修正系数，建立了碳化混凝土反复荷载作用下应力应变本构关系，通过与试验对比分析表明本文确定的本构关系与试验结果较为吻合.
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混凝土碳化防护研究 篇4
随着经济的持续增长和社会进入现代化时期，社会运输需求总量增长，其需求结构和需求形式也在不断变化。混凝土材料在土木工程中随着经济的发展而运用越来越广泛。因而混凝土材料的强度、适用性、耐久性等强度指标直接影响混凝土结构的性能。影响混凝土结构的因素有很多，比如混凝土的配合比、钢筋强度、混凝土碳化等。本文就混凝土碳化对结构影响机理分析，提出相应的防护措施。国内外对混凝土碳化的研究有了一定的成果，通过相应的试验研究得出混凝土碳化的影响因素与混凝土碳化深度预测模型。对混凝土碳化的研究主要有以下几方面:1)碳化混凝土力学性能;2)碳化混凝土的研究方法;3)碳化深度预测的数学模型;4)碳化机理及混凝土碳化的影响因素;其中，混凝土碳化防护措施处理已成为当今的研究重点，具有重大的实际意义。
1 混凝土碳化机理
一般情况下，混凝土中氢氧化钙溶液的p H值大于12，这种碱性介质在钢筋表面形成一层致密的薄膜，此薄膜难溶于Fe2O3,Fe3O4，对钢筋有很好的保护作用。当钢筋处于钝化状态时，钢筋很难因空气和水的进入导致腐蚀。但是当混凝土的碱度因外界因素降低时，钝薄膜失效，钢筋锈蚀导致结构不稳定。影响混凝土碱度降低的主要原因是空气中二氧化碳与混凝土氢氧化钙作用，生成Ca CO3和H2O，降低了氢氧化钙的浓度。除此之外，水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙和硅酸二钙也会和CO2气体发生反应。混凝土的碳化过程主要如下所示:
2CaO·Si O2+2CO2+r H2O→2CaCO3+Si O2·H2O(4)[5]
混凝土碳化改变了混凝土的化学成分、物理结构，对化学、物理性质有明显的变化。从而导致对混凝土结构整体产生危害。
2 混凝土碳化的影响因素及危害
2.1 混凝土碳化影响因素
由混凝土碳化的过程和机理得知，混凝土碳化主要从两个方面去考虑:1)材料结构本身，从设计配合比、水泥选用、用水量等各方面提高混凝土的密实度;2)从混凝土所处的环境去考虑，尽力延迟二氧化碳进入混凝土结构，以提高碳化能力。比如表面涂材料、养护。
综上所述，影响混凝土碳化的因素具体包括:水灰比、水泥品种和用量、骨料品种与级配、外掺剂等、环境相对湿度、温度、压力以及CO2浓度等、混凝土搅拌、振捣和养护条件。
2.2 混凝土碳化危害
碳化对混凝土结构的危害主要体现在以下几方面:
1)混凝土的初期碳化可以使孔被形成的碳酸钙密封，这对降低碳化层的渗透性和提高强度有一定的作用。随着碳化时间的延长，溶液的p H变小，当p H达到9时，此时远小于钢筋保持钝化状态的条件。碳化降低了混凝土的碱度，同时增加了氢氧离子数量，降低了混凝土对钢筋的保护作用。从而导致钢筋锈蚀，混凝土结构稳定性降低。
2)碳化还会引起混凝土收缩(碳化收缩)，容易使混凝土的表面产生细微的裂缝。
3)碳化影响混凝土的稳定，混凝土结构能否稳定与p H值的大小有很大关系，碳化会降低混凝土的p H值，故破坏混凝土的稳定结构。
3 混凝土碳化防护措施
混凝土的碳化导致混凝土结构出现裂缝、混凝土保护层出现剥落、钢筋产生锈蚀，最终导致混凝土结构整体破坏。混凝土的碳化有如此大的危害性，我们应该积极地采取措施来防治或减缓混凝土的碳化。根据混凝土碳化的过程及机理，我们可以从以下各过程防护碳化，降低碳化速度，延长混凝土碳化年限。
3.1 设计过程防护措施
1)改善配合比提高抗碳化能力。
配合比是提高混凝土碳化的内在措施。提高配合比，我们可以从水灰比、水泥品种、骨料、外加剂这几个方面考虑。
a．水灰比的控制。水灰比是决定混凝土性能的重要参数，对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。水灰比的大小决定了混凝土的孔结构，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率就越大。碳化速度加大。因此，在满足设计条件下，可通过减小水灰比来提高结构抗碳化能力。
b．水泥品种及用量的选择。首先，不同品种的水泥，其主要矿物成分、掺合料品种及其掺量不同，其水化物的碱性物质含量存在较大的差异，尤其是Ca O的含量直接影响混凝土水化物中氢氧化钙的含量。水泥中Ca O含量高，混凝土中氢氧化钙的含量高，吸收二氧化碳能力越大，故对混凝土碳化速度有很大的影响。其次，增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实度;另一方面可以增加混凝土的碱性储备，直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。在工程施工中，应根据工程抗碳化能力的设计要求、环境要求、经济要求等各方面因素，宜优先选用抗碳化能力较强的水泥品种用于混凝土结构施工，如:快硬快早强硅酸盐水泥、硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等。
c．选择优良的骨料。骨料的品种不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响混凝土的密实性。在混凝土强度相同的情况下，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然骨料混凝土的0.56倍。
d．依据条件要求选择外加剂。不同品种的外加剂对混凝土的抗碳化能力有不同作用。一般情况下减水剂能降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力;引气剂能增加混凝土的孔隙含量，导致加快碳化速度。如羟基羧酸盐复合性高性能减水剂能提高抗碳化能力。
2)表面覆盖防护。
表面覆盖防护对提高抗碳化能力有一定的效果，比如用沥青、沥青防水涂料、马赛克和瓷砖覆盖，对延迟碳化有比较明显的效果。为延缓混凝土结构碳化，我们可以在混凝土结构覆盖有机涂料，涂料应满足以下条件:
a．涂料与混凝土有足够的粘结强度，保证涂料与混凝土能牢固结合，并不影响混凝土结构的稳定性。
b．涂料的最低固化时间满足施工及设计要求。
c．涂料有一定的变形能力，能适应温度及其他外界因素的影响而不发生开裂或脱开。
d．具有良好的绝缘性，能防止二氧化碳、水和氧气等其他有害气体的渗透。
e．涂料能协调、美化周围环境。
3.2 施工过程防护措施
施工质量差表现为表面不平，蜂窝麻面多，振捣不密实，养护不善，造成混凝土密实度低，从而使大气中的二氧化碳和水分渗入混凝土结构中，加速了混凝土的碳化速度。为防止有害气体进入混凝土结构中，我们可以采取以下措施来提高混凝土的抗碳化性:
1)改善混凝土的使用环境条件，混凝土的碳化速度与其所处环境中的二氧化碳的浓度成比例关系，因此，在允许的条件下，适当的增大使用环境的湿度、减少二氧化碳的含量，是延缓混凝土碳化的一项有效措施;
2)混凝土浇筑过程中，振捣密实，严格控制混凝土的水灰比，坍落度。务必符合设计规范要求;施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板等不易变形的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固，拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行;
3)科学的搅拌和运输混凝土，及时的养护等各项严格的工艺手段，可以减少渗流水量和其他有害物的侵蚀，以确保混凝土的密实性;
