混凝土的碳化

混凝土的碳化（精选10篇）

混凝土的碳化 篇1

前言

目前, 很多工程碳化值较大, 对工程带来了诸多不良影响, 已成为一大工程质量通病, 降低了建筑物的耐久性。本文旨在揭示混凝土碳化对结构破坏的机理和规律, 提出了在设计和施工时对混凝土防碳化处理的建议。

1 混凝土碳化的作用机理

1.1 碳化反应

空气中的CO2、SO2等酸性气体首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中, 而后溶解于毛细管中的液相, 与水泥水化过程中产生的Ca (OH) 2和水化硅酸钙 (CSH) 等物质相互作用, 形成Ca CO3和H2O的中性化过程称为混凝土的碳化。

经过大量的研究表明, 混凝土的碳化过程是CO2气体由表及里向混凝土内部逐渐扩散、反应复杂的物理化学过程, 主要的碳化反应方程如下:

混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构, 对混凝土的化学性能和物理力学性能有着明显的影响。

1.2 混凝土的碳化特性

国内外大量的研究资料表明, 在混凝土碳化初期碳酸气在混凝土中扩散和反应的速度很快, 即碳化深度增长快。随着时间的延长则逐步衰减, 至一定龄期后, 渐趋稳定。

2 混凝土碳化与钢筋锈蚀的关系:

混凝土碳化深度检测的目的之一是定性地推定混凝土中的钢筋锈蚀情况。下面对混凝土碳化与钢筋锈蚀的关系作以下分析。

2.1 钢筋腐蚀的作用机理

最初的混凝土孔隙中充满了饱和Ca (OH) 2溶液, 它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀, 该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物, 即Fe2O3和Fe3O4, 这层覆盖物称为钝化膜, 在高碱性环境中, 即PH≥11.5时, 它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。

2.2 钢筋腐蚀对结构的影响

钢筋表面被腐蚀而生成铁锈对混凝土结构的不利影响。一是铁锈的生成造成钢筋截面减小, 构件承载力降低;二是铁锈体积膨胀 (体积一般要增长2~4倍) , 使混凝土保护层胀裂甚至脱落, 严重影响结构的正常使用;三是铁锈的生成破坏了钢筋与混凝土之间的粘结, 从而使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。

3 影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化速度取决于CO2的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2的浓度、环境温度、试件的含水率等因素影响, 可主要归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境有关的外部因素, 当然, 除此之外还存在一些其他因素。

3.1 内部因素

3.1.1 水泥用量

水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量。增加水泥用量一方面可以改变混凝土的和易性, 提高混凝土的密实性;另一方面还可以增加混凝土的碱性储备。因此, 水泥用量越大, 混凝土强度越高, 其碳化速度越慢。

3.1.2 水泥品种

不同的水泥, 其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同, 直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度, 对碳化速度有重要影响。一般而言, 水泥中熟料越多, 则混凝土的碳化速度越慢。

3.1.3 水灰比

水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大, 控制着混凝土的渗透性。在水泥用量一定的条件下, 增大水灰比, 混凝土的孔隙率增加, 密实度降低, 渗透性增大, 碳化速度增大。

3.1.4 骨料种类和级配

集料的品种和级配不同, 其内部孔隙结构差别很大, 直接影响着混凝土的密实性。试验说明, 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轻骨科混凝土的0.56倍。

3.1.5 施工质量及养护方法对碳化的影响

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, 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。

3.2 外部因素

酸性气体 (如CO2) 渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸, 与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应, 导致水泥石逐渐变质, 混凝土的碱度降低, 这是引起混凝土碳化的直接原因。

3.2.1 环境条件

碳化是液相反应, 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。

3.2.2 光照和温度

混凝土碳化与光照和温度有直接关系。混凝土温度骤降, 其表面收缩产生拉力, 一旦超过混凝土的抗拉强度, 混凝土表面便开裂, 导致形成裂缝或逐渐脱落, 加速混凝土碳化。

3.2.3 氯离子浓度的影响

氯离子在混凝土液相中形成盐酸, 与氢氧化钙作用生成氯化钙。氯化钙在其浓度及湿度较高时, 能剧烈地破坏钢筋的钝化膜, 使钢筋发生溃烂性锈蚀。氯离子浓度的影响在沿海地区表现更为突出。

3.2.4 冻融和渗漏

在混凝土浸水饱和或水位变化部位, 由于温度交替变化, 使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛, 造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝, 导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失, 在混凝土表面结成碳酸钙结晶, 引起混凝土水化产物的分解, 其结果是严重降低混凝土强度和碱度, 恶化钢筋锈蚀条件。

4 混凝土碳化处理措施

4.1 碳化处理方法

混凝土碳化的程度不同, 部位不同, 处理方法也不同。对碳化深度过大, 钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件 (建筑) 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, 可用优质涂料封闭;对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松剥落的, 均应凿除碳化层, 粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土;对钢筋锈蚀严重的, 应在修补前除锈, 并应根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。

4.2 混凝土碳化的防止措施

减小和消除混凝土碳化对结构的影响, 关键是对影响碳化的因素加以预防和控制, 防患于未然。

4.2.1 设计方面

根据建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素, 设计时应合理设计混凝土配合比, 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。

4.2.2 施工方面

混凝土质量好坏, 施工是关键。

一是要认真选择建筑材料。在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境, 选择合适的水泥品种;集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料, 注意剔除集料中的有害物质, 掺入优质适宜的外加剂。

二是要严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满足配料和施工需要的最低范围内, 尽量减少混凝土的自由水。

三是加强振捣和养护。振捣一定要充分并严格按照规定标准进行, 养护一定要及时, 混凝土达到初凝后立即进行养护, 并按不同水泥品种所要求的时间养护, 以使混凝土在适宜的环境中进行养护。

四是钢筋混凝土保护层厚度。施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好, 使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。

5 结束语

本文简要概括了建筑物混凝土碳化、影响因素及其防治的主要措施, 我们的原则应该是防重于治, 首先应根据混凝土所处的环境, 合理进行配合比设计;其次是严把施工质量关, 加强工程运行中科学管理, 发现碳化, 及时采取防范保护和修补措施, 以达到或延长工程的使用寿命

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混凝土的碳化 篇2

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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混凝土的碳化分析与研究 篇3

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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污泥碳化工艺的特点与发展展望 篇4

【关键词】污泥处置污泥处理设备污泥碳化发展趋势

【中图分类号】C93【文献标识码】A【文章编号】1673-8209(2010)05-0-02

1 我国污泥生产处置现状

据国家环保部门统计,到2015年,我国城镇污水处理率将达到60%,届时每年全国污泥产生量将达到3560万t,污水处理厂将达到1800座。中国目前污泥处置的现状是83%以上弃置,10%焚烧,6%填埋,不到1%的污泥是通过堆肥等技术处理后回用于土地,污泥的二次污染已经成为亟待解决的环境问题。

2 国际污泥处理技术与设备

国际上,西方发达国家经济雄厚、技术先进、处理程度较高。各个国家和地区又根据自己的实际情况来选择某种较为合适的处理方法。例如,西欧主要以间接热干化为主,美、英、北爱尔兰三国以填埋、农用为主,而日本主要采用焚烧。间接热干化在发达国家已成为一条重要的途径,欧洲如德国、荷兰等国建有大型污泥预干化厂,预干化的污泥含水达到60% 后,进入电厂焚烧,或者堆肥农用,实现能源再利用。