4)混凝土碳化是由于二氧化碳与混凝土的氢氧化钙反应导致结构整体破坏。当混凝土刚施工完时，结构处于养护阶段，此时强度不高，不密实，且是二氧化碳进入混凝土结构的关键时期。研究表明，水泥完全水化所需要的用水量仅为水泥用量的22%～27%，但是由于拆模过早或拆模以后未采取有效的防护措施，导致混凝土表面水流失，水泥中的Ca(OH)2含量偏低，从而加大碳化速度。
我们平时用自来水养护，若我们考虑用带一定碱性的液体来养护，比如含量低的氢氧化钙液体。这样，我们既可以养护混凝土结构，也可以减少二氧化碳进入结构中。能有效的延缓碳化时间。
3.3 使用维护防护措施
工程竣工后，有效的防护措施对延长结构的使用寿命有非常作用。针对混凝土碳化这一影响因素，我们可采取以下几方面措施来提高混凝土的抗碳化能力:
1)在施工组织设计中明确规定检修时间，检测构件的碳化深度。依据碳化程度的深浅采取相应的措施。a．碳化深度较小，则可用优质材料涂刷封闭，防止二氧化碳进入;b．碳化深度大于保护层，钢筋锈蚀，直接影响结构的安全，则应拆除重建。
2)对重要关键的结构物，应定时安排人员检查。如排水设施、水下墩柱是否被撞坏。使结构处于良好的工作状态。
3)制定相应的奖罚制度，防止人为损坏结构。提高人们文明使用公共设施的意识。
4 结语
混凝土结构的耐久性和稳定性直接影响工程安全性。混凝土碳化是其重要影响因素之一，要提高混凝土抗碳化能力，就应从混凝土结构开始施工到使用、养护、维修，自始至终，尽力控制或减少各因素的影响，才能提高混凝土的耐久性和稳定性，达到设计使用要求。
参考文献
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英国的交通低碳化之路 篇5
政府领头，推动交通低碳化
采用全新动力能源是未来汽车发展的必然趋势，也符合全球低碳减排的长远目标。英国人将低碳精神与决心延伸至经济与社会发展的每一根脉络，而交通是一条不可忽视的主神经。英国政府宣称，在不久的将来，在其国内的街道和停车场可以看到越来越多的电动车和充电站。
这个被称为“充电场所”（Plugged-In Places）的计划，由英国政府于去年9月提出，计划耗资3千万英镑来支持建设充电站点，以满足今后越来越多的电动车行驶需求，同时起到培育和壮大电动车市场的作用。该计划将分阶段实施，最初会先在英国3到6个重点城市和地区设置站点，作为电动车技术实际应用的试点区域。这些区域在未来将成为英国发展电动车充电设施的基础性建设，并以这些区域为辐射中心形成全国性的电动车充电站网。
去年2月，前任英国交通大臣阿多尼斯勋爵在宣布该计划时说：“英国会成为电动和低碳汽车的先行者，这就是为什么政府已经承诺投入约4亿英镑的经费，鼓励开发和了解超低排放车辆的原因。”他说，“我们的目标是在5年内，使电动低碳汽车成为日常生活的组成部分，并行驶在英国的大街小巷。尽管仍然有许多工作要做，但是‘充电场所’是让我们坚定地走向低碳未来的重要一步。”商业大臣帕特·麦克法登补充到：“向低碳交通方式转移是汽车工业的一个转折点，而且具有创建新的工作机会和新产业的潜力，比如围绕着充电设施的建设。”
“在我们朝着绿色环保的目标前行时，”在今年9月的一次英国技术战略委员会（TSB）举行的会议上，刚接过交通大臣接力棒的菲利普·哈蒙德也强调说，“交通将起到至关重要的作用。”虽然铁路将是未来远距离城际旅行的首选，但不可忽视的事实是，依然有84%的出行者需要使用汽车。“汽车在复杂的点对点旅途中为人们提供了不可替代的便利。”哈蒙德表示，“我们所提倡的环保，并不是简单地要求人们把车搁在车库里不开。”问题不是出在车上，而在汽车的碳排放上，他认为。
这个雄心勃勃的交通“电动”改造计划，将可能再一次将英国推至这场低碳革命的前沿，并在交通低碳化这个重要性日益凸显的全球化市场赢得极大的竞争优势。
跨界联合，多项目支持
为了加速推动英国电动汽车充电基础设施建设，政府在2009年7月15日成立了跨政府的低排放车辆办公室（OLEV），主要职责是协调和简化政府各部门在该领域的政策，包括创新与技能部、交通部、能源与气候变化部、社区与地方部和财政部，并通过与城市、地区和工业界的联系推动政策的落实。
该办公室的主要工作即为“充电网络基础设施框架”项目，政府将在这个项目中投入3000亿英镑，在3到6个城市试验和建立充电网络。早在2003年英国即建立了由300多个政府部门、汽车与燃料企业、环境组织、科研机构等参与的咨询性组织“低碳汽车伙伴关系”，形成促进低碳交通发展的初步跨界联合。
2009年9月9日，英国技术战略委员会（TSB）与英国交通部共同提出了10个创新研究项目，支持开发用于纯电动和混合动力汽车的先进高效电气系统，资助金额1000万英镑。这些项目是总额为2亿英镑的“综合运输项目”（Integrated Delivery Programme）的第一批，旨在加速英国低碳型汽车的发展，约有30个英国企业与七所大学参与开发工作。
这是技术战略委员会近来对电动汽车技术进行的第二次主要投资，今年6月该委员会宣布了“超低碳汽车示范项目”，将投资2500万英镑为340辆低碳汽车在英国进行18个月的路试提供支持。成立于2004年的技术战略委员会是由英国商务、创新与技能部支持下的非政府部门，主要支持全英国的技术创新活动。
英国技术战略委员会的低碳汽车项目主管约翰·拉夫林认为，目前纯电动车和混合动力车发展的主要障碍是在行驶里程与储存能量之间取得平衡。
委员会希望通过投入使英国居于低碳汽车技术的前沿。目前的重点是开发超高效电动与混合动力车的动力与辅助系统，使能量得到最佳利用。
联合城市，形成充电网
与此同时，英国能源技术研究所（ETI）也启动了名为“联合城市”（Joined-Cities）的专项计划，以协助各大城市部署具有成本效益和兼容性的充电站网络，投资总额达1100万英镑。该计划将致力于建立支持单一的全国性网络，使充电式汽车使用更便利，让更多驾驶插入式电动车的人士能够在英国的主要城市随时随地充电。
这项计划最初将在伦敦、伯明翰、考文垂、格拉斯哥、米德尔斯堡、米尔顿凯恩斯、纽卡斯尔、牛津和桑德兰等城市展开。为此，ETI成立了“智能基础设施顾问组”，将全球系统集成商和主要汽车充电网络提供商集中到一起，包括IBM、西门子、英国Elektromotive公司等业内翘楚都位列其中。
“联合城市计划”和智能基础设施顾问组是ETI于今年7月9日宣布的“充电式汽车经济与基础设施项目”的主要部分。该项目包括了对消费者对充电式汽车态度的评估和对基础设施的支持，ETI将据此确定具有成本效益的基础设施部署和车主刺激策略，以发展可自持的大规模市场。该计划得到了英国科学与创新部的支持，并建立在英国技术战略委员会的“超低碳汽车示范项目”基础上。
该计划已立项来帮助铺设一个全国性的网络，该网络将最终使插入式电动车的使用变得简便，并且能够使其在包括自己家中等任何地方进行充电。
能源技术研究所首席执行官大卫•克拉克说：“我们支持英国各市间进行的合作，这使评估变得简便，并加快插入式电动车市场的发展速度。”
“由于插入式电动车对基础设施的要求较高，所以与汽油和柴油车较量，会存在很大的制约性。现在消费者对于插入式电动车并不了解，他们只关心这些车辆是否具备多种功能，他们是否能负担其费用，以及充电或加油是否方便。”克拉克对电动车的普及显示出了一丝担忧，但面对未来他显得很有信心，“但我们的计划将会帮助提高插入式电动车的多功能性，并使充电变得更加方便，让消费者在面对电动车时少一些后顾之忧。”
从政府“武装”到民间
英国Electromotive公司发明的被称为“充电湾”（Elektrobay）的路边充电站，刚刚获得英国杂志颁发的杰出成就奖。它的外形象是个咪表，电源插座和家用的交流电源插座相同，由于电动汽车需要的能量比家用电器更大，因而为了减少充电时间，充电站的电流量达到了13安培，比家里的空调专用插座的电流量还大1倍多，因而不仅可以为微型电动车充电，也可以为大功率的电动车快速充电。
为了配合英国政府的电动车普及计划，英国政府出资2500万英镑，购买了500个这种路边充电站设置在停车场和路边，方便电动车使用。
伦敦市长鲍里斯·约翰逊说：“使用零污染排放的电动汽车，将大大减少温室气体的排放量，这可改善空气质量并减少噪音污染。我们计划在伦敦建设25,000座充电站，这样可以使电动车的推行更加迅速。我很高兴地看到，伦敦也加入了‘联合城市计划’来帮助加速电动车在全国的发展。”
半数的充电站将由伦敦交通局组织建在伦敦，计划把这些充电站设立在街道以及地下和地面的停车场中。此种充电站的可用性被看作是成功向更加清洁、无污染交通形式转变的关键。它将鼓励汽车产业接受这一向传统汽油和柴油发动机车辆发起的严肃挑战，并能吸引到投资解决减少充电时间和增加每次充电量的问题。
除了基础设施建设投入和鼓励电动车技术研究与开发，政府还在年初宣布了总数达2.3亿英镑的消费者刺激机制，将从明年一月开始为有意购买绿色能源汽车的消费者提供车价25%的优惠，每辆补贴上限为5000英镑。
英国政府单位也以身作则，规定其员工上下班必须使用低污染、低排放交通工具，并且鼓励英国民众也一起支持、参与到这项计划中来。可以看到，英国对于发展电动车充电设施的行动，将要从政府“武装”到企业甚至个人。
混凝土的碳化分析与研究 篇6
1 混凝土碳化的机理与危害
在自然界中空气里包含的二氧化碳、二氧化硫等酸性气体，会与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的PH值逐渐降低，混凝土逐步中性化，这个过程被称之为混凝土的碳化。众所周知，混凝土内部有很多细小的、并不完全贯通的毛细孔，空气中的酸性气体与混凝土毛细孔中以液态形式存储的氢氧化钙、水化硅酸钙等物质发生化学反应，使混凝土的PH值由12——13逐渐降低至8.5——9，这时的混凝土，被称为“已碳化”，或称为“碳酸盐化”。混凝土的碳化过程可用下列化学方程式表示：
混凝土在碳化过程中, 由于二氧化碳和氢氧化钙反应时释放出大量的水分会对碳化层表面产生一定的拉应力, 会使混凝土表面出现细小的裂缝。同时在碳化过程中随着混凝土内部PH值逐渐降低, 碳化的深度也会逐步扩展到混凝土内部, 进而破坏钢筋的保护层, 从而使钢筋发生锈蚀。一旦混凝土内部的钢筋发生锈蚀, 钢筋的体积就会较原先的体积增大3——4倍, 随着钢筋体积的增加, 会使混凝土保护层沿钢筋敷设方向产生胀裂现象, 甚至出现混凝土保护层成块脱落的严重后果。同时由于钢筋的锈蚀会导致其截面减小, 从而降低了构件的承载能力, 甚至可能会造成构件的整体失效。
2混凝土碳化的影响与研究
在实际工作中, 混凝土自然碳化过程非常缓慢, 试验周期长, 为研究混凝土碳化带来许多不便, 所以在现阶段对于混凝土碳化的研究大部分是在实验室模拟碳化环境下人工快速碳化的基础上进行的。然而自然碳化和人工快速碳化由于两者的碳化条件有着诸多不同, 所以大家对两种碳化条件的差别和相关性都十分重视。在经过10年的自然碳化研究的基础上, 对比人工快速研究, 发现混凝土在两种碳化条件下, 其碳化规律可以用公式Xc=表示。这个公式表明了人工碳化和自然碳化的内在联系, 同时也证明了混凝土在自然条件下的碳化也是可以进行预测的。
混凝土的碳化是空气中的二氧化碳等酸性气体通过混凝土的孔隙与氢氧化钙进行中和反应, 逐渐使混凝土碳酸盐化。所以在混凝土的碳化过程中, 二氧化碳与混凝土接触的面积、与混凝土的反应速度等因素都直接影响混凝土的碳化速度。主表现在以下几个方面:
2.1混凝土所采用水泥的品种和数量。在混凝土制作过程中, 水泥的含碱量越大, 后期混凝土的PH值就越高, 这样就能够有效降低混凝土的碳化速度, 增强结构的耐久性。同时如果在混凝土拌制过程中适量地使用一些外加剂, 例如减水剂和引气剂等, 就可以增大混凝土自身的密度, 从而减缓混凝土的碳化速度。如表1所示, 同济大学进行了快速碳化试验。试验表明:混凝土的碳化速度与其使用的水泥用量指数的倒数成正比。
2.2混凝土骨料的品种和级配。根据实验得出, 混凝土搅拌过程中, 在水灰比相同的条件下, 轻骨料的混凝土要比普通混凝土的碳化速度快得多。这是因为轻骨料混凝土的透气性大于普通混凝土, 因而便于二氧化碳在混凝土内部扩散, 从而加快了其碳化速度。在混凝土拌制时, 良好级配的骨料会有效提高混凝土结构的密实度, 进而减缓其碳化速度, 提高期耐久性。
2.3水灰比。混凝土碳化的速度与其本身的透气性联系紧密, 透气性小, 则碳化速度慢。在混凝土拌制过程中, 如果保持水泥的用量不变, 水灰比的不同会直接影响混凝土本身的密实度。水灰比大, 混凝土内部的孔隙率就会变大, 相应的空气中的水分和二氧化碳等酸性气体就会更便于进入混凝土内部, 也就会加速其碳化。国内外相关文献表明, 水灰比与混凝土碳化的速度呈线性关系, 碳化速度系数与水灰比关系表达式为:K=12.1W/C——3.2, 其中K为碳化速度系数, W/C为混凝土水灰比。
2.4粉煤灰在混凝土中的掺入量。在混凝土中掺入适量的粉煤灰可以改善混凝土的和易性, 降低混凝土温度上升等, 特别适用于泵送混凝土的运输及浇筑成型。实验证明, 粉煤灰在混凝土的掺和比例越大。在相同掺量的情况下, 用超量的粉煤灰取代水泥要比等量取代水泥形成的混凝土的密实性大为提高, 减缓了混凝土的碳化速度。
2.5混凝土的施工方法。在混凝土浇筑养护过程中, 由于工人操作方法不当, 浇筑振捣不密实, 就会造成已经成型的混凝土形成蜂窝麻面, 混凝土内部形成裂缝。这些现象均会加速混凝土的碳化。所以混凝土施工方法和后期养护对于混凝土的碳化有着至关重要的影响。
2.6混凝土的环境湿度。环境湿度的变化直接影响混凝土内部孔隙水饱和度的大小。环境湿度小, 那么混凝土内部孔隙的含水率就低, 即便空气中的二氧化碳等酸性气体浓度大, 流动速度快, 但混凝土内部的水分不足, 就会减缓混凝土的碳化速度。环境湿度大, 则混凝土中的水分就会阻碍二氧化碳在混凝土中的扩散, 进而影响其碳化速度。实验证明, 只有当混凝土的环境相对湿度在45%——55%之间时, 混凝土的碳化速度最慢。
3防治混凝土碳化的措施
3.1根据建筑物本身设计使用环境的不同, 应选择与之相适应的水泥品种和级别。在满足施工条件的前提下, 应优先选择普通硅酸盐水泥。这是因为普通硅酸盐水泥成分中的熟料含量高, 搀和量较低, 碱度高于其他品种, 所以其碳化速度相对较慢。其他品种的水泥, 如矿渣硅酸盐漂水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的搀和料成分中含有的活性氧化硅与氢氧化钙反应, 会降低混凝土的碱度, 导致混凝土碳化速度的加快。
3.2配制混凝土时应选择材质密实, 级配好的优质骨料, 这样所形成的混凝土结构密实孔隙率小, 增强了混凝土的耐久性。另外根据实验可知轻骨料的混凝土较其他混凝土碳化速度快, 在拌制时需添加外加剂, 如加气剂或引水剂等, 以提高混凝土的密实性, 进而减缓轻骨料混凝土的碳化速度。
3.3在防治混凝土碳化的措施中, 适宜的温度、合理的养护、正确的方法都是影响混凝土碳化的因素。例如夏季施工时, 应采用湿草袋等保水材料对混凝土进行覆盖保湿;冬季施工时, 应采用保温材料对混凝土进行保温覆盖, 避免养护不到位而引起的混凝土裂缝。
3.4根据不同的使用环境, 混凝土的钢筋保护层可适当增加厚度, 并且在混凝土外表面涂刷抗渗性和耐久性好的有机防渗材料, 以阻滞二氧化碳等酸性气体的侵入。同时, 对于重要的构件要定期检查, 对于容易碰撞的部位要设置包角等防护措施。