国外经过几十年的发展,污泥干化设备有许多不同的种类,其中常见的类型有:

(1)直接加热式。原理为对流加热,代表设备有转鼓、流化床等;

(2)间接加热式。原理为传导或接触加热,代表设备有螺旋、圆盘、薄层、碟片、桨式等;

(3)热辐射加热式。有带式、螺旋式等。

最常用的类型是直接加热转鼓式、间接加热圆盘式/板片式和流化床三种。

目前,全世界大约有50 余家污泥干燥公司,包括:Andritz Group,Vomm,Bakerrullman,Berlie Technologies Inc,Flo-Dry,大川原公司,奈良,西格斯,USFilter,Atlas-Stord,等,

纵观40 年来污泥干化技术的发展历程,可以看出污泥干化采用的仍是几十年前的传统干燥技术,只不过经过一定的改造,以使之更适应污泥这种物料而已,技术壁垒并不高。干化工艺是一种综合性、实验性和经验性很强的生产技术,其发展趋势在于以安全和效率为目标,以干燥器结构为中心、综合一系列边缘技术的持续不断的改进过程。

发达国家干化焚烧技术已经相当成熟,但是设备复杂,造价高昂,运行费用较高,操作也比较困难。在国内一般的企业和城市难以大规模推广,所以开发适合中国国情的污泥处理工艺设备迫在眉睫。

开发污泥干化环节的节能降耗技术是实现资源循环型污泥处理利用系统的着力点。降低含水率是实现污泥处理节能降耗的基础,提高消化效率是实现污泥能源回收的核心。取消污泥返混等复杂设备是降低造价的关键。

细胞破碎技术可促进非自由水转化为自由水,有利于提高机械脱水效率,而且细胞破碎技术可以避免直接蒸发水分所产生的高能耗。所以在未来,以细胞破碎技术为基础的工艺将开辟广泛的市场空间。

3 污泥碳化技术特点

低温碳化技术主要由EnerTech(能源技术)公司研发推广,技术名称为SlurrycarbTM,该工艺是连续式的。其工艺是将污泥加压至6-10MPa,通过热交换器,加温至400-450°F(204-232℃)。热化分解反应时,污泥中的有机物被分解,二氧化碳气从固体中被分离,同时又最大限度地保留了污泥中的碳值,使最终产物中的碳含量大幅提高。

3.1 污泥碳化技术原理

(1)破坏污泥细胞,释放细胞内水分——基于对污泥细胞结构和水分布的原理

(2)热作用下有机物水解,破坏胶体结构——基于对污泥胶体结构和物理化学降粘度的原理

3.2 污泥碳化技术特点

(1)通过对污泥改性提高脱水性能

(2)污泥碳化技术没有变相,能耗比传统干燥技术低50%,比直接焚烧低80%。

图1为污泥经碳化处理前后电镜图,可以比较清晰的看到污泥经过低温碳化处理后细胞外聚合物(EPS)被彻底破坏,大大降低了EPS的持水性,与此同时大量微生物细胞壁也在处理过程中破裂。所以经碳化处理后的污泥能够采用传统的脱水方法将污泥含水率控制在50%以内。

3.3 污泥碳化技术优势

(1)低温碳化后的污泥更加有利于厌氧消化和堆肥,为污泥的资源化处置提供了广泛的前景。

(2)物料在整个工艺流程中都能用特种泵泵送,省去了大量固态污泥传输、返混设备和惰性气体保护系统,降低了投资成本、操作难度和爆炸危险。

(3)产生的废气较少,减少了对环境的二次污染;滤液BOD非常高生化性很好,能有效改善很多地方污水厂B/C比过低的问题。

(4)碳化后污泥的高位发热值达到3243 达卡/公斤污泥,比碳化前污泥的热值减少了6.8%,污泥热值得以最大限度保留,为后续资源化处置创造了有利的基础。

4 污泥处理工程案例

见表1。

5 污泥干化工艺投资和运行成本分析

见表2。

由表2可知,低温碳化技术在运行成本上有很大的优势,工艺和操作难度都较其它工艺低。目前,即使在美国,低温碳化也是处于起步阶段,技术使用费,设计费等相对收取的较高,一旦国产化批量推广,整体造价还会大幅度降低。

6 结语

(1)污泥低温碳化起步比较晚,发展的空间巨大,随着研究的深入,投资成本还将进一步的降低。

(2)在温度210～260℃,压力6～10MPa条件下,污泥发生裂解,脱水后含水率为50%以下,符合国家建设部CJ/T 249—2007《关于城镇污水厂污泥处置 混合填埋泥质》标准的填埋要求。

(3)在污泥低温碳化过程中,绝大多数的碳值保留在了最后的碳化物中,为污泥碳化物的资源化再利用提供了条件。

参考文献

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混凝土的碳化 篇5

1 混凝土碳化破坏机理

水泥在水化过程中生成大量Ca (OH) 2, 这种碱性物质充满混凝土空隙, 在钢筋表面形成纯化膜, 保护钢筋不易被氧化。但由于空气中CO2渗透到混凝土空隙内, 与Ca2+、Mg2+中和生成碳酸盐和水, 降低了混凝土的碱度, 致使混凝土碳化 (又称中性化) 。当碳化超过混凝土的保护层时, 混凝土失去对钢筋的保护作用, 钢筋氧化生锈, 继而形成沿钢筋的裂缝, 出现保护层崩落、露筋等现象[1,2,3,4]。

2 混凝土碳化影响因素

(1) 环境条件。混凝土碳化与介质中CO2浓度及湿度有关, 碳化反应在干燥和饱和水条件下几乎终止。在湿度50%~75%的大气中, 不密实的混凝土最易碳化[1,2], 在水中的混凝土反而难以碳化。

(2) 水灰比。水灰比小的混凝土, 其水泥浆的组织密实, 透气性小, 碳化速度慢。

(3) 水泥品种。掺用优质减水剂或加气剂, 可使碳化减慢;水泥中混合材掺量越大, 碳化速度越快;普通硅酸盐水泥比早强硅酸盐水泥碳化稍快[1,2,3]。

(4) 浇筑与养护质量。混凝土浇筑时, 如振捣不密实或过度, 以及养护不当, 会造成混凝土内部毛细孔道粗大, 使水、空气、侵蚀性化学物质进入混凝土内部, 加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀[1,2]。

(5) 骨料种类。轻混凝土的骨料气泡多, 透气性大, 能通过骨料使混凝土碳化, 其碳化速度比普通混凝土碳化快。

3 混凝土防碳化的处理措施

水工建筑物钢筋混凝土防碳化应该以防为主:首先, 水泥品种和外加剂的选用等应根据混凝土所处的环境合理设计;其次, 严把施工质量关, 发现碳化破坏应及时采取措施。

处理措施: (1) 对碳化层较硬、碳化深度小于钢筋保护层厚度的, 可用优质涂料封闭; (2) 对钢筋锈蚀严重的, 应先除锈, 再视情况和结构需要加补钢筋; (3) 对碳化深度过大、钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件应拆除重建; (4) 对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽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[1,2,3,4]。