综合以上论述, 混凝土的碳化对于混凝土的耐久性有着巨大的影响, 要想有效控制混凝土的碳化, 作为工程技术人员, 就要从工程设计、材料制作、具体施工等各个环节严加控制。应严格控制水灰比和选择合理的原材料, 加强混凝土的日常养护, 这样混凝土的碳化深度也就可以得到很好的控制。
参考文献
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浅谈混凝土的碳化现象 篇7
混凝土的基本合成原料是水泥、水、砂和碎石。在其形成过程中,核心的化学反应是水泥与水发生的水化反应。水化反应的结果是形成自身具有强度的水泥石,将散粒状的砂与碎石粘结在一起,成为一个坚硬的整体。
混凝土的碳化,是指水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用,生成碳酸盐或其他物质的过程。混凝土是一个多孔体,在其内部存在着很多大小不同的毛细管、孔隙、气泡。空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙和毛细管中,而后溶解于毛细管中的液相物质,与水泥水化过程中产生的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物发生化学反应,形成碳酸钙。这个过程中主要的化学反应表现如下:
混凝土的碳化过程是同时在气相、液相、固相中进行的一个复杂的化学反应过程。
在某些条件下,混凝土的碳化会增加其密实性,但大部分条件下,混凝土的碳化对混凝土是一个有害化学反应过程。碳化会降低混凝土的碱度,破坏钢筋表面钝化膜,致使钢筋锈蚀。同时,混凝土碳化会加剧混凝土的收缩,导致混凝土裂缝和结构破坏,对钢筋混凝土结构的耐久性非常不利。
2 影响混凝土碳化速度的因素
混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散,再溶解于混凝土内部孔隙的水,最后与水化产物发生碳化反应的物理化学过程。因此,混凝土碳化的速度取决于CO2的扩散速度以及与混凝土成分的反应性。而CO2的扩散速度主要受混凝土的密实度、环境中CO2的浓度、环境温度、湿度等条件影响。这些影响因素主要可归纳为以下3个方面。
2.1 混凝土内部因素的影响
1)水泥用量。
水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量。水泥用量越大,混凝土自身的密实度越高,吸收CO2的速度就越小。另外,水泥用量增加,还可以提高混凝土中的碱性储备,对抑制碳化的速度非常有效果。
2)水泥品种。
水泥品种不同,则其包含的化学成分不同,水泥经水化反应后形成的水化物成分也不同。不同品种的水泥,在其水化后对CO2的吸收速度也不同。水泥混合材料的品种和掺量,直接影响着水泥的活性和碱性,也直接影响着混凝土的碳化速度。在同一试验条件下,不同品种水泥拌制的混凝土碳化速度大小顺序依次是:矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥。矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土碳化速度最快。
3)水灰比。
混凝土的水灰比和混凝土的强度有着非常直接的反比例关系。水灰比越小,混凝土的强度越高,其自身的密实度必然也高,反之亦然。混凝土碳化首先是CO2向混凝土内部的渗透过程。在这个过程中,密实度越高的混凝土,CO2的扩散过程中阻力越大,扩散的速度就越慢,混凝土的碳化过程就越慢。另外,混凝土碳化的深度受单位体积的水泥用量或水泥石中Ca(OH)2含量的影响也很大。水灰比越小,单位体积的水泥用量就越大,Ca(OH)2的储备量也越大,混凝土碳化的速度就越慢。在混凝土的拌制过程中,水占据着一定的空间。随着混凝土的凝结过程,水化反应所需以外的水分会蒸发离开原来所占的空间,形成一定数量的微孔或毛细管。这种空间越大,CO2渗透的通道就越畅通,从而使混凝土的碳化速度加快。
4)集料品种和级配。
集料的品种和级配不同,其内部孔隙结构差别很大。级配合理的集料拌制的混凝土,其成型凝固过程中更容易紧密结合,提高混凝土的密实度。另外,试验结果表明,轻砂、轻骨料拌制的混凝土抗碳化能力要远低于普通混凝土。
2.2 外部因素对混凝土碳化的影响
1)施工质量及养护方法的影响。
施工质量的影响主要来源于混凝土振捣不密实或漏振而形成的孔洞等质量缺陷。如果混凝土成型后内部存在较多的蜂窝、麻面、孔洞等质量缺陷,则为空气中CO2的渗入留下顺畅的通道,加快混凝土碳化速度。
混凝土早期的养护状况对其碳化过程也有较大影响。在早期温度适宜、水分充足环境状态下凝固的混凝土,水泥能得到充分水化,形成的水泥石更加密实。早期养护不良而造成水泥水化不充分的混凝土,表层渗透性增大,更容易碳化。
2)外界温湿度的影响。
外界环境温湿度气候条件对混凝土碳化速度具有明显的影响,而且环境温度对碳化速度的影响高于环境相对湿度。在环境湿度不变条件下,随着温度的升高,混凝土碳化速度发生近乎正比例的显著增大;而在环境温度不变条件下,随着相对湿度的增大,混凝土碳化速度相对减小,二者呈近似反比例关系,但幅度要显著低于温度的影响。
3)CO2浓度的影响。
空气中CO2浓度对混凝土碳化速度影响也非常明显。在冬季施工过程中,有时候施工单位采取外部封闭、建筑物楼层生火取暖的混凝土养护条件。这种条件对混凝土强度值上升非常有效,但随之会带来空气中CO2浓度迅速加大,使混凝土的碳化速度明显高于常规养护条件。在其他外部条件保持稳定的情况下,随着CO2浓度的逐步增加,混凝土的碳化反应的速度会迅速加快。
3控制混凝土碳化的措施
混凝土碳化深度过大,会严重影响构件的使用寿命,甚至危及结构安全,应当采取积极措施有效控制混凝土碳化程度。根据以上混凝土碳化机理分析及相关条件影响,我们采取以下几个方面措施进行针对性控制:
1)优化混凝土配合比设计。根据混凝土构件的不同情况,合理设计混凝土配合比。针对有些重要的承重构件,尤其注重从配合比及原材料方面采取控制措施。优先选用普通硅酸盐水泥,尽可能采取较低水灰比,选用合理优良的集料级配。
2)严格控制混凝土施工质量。混凝土浇灌过程中,要做到细心观察,耐心施工,确保构件成型后不存在蜂窝、麻面、孔洞等质量缺陷。施工过程要合理选择振捣器的作业范围,不出现漏振现象,但也要避免出现因过振而导致混凝土分层现象。
3)重视混凝土养护条件。混凝土成型后的养护条件对构件后期效果影响很大。在这个过程中,要根据不同季节采取适当措施,使混凝土处于一种常温高湿状态。冬季要采取覆盖、围护等保温措施,但尽可能不要采取生火加热的方法。夏季根据构件及外部条件情况,采取降温措施。另外,在这个过程中,混凝土表面采取薄膜覆盖措施非常有效,能在一定程度上避免构件与空气的接触。
4)采取有效封闭措施。混凝土拆模后直接与大气接触,这个阶段是混凝土发生碳化的主要阶段。在这个阶段中,采取一定封闭措施,使混凝土构件与大气完全隔离,对控制混凝土碳化有非常明显的效果。目前通常采用涂料封闭法。但在选择涂料时,要注意考虑涂料与混凝土间粘接力、涂料的收缩、模胀系数等因素,不能对混凝土构件在成型过程中发生的微收缩等自身物理变化形成障碍,产生应力。
摘要：从混凝土碳化的概念入手,研究了其碳化机理,从内部因素和外部因素两方面分析了影响混凝土碳化速度的因素,从混凝土配合比设计、施工质量、养护条件及封闭等方面提出了控制混凝土碳化的有效措施。
水工建筑物混凝土碳化分析 篇8
关键词：水土建筑物,混凝土,碳化分析
1 混凝土碳化机理
混凝土具有毛细管-孔隙结构的特点, 这些毛细管-孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡, 水泥石中的毛细孔和凝胶孔, 以及水泥石和集料接触处的孔穴等等。此外, 还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8~10%。
混凝土发生碳化能够带来双重效果, 一个是增强其刚性程度, 减弱渗透效果, 推论得出可能是由于碳化会出现水析出, 使水化效果更快速更充分, 而当中碳酸钙会填充内部空隙。增强密实程度, 但是碳化使酸性增强, 会带来钢筋材料的腐蚀。
2 混凝土碳化影响因素
水工建筑的砼碳化由很多原因造成, 想要分析出具体原因, 应当重内因和外因两方面进行思考, 分析, 实现效果的最强化。
2.1 影响混凝土碳化的内在因素
2.1.1 水泥品种
水泥的品种不同, 矿物含量有异, 添加剂等的数量和种类不一样, 也将导致水泥的性能和碱性程度变化, 这和碳化都有直接关系。通常来说, 熟料的比例越大, 引起的碳化程度就越弱。外加剂都有助于抗震, 减少碳化能力。不过还有氯盐成分的抗低温材料对钢筋有腐蚀作用, 因此要注意控制使用量。把握掺入比例。
2.1.2 集料品种和级配
材料的规格和级配不一样可能带来结构空隙大小的差异, 这直接就导致严密程度的差异。通常密实程度好的材料在碳化发生的速度上也会缓慢, 所以, 密实程度越高越好。
2.1.3 磨细矿物掺料的品种和数量
带有活性水的掺入性材料, 有一些不能单独发生硬化, 但是, 与水泥和石灰再发生化学反应后, 生成的物质就较为稳定, 这会促进碱度状态的减少, 如果其他条件相同。加入的掺入料和水泥的比例数字越大, 碳化发生的程度和速度上就会越高。
2.1.4 水泥用量
水泥量的提升使用。会带来砼的和易性的变化。有利于提升密实程度。另一面有助于碱性能力的增加, 这对于增强抗碳化比例有较强的能力, 水泥的用量越大, 碳化的速度就会放慢。
2.1.5 水灰比
水泥总量不变的情况下, 提升水和灰的比例会提升砼的空隙尺寸和数量, 因此密度下降, 抗渗性减弱。这时候与外部接触的几率变大, 发生反应的几率也变大, 带来碳化速度的增加。
2.1.6 施工质量
振捣不到位也是施工质量不好的一个表现。这会带来强度的下降, 并形成麻面蜂窝的问题。一方面感官质量和强度下降, 另一方面提升与外界互动的几率, 提升了碳化的速率。
2.1.7 养护质量
一个保养合格的混凝土能具有强度高, 紧致, 抗侵蚀抗压的力能力高, 并有助于阻止外部腐蚀性元素进入内部, 抵抗碳化。
2.2 影响混凝土碳化的外界因素
2.2.1 酸性介质
二氧化碳等气体本身属于酸性气体。如果进入混凝土内部之后形成液态的酸, 并与内部的硅酸盐, Ca (OH) 2, 铝酸盐等等发生化学反应。这必然导致成分变化, 总体碱度减少, 碳化直接发生。经过研究可以说明, CO2的浓度越大, 碳化的速度越快, 它们二者是正比例的关系。
2.2.2 温度和光照
温度突然下降会直接引起结构收缩, 这一力的扩展如果超过了混凝土自身的耐受限度就会发生结构性破损, 就是开裂或者部分剥落。这样的结构空隙会给水和二氧化碳的进入带来机会, 促进碳化的发生。
处于阳光直射下的混凝土的温度要高于背阴处的混凝土。二氧化碳的渗入能力很高, 这为它和Ca (OH) 2相互反应打下了基础, 在光和热的作用下, 碳化能力增强, 反应更为剧烈。
2.2.3 含水量和相对湿度
周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度 (如100%) , 使混凝土孔隙充满水, CO2不易扩散到水泥石中, 过低的湿度 (如25%) , 则孔隙中没有足够的水使CO2生成碳酸, 碳化作用都不易进行;当周围介质的相对湿度为50~70%, 混凝土碳化速度最快。因此, 混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻, 主要是湿度影响的结果。
2.2.4 冻融和渗漏
混凝土结构处于进水状态或者水的含量交替变化的时候, 也会带来温度的起落, 反复紧缩和扩张, 令混凝土的密实程度下降, 出现裂纹, 并带来碳化程度的升高。水的流出会导致Ca (OH) 2随之排出, 而在建筑表面产生碳酸钙, 这将会分离砼水化后的物质, 这会带来混凝土强度的严重下降, 钢筋的损伤程度也会进一步提升。
3 混凝土碳化的简易测试
化学检验需要预先清除砼的外层保护膜。再使用酚酞落入表层, 观察混凝土的状态是否发生变化, 变色代表有碳化发生, 利用这一方法也可以检查出碳化的程度和深度。
3.1 酚酞剂的配制
根据实践试验结果得出, 用99%的酒精加1%的酚酞液, 所配制的酚酞剂呈浅色;用96%的酒精加4%的酚酞液, 所配制的酚酞剂呈深色。二者均可用来测试混凝土的碳化情况。
3.2 混凝土碳化判定及其深度检测
首先将所需检测的混凝土表面打凿到需要的测试深度, 然后把表面清理干净, 涂抹或滴入已配制好的酚酞剂。当酚酞剂涂抹或滴入混凝土内1~2分种后, 便有反应。若混凝土变红色, 则混凝土未碳化;若混凝土不变色, 则混凝土已碳化。因为酚酞剂内含有大量酒精, 容易挥发, 所以在测试和观察时速度要快, 要尽快量出混凝土内碳化与非碳化的界面尺寸, 以便得到准确的碳化深度。
3.3 混凝土碳化检测值的取得
由于水工建筑中混凝土结构物的部位不同, 其碳化程度也不尽相同, 所以在进行混凝土碳化测试时, 一定要多测几次, 以其平均值为混凝土碳化检测值。
3.4 测试混凝土碳化凿开面的处理
在混凝土碳化测试工作完成后, 对检测混凝土碳化的凿开面应用环氧树脂砂浆或环氧混凝土作填补封闭处理。
4 混凝土碳化的防止措施
混凝土碳化有混凝土“癌症”之说, 关键是应采取防止措施。
4.1 设计方面
根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素, 分别对混凝土的保护层采取不同的厚度, 应尽量避免一律采用2~3cm。
4.2 施工方面
施工技术是保证混凝土质量的有效办法, 这当中一个是要注意对混凝土材料的着重选择, 好中选优, 保证质量, 通常硅酸盐的抗碳化能力较强, 应优先选用。应当满足必要的操作流程, 例如对于石头的清洗和筛漏要及时, 并注意去除当中的杂质废物甚至腐蚀品。二是外加剂的质量应当过关, 有助于提升混凝土的性能。提升强度, 严密度, 抗低温, 抗渗漏等性质。第三, 应当注意成分比配的严格实行, 水灰比的数值药效, 塌落度要越小越好。并把水的总量控制在操作配料的最小使用度内, 并降低自由水的含有几率。
4.3 使用方面
水工建筑使用上应当和设计规划中的要求相统一, 不可随便更改。如果控制不好, 会引发混凝土与外部条件之间的协调性减弱。而混凝土的成分以及结构必然会发生化学和物理上的变化。特别是混凝土结构容易发生活动和摩擦的地方, 更应当加强包裹和隔离工作。
4.4 管理方面
对于水工建筑的混凝土, 应当从多方面进行养护管理, 应当及时做好检查措施, 增强保养投入, 对重点发病的地方应当特别注意, 派遣人员, 投入时间来进行正规的裂纹和碳化程度的测量, 及时记录。如果已经发生了裂纹和干落的状况, 要马上用涂料等进行修护, 使之与空气和外界侵蚀物相分离, 将问题控制在最小的状态。以免其扩大, 将更加难以收拾。可进行混凝土补强。有助于提升硬度等级。
结语
对建筑砼碳化过程会产生影响的方面很多, 问题形成的原因和状态也较为复杂, 其预防和杜绝的办法多种多样, 应当进一步加强探讨, 本文总结的水工建筑物砼碳化的分析办法也可以利用于相似表征的砼碳化状况中。
参考文献
[1]杨国新.水工建筑混凝土碳化分析[J].内蒙古水利, 2009 (05) .