4 混凝土碳化实用处理方法

实例:阜阳市茨河铺分洪闸除险加固工程防碳化处理。所需材料:42.5P·0水泥、CT203甲、CT203乙、HZ902环氧原浆涂料。专业施工人员:40名。

(1) 施工准备。 (1) 由专业架子工按要求搭设钢管脚手架, 并隔层铺设5cm厚大板。 (2) 用电动磨光机将原闸墩表面碳化层磨平、打毛。 (3) 将原表面预留洞、蜂窝、软弱层等用高标号砂浆进行修补、找平。 (4) 对表面凹进不平较深处用CT203甲∶CT203乙∶42.5P·0水泥∶砂=0.5∶0.1∶1∶1.5进行找补处理。

(2) 披CT203腻子。在披CT203腻子前, 提前用高压水将表面浮灰冲洗干净 (冲洗时间根据气温而定) , 然后按配比要求CT203甲∶42.5P·0水泥=0.5∶1进行配比, 披2遍腻子。

(3) 涂刷HZ902环氧原浆涂料。待腻子凝固后即可涂刷HZ902环氧涂料, 涂料按产品说明书要求甲、乙2组混合均匀, 充分搅拌后使用。每次配量控制在40 min内用完。涂料施工采用滚涂, 涂装工作要连续进行, 层间间隔以指干为准, 需3~5 h。若间隔时间过长应打磨处理表面后再进行涂装。

(4) 质量保证措施。 (1) 每道工序施工前必须先做样板, 验收合格后方可大面积施工。 (2) 必须“三检制”合格后方可进入下一道工序。 (3) 严格按产品使用说明书进行配比。 (4) 施工时, 安排专业人员负责, 并由专业施工队伍施工。 (5) 严格控制各工序的间歇与衔接时间, 并做好面品的保护工作。

参考文献

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混凝土的碳化 篇6

随着经济的发展, 在建筑工程结构中越来越广泛的应用钢筋混凝土, 并且人们对混凝土结构耐久性的要求越来越高, 这已成为人们普遍关注的一个重要问题。耐久性是衡量混凝土结构质量的一个重要指标, 而混凝土的抗碳化性能才是反映混凝土耐久性的重要指标, 因此人们越来越重视混凝土结构的抗碳化性能。过去, 在混凝土结构的建设过程中, 由于设计和施工中对混凝土抗碳化性能的忽视, 往往会导致混凝土结构由于抗碳化性能差而出现结构提早破坏的问题。然而, 随着我国污染问题的加剧, 空气中的二氧化碳浓度不断加大, 对于暴露在空气中的混凝土结构而言, 碳化问题越来越严重, 因此混凝土结构的碳化问题成为人们普遍关注的一个重要问题。经过相关的研究发现, 如果混凝土的抗碳化性能不足, 将会导致混凝土内部的钢筋出现锈蚀, 钢筋体积将膨胀, 从而引起混凝土的抗裂和保护层的剥落, 最终将导致混凝土出现破损, 结构的使用寿命出现大幅度降低。

2 混凝土碳化破坏的机理

当混凝土暴露在空气中, 空气中的二氧化碳会与其发生接触, 混凝土中存在的空隙会成为二氧化碳逐级向混凝土内部扩散的通道, 在长时间的接触中, 二氧化碳会与混凝土中的碱性水化物发生一系列复杂的物理和化学反应, 这就是混凝土的碳化问题。随着时间的推移, 混凝土的碳化问题会不断加深, 碳化反应所产生的碳酸钙和其他固态物质会逐渐将混凝土的空隙堵塞, 混凝土的空隙也不断随反应的加深而减少, 这在一定程度上阻碍了二氧化碳的扩散深入, 从而有效的提高了混凝土的密实度。但是, 另一方面, 混凝土的碳化反应会导致混凝土内部的碱性物质减少, 从而使得混凝土内部的PH值降低, 混凝土从原先的碱性状态逐级转化为中性环境;当混凝土内部的PH的降到一定程度之后, 会导致钢筋表面的钝化膜出现破坏, 钢筋在无钝化膜保护的情况下会出现锈蚀反应。因此, 对混凝土的碳化反应过程以及钢筋的锈蚀反应进行分析对研究混凝土的耐久性问题有着非常重要的意义。

2.1 混凝土碳化机理

混凝土在碳化过程中所发生的反应相当复杂, 在水泥熟料中含有的主要矿物成分包括:硅酸二钙 (C2S (2Ca O·Si O2) 、硅酸三钙C3S (3Ca O·Si O2) 、铝酸三钙 (C3A (3Ca O·Al2O3) ) 以及铁铝酸四钙 (C4AF (4Ca O·Al2O3·Fe2O3) 。水泥熟料经过水化作用之后生产的物质为化硅酸钙3Ca O·2Si O2·3H2O (简写CSH) 和氢氧化钙Ca (OH) 2。

通常情况下, 在混凝土内部往往存在着一些微小的空隙和裂缝, 而空气中的二氧化碳与混凝土接触之后, 会通过孔隙和裂缝不断向混凝土的内部扩散, 并逐渐与混凝土内部的孔隙水溶解在一起, 同时混凝土中存在的OH-和Ca2+会不断转移到混凝土中发生碳化的部位, 并与溶解于孔隙水中的二氧化碳发生碳化反应, 同时在固液界面上存在的CSH也会与二氧化碳发生相应的化学反应, 最后生成碳酸钙和二氧化硅。

混凝土在发生碳化反应之后会使混凝土内部的孔隙和裂缝减少, 从而使混凝土的密实度提高, 同时混凝土的力学性能会出现明显的改变, 构件的受力性能也会有所提高。混凝土发生碳化反应之后, 其结构的抗压强度和劈拉强度等均会出现一定程度的提高, 并且其弹性模量也会出现相当幅度的提高, 而混凝土的脆性将增大。在碳化混凝土的应力-应变曲线中, 其上升段和下降段会出现变陡的趋势, 同时曲线中的应力峰值的数值也有所提高, 而应变的峰值并没有较为明显的变化。如果钢筋采用的是变形钢筋或者光面钢筋, 混凝土的碳化作用会提高钢筋与混凝土之间的粘结作用。如图1所示为混凝土梁在碳化和非碳化状态下荷载-挠度的曲线对比示意图。从对比图中我们可以清楚的知道, 当混凝土发生碳化作用之后, 混凝土梁的承载力有了一定程度的提高, 但是其极限挠度却出现了降低, 构件的延性也有所降低。通常情况下, 混凝土发生碳化的深度往往较浅, 同时由于钢筋有足够的保护层厚度, 因此即使混凝土发生了一定程度的强度提高和脆性的变化, 也不会对混凝土的力学性能、构件的受力性能造成明显的影响。混凝土发生碳化反应之后对混凝土整体而言, 其影响最为不利的问题主要还是钢筋的锈蚀问题。

2.2 影响混凝土碳化的因素

从混凝土碳化反应的机理中我们可以知道, 影响混凝土碳化反应的因素主要有以下两点:第一, 混凝土组成材料的因素, 包括水泥品种、水泥用量、水灰比、骨料粒径和品种、外加剂、混凝土强度等影响因素;第二, 混凝土结构所处的环境因素, 包括空气相对湿度、温度、混凝土的应力状态以及施工的质量等影响因素。

3 混凝土碳化的控制措施

针对混凝土的碳化问题, 应采取相应措施进行控制:

3.1 水泥品种和标号的选择

在施工过程中应综合考虑各种因素进行水泥品种的选择, 比如建筑物的地理位置、环境条件、气候等。当在水位变化区域应选用抗硫酸盐的普通硅酸盐水泥;当在水闸室等高速水流冲刷的区域, 应选用高标号的水泥;当在严寒地区也应选用硅酸盐水泥。