混凝土碳化影响因素及其对策分析 篇9
关键词：碳化,影响因素,对策,涂料封闭法
0前言
所谓混凝土碳化, 就是由于空气、土壤以及地下水等自然环境中的酸性物质渗入到混凝土当中, 与混凝土中的一些化学元素 (主要是Ca (OH) 2) 发生化学反应, 导致混凝土的酸性值 (p H值) 下降, 从而使混凝土中性化的反应过程。自从名叫“亚斯普丁”的英国工匠在1824年申请了波特兰水泥的专利, 使用水泥作为胶结材的混凝土开始应用于建筑工程中。随着混凝土技术的逐渐发展, 1850年, 钢筋混凝土开始应用于建筑施工, 1928年, 出现了预应力钢筋混凝土, 混凝土从此得到了广泛的应用。近年来随着建设规模的持续扩大, 混凝土的使用量也越来越大, 促使水泥和混凝土的技术不断提高。但是新技术、新材料的应用, 有利也有弊。大掺量矿物掺和料混凝土也越来越多地遭到质疑, 问题之一就是碳化。
混凝土的主要成分有水泥、粗细骨料、水以及外加剂。水泥参与混凝土的拌和中。水泥中主要成分是Ca O, 经水化作用后生成Ca (OH) 2, 混凝土的碳化, 是指混凝土中的Ca (OH) 2与空气中的CO2起化学反应, 空气中CO2渗透到混凝土内, 与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水。使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化, 又称作中性化, 其化学反应式为:Ca (OH) 2+CO2=Ca CO3+H2O, 生成中性的碳酸盐Ca CO3。未碳化的混凝土呈碱性, 混凝土中钢筋保持钝化状态的最低 (临界) 碱度是p H值为11.5, 碳化后的混凝土p H值为8.5~9.5, 可见碳化使混凝土的碱度降低。
1 混凝土碳化影响因素
1.1 混凝土内部因素
混凝土内部因素主要有以下几个方面: (1) 水泥的品种。不同的矿物组成、不同的外加剂、不同的混合材料含量导致了生料化学成分的不同, 从而也就形成了不同质量、不同强度的水泥。水泥品种的优劣直接影响了水泥的活性, 从而也就影响了混凝土的碱性和碳化速度。一般来说, 水泥外加剂如引气剂或者减水剂等能够提高混凝土的抗渗性, 从而降低混凝土碳化的速度, 而水泥中熟料的多少也直接影响了混凝土碳化的速度。 (2) 水灰比的不同。水灰比的大小关系到混凝土的孔隙和密度大小, 影响混凝土的渗透性, 因而也就直接影响了混凝土的碳化。一般来说, 在水泥品种和水泥用量一定的情况下, 水灰比越小, 混凝土的密度越大, 严密性越强, 孔隙减少, 从而大大降低了混凝土的渗透性, 这样就能够很好地降低混凝土碳化的速度。 (3) 水泥用量的大小。水泥用量的增大, 不仅可以提高混凝土的密度, 增强混凝土的严密性, 改善混凝土的和易性, 而且还可以增强混凝土的碱性, 从而达到降低混凝土酸性的作用, 增强混凝土抗碳化的性能。总之, 混凝土的碳化速度和水泥用量大小成正比。此外, 混凝土自身内部的碳化影响因素还包括混凝土的集料品种和级配, 磨细矿物掺料的数量和品种等等。混凝土集料品种严密坚实和级配较高的, 碳化速度也比较慢。 (4) 外加剂的影响。外加剂对混凝土的抗碳化性能的影响与水泥品种有关。高效减水剂能够降低用水量, 改善混凝土的和易性, 从而降低混凝土的孔隙率, 故可提高混凝土的抗碳化能力。掺新型聚羧酸系减水剂比同等条件下掺萘系减水剂的混凝土抗碳化能力强。引气剂为混凝土引入大量的微细气泡, 初期可以在一定程度上抑制混凝土的碳化, 但随着碳化的延续, 引气剂在混凝土内部留下的孔隙成为CO2扩散的通道, 因而会促进碳化的发展。在早期和后期, 减水剂和引气剂双掺对混凝土抗碳化性能影响不同。 (5) 混凝土表面覆盖层的影响。混凝土覆盖层的种类与厚度对混凝土的碳化有着不同程度的影响。气密性覆盖层使CO2渗入混凝土的数量减少, 浓度降低, 可提高混凝土的抗碳化性能。
1.2 自然环境因素
自然环境的好坏适宜程度直接关系到混凝土碳化的速度和强度, 自然环境中的因素是影响混凝土碳化的主要因素。自然环境对混凝土碳化的影响因素主要有: (1) 光照和温度。混凝土温度会影响到混凝土表层的拉力大小, 温度降低, 收缩拉力增大, 可能因拉力超过混凝土的抗拉性能而导致混凝土开裂或者脱落的状况, 从而为水分和CO2等酸性物质渗入混凝土提供了可能并加速碳化。光照和温度是一脉相承的, 光照会影响到混凝土的温度, 同时光照也会影响到空气中CO2的浓度, 并且加强了CO2和混凝土中的Ca (OH) 2的化学反应, 从而加强了混凝土碳化速度。 (2) CO2和Cl-的浓度。根据菲克 (Fick) 第一扩散 (渗透) 定律, 可以得知CO2浓度和混凝土的碳化速度成正比。混凝土中Cl-的浓度决定了Ca Cl2的浓度, 而Ca Cl2具有很强的吸湿能力, 因此直接影响了钢筋的腐蚀和生锈, 增加了碳化速度。 (3) 周围介质的含水量和相对湿度也直接影响了混凝土碳化速度。高湿度能够填充混凝土的孔隙, 降低CO2扩散到混凝土中的可能性, 从而降低碳化速度。相对湿度过低, 混凝土孔隙则会被CO2填充, 从而加快碳化速度。
1.3 人为影响因素
混凝土碳化的人为影响因素主要表现在混凝土施工质量的控制和混凝土施工养护方面。一方面, 从施工质量因素来说, 如果在混凝土施工过程中振捣不密实, 不仅很容易导致混凝土的密度低、强度低、质量低, 而且也会增加出现空洞、麻面、蜂窝等状况的可能性, 从而为大气、土壤和地下水中的酸性物质渗入到混凝土中创造了条件, 加快了混凝土碳化的速度和进程。另一方面, 就混凝土的养护质量来分析, 加强混凝土浇筑后的混凝土养护也是防止钢筋混凝土碳化、保障混凝土施工质量的重要措施。成型后的混凝土, 必须在适宜的环境中进行养护, 如果是冬天施工, 必须做好混凝土的保温工作。如果对混凝土养护得当, 能够降低水泥水化程度, 从而降低混凝土表层渗透性, 降低混凝土碳化速度。养护好的混凝土, 还具有强度高、内实外光、胶凝好、抗侵蚀能力强等特点, 能够很好地给混凝土表层形成一层严密的保护膜, 阻止空气、土壤和地下水中酸性物质的进入, 延缓碳化速度。
2 混凝土碳化对钢筋混凝土结构的影响
2.1 混凝土碳化对结构力学性能的影响
国内外研究的结果普遍表明, 混凝土碳化后抗压强度提高、延性降低, 其静力弹性模量的变化正比于强度的变化, 具有明显的脆性, 对抗震不利。对这一现象的解释是碳化造成混凝土空隙率下降, 提高了混凝土的密实度, 导致其抗压强度提高。此外, 碳化使混凝土产生碳化收缩, 这是由于在碳化过程中, CO2与Ca (OH) 2反应产生大量的水分所致, 混凝土碳化层产生的碳化收缩, 对核心形成压力, 表面碳化层产生拉应力, 可能产生细裂缝。材料性质研究的目的是探明它对构件和结构性能的影响, 因此, 对混凝土碳化现象的研究如果仅仅停留在材料的层次上, 就没有实际的工程意义。目前国内外关于碳化对混凝土构件的影响主要集中体现在混凝土碳化所引起的钢筋锈蚀、降低构件极限承载力和耐久性等方面, 这固然是碳化对混凝土构件性能影响的主要方面, 但混凝土碳化后自身性能的变化也是影响混凝土构件性能的重要方面。碳化后混凝土构件力学性能计算基本假定之一的混凝土结构关系发生了变化, 必然会引起构件力学性能的改变, 目前这方面的研究还很少。有文献认为:“试验表明混凝土碳化后其强度通常会提高, 但这种提高对混凝土结构的意义不大, 因为只有表面区域的混凝土被碳化, 而这只占所考虑混凝土的一小部分”。该评述只注意到混凝土结构的强度, 却忽视了一个重要的方面, 即混凝土碳化对构件的变形和延性产生明显的影响, 在碳化混凝土结构关系研究的基础上, 对碳化混凝土梁受弯特性的试验研究表明, 混凝土碳化引起梁的承载力提高, 但梁的屈服挠度和极限挠度要小于相应的未碳化混凝土梁的屈服挠度和极限挠度, 变形能力降低, 其影响的程度随碳化浓度和配筋率的不同而变化;将碳化混凝土本构关系引入混凝土框架柱的全过程非线性分析中, 初步揭示了新建混凝土和碳化混凝土框架柱的实际轴压比降低, 大致抵消了由于碳化本身引起的混凝土延性降低。但钢筋与碳化混凝土的粘结力可能会降低, 碳化后框架柱试件易发生延性差的粘结破坏。
2.2 混凝土碳化对结构耐久性的影响
碳化使混凝土的碱度降低, 碳化后完全碳化区的p H值由13左右降至9以下, 钢筋表面的钝化膜可能发生破坏而导致钢筋锈蚀。铁锈的体积一般要膨胀2~4倍, 对结构造成三方面的不利影响: (1) 铁锈的生成造成钢筋截面减小, 构件承载能力降低; (2) 铁锈体积膨胀, 使混凝土保护层涨裂甚至脱落, 严重影响结构的正常使用; (3) 铁锈的生成破坏钢筋与混凝土的粘结, 钢筋与混凝土的协同工作能力降低, 甚至造成整个构件失效。由此可见钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性影响十分严重。可以通过研究碳化速度, 估计出碳化至钢筋表面所需要的时间, 从而确定混凝土结构的耐久性或保护层厚度。
2.3 碳化对混凝土结构鉴定的影响
根据在结构鉴定中人们往往只注意碳化引起的钢筋锈蚀对结构承载力的影响, 而忽略了碳化混凝土自身性能改变对结构的影响。如前所述, 碳化会引起混凝土结构延性的降低, 对结构抗震不利, 而现行混凝土设计规范和鉴定标准都没有考虑混凝土碳化后的性能改变, 按未碳化混凝土性能设计的结构, 原来是安全的, 经多年碳化后, 可能变成是不安全的;改造旧房时, 套用现行混凝土设计规范, 按未碳化混凝土性能进行鉴定, 可能会过高估计结构承载力和抗震性能, 造成计算结果失真。碳化混凝土结构抗震性能的研究是一个全新的课题, 目前国内外还没有人系统地从事这方面的研究, 但混凝土碳化对结构抗震性影响却是不容忽略的。GB50011-2001《建筑抗震设计规范》中要求抗震结构体系应具备良好的变形性能和耗能能力, 并规定混凝土结构在多遇地震作用下, 其层间弹性位移应不超过某一规定值。当混凝土结构发生不同程度碳化后, 其构件的强度和刚度提高, 而延性降低, 强度和刚度的提高会使结构受到的地震作用增加, 延性降低会使结构和构件的耗能能力降低, 因此混凝土碳化后会削弱混凝土结构的抗震能力, 在进行混凝土结构鉴定时应适当考虑碳化对抗震性能的影响。
2.4 混凝土碳化对强度影响的分析
混凝土结构工程施工质量验收规范中规定:在混凝土试件强度评定不合格及结构实体检验中, 可采用非破损或局部破损的检测方法, 按国家现行有关标准的规定对结构构件中的混凝土强度进行推定。常用的有回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、后装拔出法等, 其中最常用的是回弹法, 而回弹法中碳化深度对混凝土强度的推定值影响很大。碳化是一个缓慢发展的过程, 在进行混凝土结构及构件强度的检验时, 为取得比较准确的混凝土的实际强度, 应在28 d后尽早进行, 即在未碳化或碳化程度很小时进行, 从而减小因碳化深度过大引起推算的不准确。对泵送混凝土进行回弹检测, 当碳化深度大于2 mm时, 需要进行钻芯修正。
3 防止混凝土碳化的对策
3.1 严格遵循质量管理体系, 增强混凝土的质量
混凝土的质量直接关系到混凝土碳化的速度和深度。在这方面, 要严格遵循质量管理体系的要求和目标, 采取各种措施增强混凝土的质量。首先是要选择好水泥品种, 水泥外加剂, 如引气剂或者减水剂等, 能够提高混凝土的抗渗性, 从而降低混凝土碳化的速度, 而水泥中熟料的多少也直接影响了混凝土碳化的速度。其次, 加强对水灰比的控制, 在水泥品种和水泥用量一定的情况下, 水灰比越小, 混凝土的密度越大, 严密性增强, 孔隙减少, 从而大大降低混凝土的渗透性, 这样就能够很好降低混凝土碳化的速度。最后要切实保障水泥的用量, 水泥用量的增大, 不仅可以提高混凝土的密度, 增强混凝土的严密性, 提高混凝土的和易性, 而且还可以增强混凝土的碱性, 从而达到降低混凝土酸性的作用, 增强混凝土抗碳化的性能。
3.2 采用涂料封闭法, 降低酸性物质的渗透
混凝土的碳化过程就是土壤、空气和地下水中的酸性物渗入到混凝土中发生化学反应, 从而导致混凝土中性化的过程。因此, 为了防止混凝土碳化, 降低混凝土碳化的速度, 必须对混凝土的表面进行涂料施工, 形成一层保护膜, 防止自然环境中的酸性物质与混凝土中的物质发生化学反应。混凝土碳化防止处理多采用呋喃改性环氧涂料、丙烯酸涂料以及环氧厚涂料等等。在使用涂料封闭法时还必须估计到涂料能否粘结在混凝土上, 涂料是否有足够强的抗晒、抗冻、抗雨水的能力, 涂料的膨胀收缩系数能否和混凝土协调等问题。
3.3 采用科学的施工方法, 加强对混凝土的养护
在混凝土施工过程中采用科学的方法, 加强对混凝土的养护是防止混凝土碳化的有效措施。采用自然和蒸汽的养护方法, 能够达到很好的养护效果。相关实验证明, 普通混凝土采用蒸汽养护的碳化速度比自然养护高1.5倍。此外, 对于混凝土的振捣和养护。必须严格遵循规定的标准和原则, 控制好环境的湿度和温度, 把混凝土养护环境控制在适宜的环境之内。混凝土的养护必须贯彻于混凝土施工的每一个环节。在模板固定时, 要确保模板的牢固程度。遵循在混凝土达到足够强度后拆模的原则;在混凝土施工过程中充分应用机械振捣, 确保混凝土的密实性;在混凝土浇筑完成之后, 必须以草料或者其他物质加以覆盖, 及时进行浇水等养护。做好对混凝土的养护工作, 才能够有效地降低混凝土碳化的速度。
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汽车低碳化,中国任重道远 篇10
去年9月，环保部列出了乘用车碳排放标准：整备质量在1430-1540公斤(含)的车辆，手动挡车型必须控制在219克／公里之内，自动挡车型必须控制在255克／公里之内。征求意见时，被调查的30多家国内整车制造企业普遍反映这个标准高。
即使按照相关规划，2015年我国乘用车碳排放量控制在161克／公里之内，仍与发达国家存在明显差距。
目前，欧盟、美国、日本已经制定了乘用车新车燃料C02排放限值目标，并且为实现减排目标制定配套的管理调节政策。
英中，欧盟的要求最高，早在2008年12月就规定，新车碳排放量在2012-2015年期间应逐步由2005年的每公里159克降至每公里130克，到2020年将降至每公里95克。协议还规定，2012-2018年问，欧盟境内新车每公里超标排放超过1克的将被罚款5欧元，超过2克和3克将分别被罚款15欧元和25欧元，超过4克以上的将被罚款95欧元。不难看出，欧盟在推动汽车低碳化的过程中，着重利用奖罚政策来引导减排目标实现。