3.2 骨料的选用

在混凝土混合料中选用级配良好的抗酸性骨料可以有效的缓解混凝土的碳化作用。在骨料中应尽量避免存在针片、片状的骨料以及粉尘。

3.3 选择合适的配合比、控制拌合加水量

配合比是指混凝土中各种原材料采用的用量之比。根据相关的研究可以知道, 在混凝土拌和过程中, 如果使用的水量过大, 水分蒸发之后会在混凝土中产生通道, 从而加大孔隙率, 这样会降低混凝土的密实度, 继而降低混凝土的强度和耐久性, 因此混凝土的抗碳化性能会下降。但是水量不能过少, 应在满足水泥水化生成凝胶体的用水量的基础上尽量减少用水量。

3.4 适当加入外加剂及添加剂

在进行混凝土的拌和中, 加入减水放裂剂可以有效的减少用水量, 一般可以减少25%左右, 同时还能改善水泥浆的稠度, 提高混凝土的密实度和抗裂性能。在混凝土中还可以加入适量的添加剂, 比如粉煤灰等, 这样提高混凝土的密实度和强度。

3.5 采用科学合理的施工方法

施工要求较高的部位的混凝土施工时, 应选择合适的时间进行施工。在气候条件较差的情况下, 一般不施工或者在施工过程中采取相应的保护措施, 比如说可以严格控制好每层的浇筑厚度;振动时确保均匀, 避免出现漏振和过振的问题;在低温条件下做好防寒措施等。

3.6 加强养护

在混凝土养护的早期, 应使混凝土保持适宜的温湿环境, 这样是为了达到两个目的, 第一个目的是为了避免混凝土出现湿度变形的问题, 防止出现有害的冷缩和干缩问题;第二个目的是为水泥的水化作用创造有利的环境, 从而促使水泥顺利的完成水化。混凝土的保温和保湿措施往往是相关联的, 当进行保温时往往伴随着保湿效果。从理论上来讲, 混凝土中所添加的水分完全能够满足水泥水分的要求, 但是在施工过程中往往会由于蒸发作用而丧失部分的水分, 从而影响到水泥的水化作用。混凝土的表面由于直接受到环境温度和湿度的影响, 是最容易产生水分蒸发的位置, 因此在混凝土浇筑完成之后的前面几天, 应加强混凝土的养护, 这在施工过程中应特别注意。混凝土的养护后期其目的是为混凝土结构内部还未完成水化的水泥颗粒提高适宜的条件, 从而使水化作用继续进行, 最终生成凝胶体。随着时间的延续, 混凝土的强度会逐级变大。

3.7 涂保护层

根据相关的研究可以知道, 混凝土的碳化程度是随着时间的延迟而加深的, 但是碳化的整个反应速度是逐渐降低的。因此在混凝土的表面涂一层保护层, 可以有效的隔绝混凝土的内部与大气接触, 这样可以显著的降低混凝土的碳化速度。一般可以刷涂的保护层为水玻璃、油漆以及沥青材料等。混凝土表面的水玻璃硬化之后即可将混凝土的孔隙填满, 这样即可在混凝土的表面形成一层致密的保护层, 从而可以对混凝土起到保护作用, 有效的延缓混凝土的碳化进程。

4 混凝土碳化处理措施

4.1 碳化处理方法

当混凝土碳化程度较大, 钢筋出现明显的锈蚀时, 应将该混凝土构件重新拆除重建;当混凝土碳化程度较小, 同时碳化深度小于混凝土的保护层厚度时, 可以在混凝土的表面刷涂一层优质的涂料, 从而起到保护封闭的作用;当混凝土的碳化程度较小, 同时碳化深度超过混凝土的保护层厚度时, 应清除碳化层, 同时在混凝土表面粉刷一层高强砂浆或者浇筑高强混凝土。对于锈蚀严重的钢筋, 应在混凝土的修补之前, 对钢筋进行补强处理, 根据锈蚀情况添加适量的钢筋。混凝土的碳化处理之后所应达到的目是为阻止或者延缓有害气体对混凝土的侵蚀, 从而使混凝土内部和钢筋始终处于高碱性环境之中。

4.2 防碳化措施

目前, 针对混凝土的碳化问题, 主要采取的防碳化处理措施为涂料封闭法, 通常所采用的涂料为环氧厚涂料、呋喃改性环氧涂料、丙稀酸涂料等。当进行防碳化处理涂料的选择时, 重点应考虑的问题包括:涂料与混凝土之间的粘结性能;涂料的抗冻和抗晒性能;涂料的收缩和膨胀系数是否与混凝土相近等。对于与混凝土结构变形缝的封面处理, 水上部分和水下部分应采用不同的涂料, 一般情况下水上部分可以采用SR嵌缝膏进行表面封闭, 而水下部分则可以采用SBS改性沥青灌注封闭。此外, 在混凝土的设计中, 应考虑确保混凝土结构有足够的保护层厚度, 这是保护钢筋及延缓钢筋锈蚀的一种常见的有效措施。

当进行混凝土的设计时, 应根据工程的具体情况合理的设计混凝土的配合比。施工过程中所使用的模板尽量选用钢材、胶合板、竹林、塑料等材料制作而成。如果所采用的模板是木板制作而成, 在制作过程中应严格控制好板缝的宽度, 同时确保模板的表面有足够的光滑度。在施工过程中, 应确保模板的牢固。混凝土浇筑完成之后, 应在其强度达到设计强度之后方可将模板拆除。在混凝土的浇筑过程中, 应采用机械的方式进行混凝土的振捣, 这样可以有效的确保混凝土的密实度。当混凝土浇筑完成之后, 应采用草料对混凝土表面进行覆盖, 并洒水进行养护, 从而确保混凝土的养护效果。

参考文献

[1]王增忠.基于混凝土耐久性的建筑工程项目全寿命经济分析[D].同济大学, 2006.

[2]杨春常.混凝土碳化及氯含量对钢筋锈蚀速率的影响[D].华南理工大学, 2011.

[3]王玉琳.混凝土碳化影响因素研究综述[J].连云港化工高等专科学校学报, 2002, 02:42-44+48.

[4]张誉, 蒋利学.混凝土碳化和钢筋锈蚀研究动态[J].福州大学学报 (自然科学版) , 1996, S1:20-29.