而美国则采取了产业联盟政策路径来考核燃油消耗水平。美国三大汽车公司、四大石油公司等50家企业组成了气候变化战略同盟，目标是在2012年前完成成本控制与技术研发，到2020年实现与世界先进水平持平的排放标准。日本为考核燃油消耗水平采取了“综合管理途径”，从汽车节能、道路基础设施和交通管理改善，引导环保驾驶等方面调解和引导汽车低碳排放进程。
虽然我国已采取措施鼓励小排量和新能源汽车的发展，但与欧、美、日比，现行节能减排政策既未明确碳排放控制进程，也缺少对碳排放的考核政策体系。
在低碳经济大势所趋的当下，汽车节能减排政策需要通盘考虑政府、企业和消费者三方面的力量，综合、细致地引导供给和需求两个层面的低碳化发展，鼓励低碳汽车研发和生产，促成汽车需求结构和使用习惯的低碳化。
政府应综合利用汽车购置、使用环节的多种税收手段和补贴手段，如购置税、车船税、消费税、新能源汽车补贴等，鼓励消费者选择小排量汽车、先进柴油车、新能源汽车。同时，政府应加大采购小排量车和新能源车的比重，引导私人汽车消费趋势。
碳化混凝土 篇11
由于混凝土建筑多数都是暴露在自然界, 容易受到外界环境的侵蚀, 使得游离在建筑物周围空气中的CO2通过混凝土表面的微孔进入到混凝土内部, 与混凝土中的CA2+离子发生电化学反应, 而腐蚀混凝土结构中的钢筋, 这是混凝土发生碳化的直接原因所在。在过去的几十年了, 国内外对于混凝土碳化的研究课题一直未间断过, 取得了一些突破, 然而由于建筑所处的环境、温度、湿度、物理化学条件都不一样, 所以混凝土耐久性也未向人们所期待的那样, 各国学者及科研机构对混凝土碳化机理和碳化过程进行了大量的实验研究和理论分析。给出了混凝土碳化速度以內外界因素的关系, 文章将一些常见的影响因素及防治措施做简要叙述。
一、混凝土碳化的主要影响因素
混凝土碳化的影响因素我们将围绕以下两大方面进行分心。内部因素 (原材料、水灰比、水泥用量、等) , 外部因素环境因素等内部的组成成分) 。
1、内部影响因素
从混凝土碳化发生的化学反应方程式中可以看出, 混凝土矿料的组成、外加剂, 材料的化学成分等对于混凝土碳化速度有重要的影响, 集料的品种和级配和水灰比直接影响着混凝土内部的孔隙结构, 材质致密坚实、级配较好的集料的混凝土孔隙小, 碳化速度慢。
同样情况下, 增大混凝土的水灰比, 会使混凝土的气孔和毛细孔率的孔隙率增加, 使得周围空气中的CO2很容易扩散到混凝土结构中, 发生电化腐蚀, 加快碳化速度,
混凝土中掺加的活性水硬性外加剂能与水泥水化过程中析出的CA (OH) 2等碱性材料发生化学反应形成稳定的胶凝物质, 可以减低混凝土碳化速度, 如果用用其替代水泥的用量, 则会使碳化速度加快, 虽然增加水泥用量可以提高混凝土的密实性, 增加混凝土中碱性材料的含量, 然而混凝土的碳化速度还受水泥水化程度的影响。根据有关实验表明。混凝土的施工质量对混凝土碳化速度有很大的影响, 如果施工振捣不密实, 混凝土内部容易出现蜂窝、麻面、空洞多, 增加了空气中的CO2在混凝土中扩散的面积和路径, 都会加速了混凝土的碳化。
2、外部影响因素
影响混凝土碳化的外部因素主要有温度光照、空气的含水量和相对湿度、冻融和渗漏、介质气体的酸碱性等。
酸性介质、气体中含有酸性离子如 (CO32-CL-H+等) 与混凝土中的的钙离子、硅酸根离子、铝酸根离子发生中和反应和氧化反应。形成酸强更强的介质, 腐蚀混凝土, 破坏钢筋的保护膜, 腐蚀钢筋, 促使碳化加速。降低混凝土中钙离子, 引起混凝突发生水化反应, 降低混凝土的强度和碱性保护层, 造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝, 加大二氧化碳的扩散速度, 加速混凝土碳化。
混凝土周围介质的相对湿度也是影响碳化的一个外部因素。湿度过高或者过低都使得空气中的二氧化碳不容易扩散到混凝土中, 碳化速度很慢, 根据实际统计数据表明。当混凝土结构周围介质的相对湿度为50~70%, 混凝土碳化速度最快。因此, 实际要注意控制混凝土结构周围的介质的相对湿度, 以降低碳化速度。
二、混凝土的碳化防范与处理措施
1、混凝土的碳化预防措施:
防止混凝土碳化的主要方法就是采取一定的措施减小混凝土的发生碳化腐蚀的能力, 从而降低碳化速度, 具体可以参考采取如下的措施:
(1) 选用抗碳化能力强的水泥品种。一般原则是同标号的选择早强型的的。
(2) 在施工条件允许的情况下, 尽可能采用较小的水灰比。混凝土抗碳化能力一般可得到保证。
(3) 选用减水率高、稳定性好、低收缩、适应性优良, 水泥、掺合料相容性好, 温度适应性好的聚羧酸系高性能减水剂, 可以有效提高混凝土抗碳化能力。
(4) 在混凝土拌合物中掺入一定量的粉煤灰、硅粉, 可以有效改善混凝土和易性, 减小离析、降低水化热, 增加混凝土的致密性和抗渗性。增加混凝土的强度, 对于提高混凝土抗碳化能力提高很有好处。
(5) 施工中可以采取相应的措施提高混凝土抗碳化措施, 比如采用钢模板控制混凝土表面的光泽度减少裂缝, 加强振捣, 增加混凝土的密实性, 浇筑完毕后, 采取必要地保温和防水分蒸发措施, 及时浇水养护。都可以提高混凝土的抗碳化能力。
(8) 此外, 在混凝土建筑物表面涂刷环氧树脂砂浆、及含有多种丙烯酸酯, 多种硅烷及多种助剂成分的涂料。阻止空气中的二氧化碳和酸性物质向混凝土内部扩散, 提高混凝土抗碳化能力。
2 混凝土碳化处理措施
鉴于建筑混凝土结构已经发生碳化将对建筑产生很大危害, 因此必须采取一定的措施予以补救或者消除。
(1) 对于结构碳化深度较大, 钢筋外露腐蚀明显情况, 应将建筑拆除重新修建。
(2) 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, 可用优质涂料封闭。
(3) 对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的, 应凿除碳化
层粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土。
(4) 对钢筋锈蚀严重的, 应在修补前除锈, 并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。防碳化后的结果, 要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内侵蚀, 使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中。
结语
受內外界因素以及一些施工养护手段的影响, 混凝土碳化是难以避免的现象, 要想减少混凝土碳化速度, 一方面须从设计和施工方面加强研究, 采用新型材料, 替代传统的结构材料, 优化结构设计方案, 在施工中加强监测采集数据建立数据库, 同时采取一定的措施对混凝土加强养护, 减小环境对混凝土碳化速度的影响。另一方面, 加强学术交流, 掌握当前国际最前沿, 加强新材料的研究开发, 从客观条件上, 减小混凝土碳化的速度, 延长建筑物使用寿命。提高经济效益和社会影响。
参考文献
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