混凝土的碳化 篇7

根据美国国家海洋和大气管理局的观测数据表明,2015年全球大气中二氧化碳的平均浓度跃升了0.00305‰,达到了0.04%。可见,空气中二氧化碳的浓度正呈现逐年上升的趋势。同时,工厂排放的二氧化碳以及农村燃烧秸秆排放的二氧化碳亦逐渐成为日益严重的问题。而二氧化碳对混凝土结构的碳化与结构物的耐久性紧密相关,是衡量结构建筑物使用寿命的重要指标之一,故混凝土的碳化成为一个急迫需要研究的问题[1]。混凝土的碳化是指大气中的二氧化碳气体不断地从混凝土表面透过其未完全充水的粗毛细孔道,气相最终扩散到混凝土内部充水的毛细孔中与其中的孔隙液所溶解的水化产物氢氧化钙进行中和反应,生成碳酸钙和其他物质的现象。现代混凝土中掺加了大量的粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料以及高效减水剂,不但改善了混凝土的各种性能,同时也能够节省水泥等。然而,由于混凝土中掺合料取代了部分水泥,会使混凝土中的液相碱度降低,降低混凝土的抗碳化能力[2,3],另外,掺合料的掺入,会使混凝土结构变得更加复杂[4,5,6,7],国内外对此研究较多。Saeki等人研究发现当混凝土试块碳化之后,其引起的孔体积和孔径分布会发生一定的改变,这种改变主要是依赖于混凝土的水灰比、养护龄期以及养护方法,比如在标准养护室中养护会比在自然环境中养护碳化要小得多,养护龄期越长、可被碳化的可能性就越大。其在持续的碳化测试中发现,已碳化区的孔体积减小,同时碳化后结构变得更加密实[8]。方永浩等学者研究表明当混凝土发生碳化时,会导致水泥浆体总孔隙率的降低,大量粗孔径被细化,如小于100nm孔径的小孔孔隙率和孔分数均增大,但是孔径大于100nm的孔隙率却在减小[9]。混凝土发生碳化后,由于生成了碳酸钙在毛细孔中沉积后会堵塞毛细孔或者将大的毛细孔细化,最终导致水泥石总孔隙率降低,致使其密实度增加[10,11,12,13]。由上述研究可知,各国学者对此研究结论各不相同。针对上述问题,通过利用加速碳化试验,系统研究了不同强度等级、不同矿物掺合料的现代混凝土碳化规律,并采用扫描电镜(SEM)、综合热分析法(TG-DSC)、压汞法(MIP)对浆体中的微观形貌、水化产物和孔结构进行研究。通过对上述问题的研究,以期对混凝土的碳化理论试验研究做出贡献。

1 试验

1.1 试验原材料

P·Ⅱ52.5级水泥;石灰岩碎石,最大粒径为20mm,连续级配;细骨料为河砂,细度模数为2.7;水为普通自来水;外加剂选用PCA型聚羧酸高效减水剂,含固量40%。粉煤灰、矿渣以及水泥的主要化学成分见表1。

1.2 方案

根据前期大量试验,设计并确定C30、C60两种强度等级的混凝土,试验考虑单掺粉煤灰、矿渣,故分别掺加30%粉煤灰和矿渣。试验配比如表2所示。为了保证比较的可靠性,调节减水剂掺量至混凝土流动度相近,约为160mm。

1.3 试件制作及方法

混凝土试件按照设计配合比制作,混凝土碳化试件尺寸为100mm×100mm×300mm。将浇筑好的混凝土24h后拆模,之后将试块放入标准养护室内养护28d。试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行加速碳化试验。测试龄期为3d、7d、14d、28d时的碳化深度。

2 结果与分析

2.1 水灰比的影响

图1表示不同水灰比混凝土在不同龄期下的碳化深度。从图1可以看出,随着加速碳化龄期的增加,混凝土碳化深度增大,如水灰比为0.57,加速碳化3d、7d、14d、28d时混凝土的碳化深度分别为2.5mm、4.0mm、5.0mm、5.5mm。从图1中还能看出,水灰比为0.57的混凝土碳化深度均大于同龄期下水灰比为0.35的混凝土,如在14d龄期时,后者的碳化深度为1mm,为前者碳化深度的25%。究其原因,水灰比降低,水泥用量相对增加,生成的水化产物增多,填充到空隙中,导致混凝土密实度增加,抗碳化能力增强。

kg/m3

2.2 矿物掺合料的影响

图2表示不同矿物掺合料混凝土的碳化规律。从图2可以看到单掺30%粉煤灰混凝土的碳化深度最大,单掺30%矿渣混凝土的碳化深度次之,不掺加矿物掺合料混凝土的碳化深度最小。如在28d碳化龄期时,不掺加矿物掺合料混凝土、掺加30%粉煤灰混凝土、掺加30%矿渣混凝土的碳化深度分别为2.5mm、3.0mm、3.5mm。从图2中还能看到,掺加粉煤灰掺量后能大大降低混凝土抗碳化能力,因此,为保证混凝土抗碳化性能,应控制粉煤灰掺量在合理的范围内。究其原因,由于矿渣的活性要优于粉煤灰的活性并且其与水泥的水化产物发生二次水化较早,生成更多的水化产物填充在空隙中,故矿渣混凝土的抗碳化能力高于粉煤灰混凝土的碳化能力,但是由于其取代了部分水泥,导致水泥水化产物减小,密实度降低,抗碳化能力低于不掺加矿物掺合料混凝土的抗碳化能力。

2.3 微结构分析

混凝土的抗碳化能力很大程度上取决于其复杂的微观结构特征变化,其中包括固相组成(氢氧化钙、水化硅酸钙、未水化水泥颗粒、碳酸钙等),孔相结构(孔隙率、孔径分布),同时,上述微观结构会随着现代混凝土龄期发展而发生不断变化。本文采用扫描电镜(SEM)、综合热分析法(TG-DSC)、压汞法(MIP)对混凝土中的微观形貌、水化产物和孔结构进行研究。

2.3.1 SEM分析

图3表示在加速碳化条件下水泥浆体试样水化产物的形貌,其中图3(a)和图3(b)分别表示0.57水灰比混凝土在碳化前和加速碳化14d试样水化产物的形貌;图3(c)和图3(d)分别表示0.35水灰比混凝土在碳化前和加速碳化14d试样水化产物的形貌。从图3(a)中可以看出浆体有少量片状的氢氧化钙和棒状钙矾石晶体以及C-S-H絮状物堆积,其表面较为疏松,空隙较多。从图3(b)中可以看到试样中几乎没有片状和柱状氢氧化钙晶体,原先片状的氢氧化钙晶体已被碳化,生成了大量的碳酸钙,其球形颗粒层层叠加。可知碳化后生成的碳酸钙在毛细管中沉积后会堵塞毛细孔,导致总孔隙率降低,孔径细化,致使混凝土结构密实度增加。图3(c)中浆体表面产生大量棒状钙矾石晶体填充在柱状氢氧化钙和C-S-H絮状物空隙之中,可发现其表面结构密实度比图3(a)中更加密实;图3(d)试件存在一定量的碳酸钙、片状氢氧化钙晶体、棒状钙矾石晶体以及C-S-H凝胶絮状物。

2.3.2 TG-DSC分析

图4表示水泥净浆试样的TG-DSC图,其中图4(a)表示0.57水灰比浆体碳化前,图4(b)表示0.57水灰比浆体碳化14d。从图4中可以看出,TG曲线可分为三个阶段:①第一阶段在30~400℃内,热重曲线表明试样质量在减少,主要是C-S-H凝胶脱水、AFt逐步脱去结晶水;②第二阶段在400~550℃内,主要是CH分解引起试样质量减少;③第三阶段在680~900℃内,主要是由碳酸钙分解引起试样质量减少。可根据由结构水或二氧化碳的质量分数计算出氢氧化钙(CH)或碳酸钙(CC)的质量百分数,结果如图5所示,从图5中可以看到混凝土碳化加速14d后其完全被碳化。

2.3.3 MIP分析

图6表示加速碳化前后浆体的孔径分布。其中,B(0.57)和B(0.35)分别表示0.57水灰比混凝土和0.35水灰比混凝土在加速碳化前浆体的孔径分布曲线,A(0.57)和A(0.35)分别表示0.57水灰比混凝土和0.35水灰比混凝土在加速碳化14d后浆体的孔径分布曲线。从图6中可以看出:①加速碳化后最可几孔径和孔隙率均出现明显减小,加速碳化后0.57水灰比混凝土的最可几孔径为11.23nm,0.35水灰比混凝土的最可几孔径为10.24nm,而碳化前二者的最可几孔径分别为91.3nm和88.2nm,碳化后最可几孔径分别降低了87.7%和88.6%;碳化前二者的孔隙率分别为31.2%和25.3%,而碳化后孔隙率分别为24.4%和15.2%,分别减小了21.8%和40.1%。②加速碳化后孔分布有明显的变化,100nm以上的孔数量明显减小,而小于10nm区域的小孔数量明显增多,可知碳化后孔径细化,结构更加密实。究其原因,加速碳化过程中外部二氧化碳气体进入试件内部并溶解在孔溶液中形成碳酸,可与水泥水化产物氢氧化钙和水化硅酸钙发生碳化反应,生成的碳酸钙体积大于反应物的体积,故在加速碳化后导致表面结构的孔隙率下降;学者Thiery研究表明,氢氧化钙在碳化之后体积增大4×10-6m3/mol,Papadakis认为氢氧化钙碳化反应后体积增大3.85×10-6m3/mol,总之,碳化之后生成的碳酸钙体积会增大,在毛细孔中沉积,将大的毛细孔分割成更小的孔。

3 结论

(1)水灰比对现代混凝土的碳化深度影响较大,14d龄期时0.35水灰比混凝土的碳化深度仅为0.57水灰比混凝土碳化深度的25%,因此,配制混凝土应尽量采用低水灰比,以保证其抗碳化能力。

(2)同一水胶比下掺加粉煤灰的混凝土抗碳化能力最小,28d龄期时掺加30%矿渣混凝土以及不掺加矿物掺合料混凝土的碳化深度分别为掺加30%粉煤灰混凝土碳化深度的85%和71%。因此,应控制混凝土中粉煤灰掺量低于30%。

对水利工程混凝土碳化的探讨 篇8

水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多, 约占总重的75%, 水泥完全水化后, 生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%, 氢氧化钙约占25%, 水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙, 在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。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%。混凝土的碳化是指大气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙中, 而后溶解于毛细孔中的水分, 与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物相互作用, 生成碳酸钙等产物。所以, 混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙, 里面充满着水分和空气, 在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。混凝土碳化有增加混凝土强度和减少渗透性的作用, 这可能是因为碳化放出的水分促进水泥的水化及碳酸钙沉淀减少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后, 其碱性降低, 加快钢筋腐蚀。

2 水工建筑物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, 有内在因素, 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。

不同的水泥, 其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同, 直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度, 对碳化速度有重要影响。一般而言, 水泥中熟料越多, 则混凝土的碳化速度越慢。外加剂 (减水剂、引气剂) 一般均能提高抗渗性, 减弱碳化速度, 但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀, 应严格控制其用量。

2.1.2 集料品种和级配。

集料品种和级配不同, 其内部孔隙结构差别很大, 直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实, 级配较好的集料的混凝土, 其碳化的速度较慢。

2.1.3 磨细矿物掺料的品种和数量。

如具有活性水硬性材料的掺料, 其不能自行硬化, 但能与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶结物质, 使混凝土碱度降低。在水灰比不变采用等量取代的条件下, 掺料量取代水泥量越多, 混凝土的碳化速度就越快。

2.2 影响混凝土碳化的外界因素

2.2.1 酸性介质。

酸性气体 (如CO2) 渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸, 与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应, 导致水泥石逐渐变质, 混凝土的碱度降低, 这是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究已证明, 混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比, 即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。

混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子 (CL-) 作用。氯离子在混凝土液相中形成盐酸, 与氢氧化钙作用生成氯化钙, 氯化钙具有高吸湿性, 在其浓度及湿度较高时, 能剧烈地破坏钢筋的钝化膜, 使钢筋发生溃灿性锈蚀。

2.2.2 温度和光照。

混凝土温度骤降, 其表面收缩产生拉力, 一旦超过混凝土的抗拉强度, 混凝土表面便开裂, 导致形成裂缝或逐渐脱落, 为二氧化碳和水分渗入创造了条件, 加速混凝土碳化。

阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高, 二氧化碳在空气中的扩散系数较大, 为其与氢氧化钙反应提供了有利条件, 阳光的直接照射, 加速了其化学反应和碳化速度。

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, 二氧化碳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二氧化碳生成碳酸, 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。

在混凝土浸水饱和或水位变化部位, 由于温度交替变化, 使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛, 造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝, 导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失, 在混凝土表面结成碳酸钙结晶, 引起混凝土水化产物的分解, 其结果是严重降低混凝土强度和碱度, 恶化钢筋锈蚀条件。

3 水工混凝土建筑物碳化的防止措施

3.1 施工方面。

混凝土质量好坏, 施工是关键。在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境, 选择合适的水泥品种;对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥;冲刷部位宜选高强度水泥。

3.1.1要认真选择建筑材料。水泥选用抗碳化能力强的硅酸盐水泥;集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料;施工中除砂要筛、石要洗外, 还要特别注意剔除集料中的有害物质。在混凝土中可掺入优质适宜的外加剂, 如减水剂、阻水剂等, 以改善混凝土的某些性能, 提高其强度和密实性、抗渗性、抗冻性。

3.1.2要严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满足配料和施工需要的最低范围内, 尽量减少混凝土的自由水。

3.1.3振捣和养护, 振捣一定要充分并严格按照规定标准进行, 必要时可作表面处理;养护一定要及时, 一旦混凝土达到初凝时, 就应立即进行养护, 并坚持按不同水泥品种所要求的时间养护, 控制好环境的温度和湿度, 以使混凝土在适宜的环境中进行养护。

3.1.4钢筋混凝土保护层厚度, 施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好, 使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。六是施工缝要做到少留或不留, 必须要留的, 应作好接缝处的工艺处理。

3.2 使用方面。

对于水工建筑物在使用上不要随意改变原设计的使用条件。因为水工建筑物使用条件的改变, 直接关系到外界气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化, 尤其是对于混凝土构件的容易碰撞部位, 更应当设置包角和隔层保护。

3.3 管理方面。

对于水工建筑中混凝土构件的管理, 主要是定期检查、加强维护。对于容易产生碳化的混凝土构件, 则应派专人定期观察及测试温度、湿度, 检查裂缝情况和碳化深度, 并作好详细记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时, 则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施, 绝对不允许其裂缝继续扩大, 必要时可作混凝土补强处理。用溶化的沥青涂抹。建筑物混凝土碳化, 最好采用环氧材料修补, 若碳化深度较大, 可凿除混凝土松散部分, 洗净进入的有害物质, 将混凝土衔接面凿毛, 用环氧砂浆或细石混凝土填补, 最后以环氧基液做涂基保护。

4 结束语

影响水工建筑物中混凝土碳化的因素很多, 问题比较复杂, 其检测手段与预防对策还有待于进一步分析研究。本文简要概括了水工建筑物混凝土碳化的形成、防治的主要措施, 我们的原则应该是防重于治, 首先应根据混凝土所处的环境, 合理进行配合比设计 (水泥品种的选择、W燉C的限制、外加剂的选用等等) ;其次是严把施工质量关, 加强工程运行中科学管理, 发现碳化破坏及时采取防范保护和修补措施, 以达到或延长工程的使用寿命。本文所述的水工建筑物混凝土碳化的因素与对策, 也适用于其他建筑物中混凝土碳化的研究。

参考文献

[1]李常升.水利水电工程质量监控与通病防治全书[M].北京:中国环境科学出版社, 1999.

[2]黄国兴, 陈改新.水工混凝土建筑物修补技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社.1998.

混凝土的碳化 篇9

三家国际商贸企业低碳化发展的案例分析

赵 琪 青岛酒店管理职业技术学院

低碳经济是一种正在兴起的经济模式，其核心是在市场机制基础上，通过制度框架和政策措施的制定和创新，推动提高能效技术、节约能源技术、可再生能源技术和温室气体减排技术的开发和运用，促进整个社会经济朝向高能效、低能耗和低碳排放的模式转型。在全球应对气候变化形势推动下，许多国家著名商家都开始制定“绿色计划”，加入到低碳化发展行列。本文列举三家国际商贸企业推动低碳化发展的做法或经验，值得国内企业借鉴和学习。

一、沃尔玛低碳化发展经验

2009年12月，沃尔玛中国区总裁兼首席执行官陈耀昌被《福布斯（中国）》选为2009年度人物之“低碳经济人物”，也是唯一来自跨国公司的年度人物。一直以来，低成本、低费用结构以及低价格确保了沃尔玛成为最大零售企业的关键，与沃尔玛一贯“省钱”的作风相反，在对有利于长远发展的投入上，沃尔玛认为可持续发展是零售商未来成功的关键。

（一）打造绿色供应链

沃尔玛与美国环境保护基金会（EDF）合作制定了一项基于全球供应链的绿色供应链计划，其中正在着手实施的“碳揭露计划”将公布6.8万家供货商的温室气体排放量。公司推出的环保包装记分卡和正在建设中的可持续性指数产品数据库，都是希望能直接比较同类产品的环保性能，有了横向比较就意味刺激了供应商之间的竞争，用“无形的手”引导他们的绿色转变。而未来，沃尔玛有望在中国实施碳足迹标识。“企业创新与可持续发展能力建设项目”、围绕“加强科技创新，促进节能减排”展开的“沃尔玛杯青年科技创新竞赛”、以及沃尔玛免费与供应商分享沃尔玛先进的零售技术零售链（RetailLink）等一系列活动，在低碳化发展方面发挥了一系列的作用：首先通过分享商品适时销售信息，以便供应商更好安排生产管理，降低库存；然后帮助供应商改进包装，提高物流配送能力；最终协助生产制造型企业在技术创新和可持续发展的能力建设、提高企业资源和能源利用效率、减少废物排放，降低环境污染、提高产品质量，打造绿色供应链。在低碳化经营思路的引导下，沃尔玛先后与四个供应商进行了清洁生产的改革试点，其中供应商投入了100多万，最终实现了环境效益收益达到500多万，实现了商贸企业与供应商低碳化发展的双赢。

（二）打造“低碳超市”

沃尔玛认为，“低碳超市”体现在100%使用可再生能源、零浪费以及出售对环境有利的商品等方面。其推出的节能环保产品促销活动，涉及品类包括节能降耗的家用电器、绿色环保的家居用品、健康食品等。在日化产品当中，沃尔玛重点推荐绿色产品，如免洗洗手液、无磷洗衣粉等，可以在相当程度上节约用水，减少对水质的污染；在鲜食区域，沃尔玛主推来自农超对接直采农场的绿色、有机蔬果、杂粮等；家居卖场主推环保材料制成的家居用品，如以28%废弃农作物（玉米、麦粉、淀粉等）为原料制作的衣架，天然竹纤维制成的厨房巾等。沃尔玛还同供应商合作，在产品包装上做文章，以减少塑料的使用和对环境的污染，在显著位置张贴“环保”、“节能”、“有机”产品的促销宣传。沃尔玛正积极努力在商场里面节约电能与水，在遍布全国74个城市的142家商场内的非营业高峰时期关闭部分照明节省能耗，同时开设全部采用LED照明的大型高效环保节能示范“低碳超市”，承诺要在2010年底能效提高40%，节水50%并减少20%的温室气体排放。

（三）实施“农超对接”

农超对接可以帮助农民提高市场适应能力、鼓励和引导他们进行标准化、规模化生产、指导他们在生产中推进环境保护，不仅促进了产业链优化，提高了食品安全水平，而且还为农民增加了收入，最终实现环境、顾客、农民及地方经济的多赢局面。要想成为沃尔玛的合作蔬菜基地必须通过沃尔玛质监部门及第三方检测公司的严格审查，基地必须取得无公害、绿色或者是有机产品基地认证，空气、水质、土壤等都需要符合检验标准，周围没有污染企业，面积在1000亩以上。另外，基地内从种植的菜品种类到种子、播种、技术、检测、采收、冷藏、包装、配送等各个环节，都必须在第三方机构的指导下进行。目前，沃尔玛超市内有三分之一的蔬果类产品将来自直接农场，有效地保证了食品质量安全和减少了中间环节，实现了低碳排放并通过科学培训，大大减少了农民在生产过程中对于环境的污染。沃尔玛的农超对接已经在贵州、辽宁、江西、广东等14个省市建立了28个直接采购基地，面积有30万亩，直接受惠农民28.3万人，到2011年底，农超对接项目将会惠及超过100万的农民。

在TESCO与曼彻斯特大学合作的可持续消费研究院最新报告《消费者、企业以及气候变化》的发布会上，TESCO集团首席执行官指出：“低碳目标、低碳技术无法单独实现世界所迫切需要的低碳转变，消费者也必须成为解决此问题过程中的重要一环。”到2050年，TESCO将成为一家零碳公司，TESCO为实现此承诺采取的举措主要有：

（一）打造“零碳门店”

TESCO提出的零碳门店的环保特点包括：建筑中应用来自于可持续资源的木材框架而不是钢材框架，大大减少了与之相关的碳排放量；综合供热供电发电设备使用的生物燃料来自于可再生资源；店内照明被弱化，因为自然光照得以增加，屋顶投射出的自然光线可进行销售区域照明；停车场和加油站使用LED灯照明；屋顶上的雨水收集设施使得雨水可以用于洗车和冲洗门店厕所；制冷系统、加热系统、通风系统以及空调系统几乎没有对环境产生影响；利用太阳能进行街道和过街通道照明；使用高效节能设备例如低能耗烤箱。TESCO中国将所有在 2008年及其后新开的门店均沿用节能店的标准进行建设，现在已有25家节能店，年节省能耗25%。未来TESCO也将完成对 2008年以前开设的门店的整改，届时这些老门店将每年节能15%。每家节能店减少电耗和碳排放量分别在100万度和1000吨以上，而按照现有门店数量计算，这些店面节能改造完成后，TESCO仅电费开支每年可省7000万元。

（二）实施“与人合作”

在供应链打造方面，TESCO提出，从英国开始，到2020年降低TESCO供应链中商品30%的碳排放量；同其他机构合作以确认出清晰的方式，使得到2020年消费者能够把个人及本土的碳足迹减半。2009年11月24日，TESCO同湖北省兴山县昭君果业签订了纽荷尔橙直采协议。这是TESCO继今年7月在京签订首个“农超对接”协议从平谷直采大桃后，在京签订的第二个“农超对接”协议，“农超对接”将有效帮助TESCO减少农产品的中间流通环节，缩短供货期，从而最大程度地保证农产品的品质和安全性。这种采购模式不仅响应了国家的号召，还大大降低了流通成本，使TESCO能够让利顾客，使他们能够得到更优惠的价格；同时还对增加农民收入、促进城乡统筹协调发展和推动农业现代化等多方面发挥积极的作用，很好地实现了农民、消费者和零售商的三方共赢。

（三）实现“灌能顾客”

TESCO通过使环保商品更易获得、价格更易承受以及通过碳标识来传递更多信息这些方式，来帮助消费者引领低碳生活，例如零垃圾掩埋以及塑料购物袋使用量减半。通过和其他方合作，找到明确的方法帮助顾客自身和国内碳足迹减半。TESCO家庭能源及排放服务的创造为寻求通过节能和使用可再生能源降低家庭排放和减少这一方面开支的消费者提供了可信赖的一站式解决方案；进一步推广绿色积分卡，鼓励大家在购物时增强环保意识和碳排放意识；支持制订出一种广泛通用的商品及服务方面的碳转换标准，此标准将为企业之间的碳合作提供基础，也将帮助增强消费者的碳计算能力。除此之外，TESCO还在中国积极回收包装废纸箱，开发集中配送优化供应链以减少货物运输中的碳排放，并把再生纸投入直投海报的印制中，帮助更多人唤起心中的环保意识，为节能减排、保护环境起到促进作用。

三、百安居低碳化发展经验

百安居作为欧洲第一、中国最大的装饰建材零售商和一贯倡导低碳家居生活的行业先锋，通过坚持投身“地球一小时”和其它更多的环保公益活动，引导消费者进行更富责任感的消费和生活方式，同时以可持续的商业模式为业界做出表率。

（一）坚持“可持续木材采购”

早在2004年，百安居就大力开发并销售符合森林管理委员会（FSC）指标认证的复合地板，同时百安居向其中国所有的木地板供应商发出专函，要求供应商检查并确保其所提供的原木和坯材产品的来源是合法、可信赖、可持续的。2007年，百安居携手绿色和平组织，全面停止印茄木地板的销售，以确保热带森林资源的可持续发展。2009年，百安居独家推出玻利维亚经典SELVA木质地板，玻利维亚SELVA地板作为少数经FSC认证的地板品牌，完全采自符合标准、生长完全的树木，每砍伐一颗树木，就必须重新栽种一棵树苗。目前，百安居正向一个更高的目标前进——确保商店出售的木制品和纸制品的原料来自权威认证的管理得当的森林或者回收再生材料。百安居还将植树善举常规化、标准化，促进林木资源的可再生利用，保证了整个产业链源源不断的良性循环。目前，百安居的商品质量监控被业界公认为是非常严格的，并对更多的原材料供应商提出低碳减排方面的合作标准，同时不断和供应商合作伙伴共同寻找更为环保的材质。

（二）实施“节能减排”

经济的快速发展与能源环境的矛盾日趋尖锐，同时，温室气体排放引起全球气候变暖，使得加强节能减排成为每个公民应该承担的责任。百安居认为一些简单易行的改变，就可以有效减少能源的消耗。如果全国 13亿人平均每人更换一只白炽灯，相当于每年节约电力650亿度，远超过三峡水电站一年的发电量；同时可以节约大量的煤炭和水资源，并能减排二氧化碳6500万吨、二氧化硫200万吨。因此百安居在提升公众环保意识并培养和改变人们一些消费习惯上不断投入。今年百安居在深圳再次推行节能灯泡换购活动，顾客便可凭家中任意品牌旧灯泡，加1元即可换购百安居自有品牌节能灯泡一个。2009年，百安居还斥资30万元对全国 14家商店进行照明系统工程改造，通过对照明工程的节能改造，百安居门店的平均照明能耗降低了16%。

（三）致力“绿色家装”

家居行业和低碳生活密不可分，百安居经常向员工传递最新的环保动态，使员工都能够成为环保理念的传播者。作为绿色家装的倡导者，百安居大力推广对环保有积极意义的家装产品。2007年底，百安居作为唯一一家全程合作伙伴还参与了由英国总领事馆文化教育处和上海科技馆联合主办的“气候酷派展览”。百安居还在上海杨浦店和龙阳店店外的空地搭起大型展览馆，陈列了一系列家装环保设计成果。作为环保主义提倡者，百安居担负起销售一些可循环使用的产品的责任，并在家装过程中，建议和指导顾客选择对环境更有益的产品。近年来，百安居在全国各个城市持续推广“安心家”项目，创先提出革命性的家居生活理念，提倡“安全·健康·节能”三大主张。百安居对咨询、设计、选材、施工四个环节的全程关注，通过对产品、工艺、流程的严格要求与认证，为消费者打造安全、健康与节能的全新家居生活环境。百安居从点滴细节着手，把碳足迹变成可人的“绿足迹”，逐步成长为中国家居行业的领军“绿巨人”。

[1]2050中国能源和碳排放研究课题组.2050中国能源和碳排放报告[M].科学出版社，2009.7

[2]蔡林海.低碳经济—绿色革命与全球创新竞争大格局[M].经济科学出版社，2009.8

[3]中国人民大学气候变化与低碳经济研究所：低碳经济—中国用行动告诉哥本哈根[M].石油工业出版社，2010.1

[4]沃尔玛中国网站.[EB/OL].http:/ /www.wal-martchina.com/

[5]TESCO中国网站[EB/OL].http:// www.cn.tesco.com/

[6]百安居中国网站[EB/OL].http:/ /www.bnq.com.cn/

粉煤灰混凝土的水化和碳化机理 篇10

关键词：粉煤灰,混凝土,水化,碳化

粉煤灰是火力发电过程中的副产品, 来源于锅炉中煤粉燃烧后的未燃尽无机残渣, 熔融的未燃尽颗粒随烟道气一起从锅炉中排出, 冷却后收集得到的粉末即为粉煤灰 (也称飞灰) , 是一种硅质或硅铝质材料, 本身具有很小的或没有胶凝性, 常温下能与Ca (OH) 2或其他氢氧化物发生化学反应生成具有胶凝性的水化产物[1]。

1 粉煤灰在混凝土中作用机理的分析

沈旦申在1981年提出了“粉煤灰效应”假说, 比较确切地评价了粉煤灰的品质[1]。一般情况下, 将粉煤灰在混凝土中的作用归结为3个效应的综合:1) 火山灰反应效应———化学作用。粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃炭粒组成的一个混合体。玻璃体中的主要化学成分Si O2, Al2O3与水泥水化生成的Ca (OH) 2发生火山灰反应, 生成C-S-H凝胶。2) 微集料填充效应———物理作用。粉煤灰颗粒很小, 颗粒强度高, 其致密作用对混凝土强度的发展有利;其次, 粉煤灰颗粒填充到微小孔隙中, 减少了孔隙体积和较大孔隙, 对混凝土的耐久性有利。3) 颗粒形态效应———物理作用。粉煤灰颗粒多呈球形, 粒径很小, 表面比较光滑, 这些球形小颗粒掺入混凝土中, 犹如滚珠, 可以提高混凝土的和易性, 减少用水量。研究发现, 粉煤灰颗粒越细、球形颗粒含量越高, 混凝土的用水量越少。试验采用Ⅰ级粉煤灰 (细度<45μm) 替代50%的水泥, 混凝土的用水量降低约20%[2]。

2 粉煤灰混凝土的水化过程与水化产物

粉煤灰混凝土中粉煤灰和水泥的水化是一个非常漫长的过程, 即使在混凝土硬化后水化仍在进行。一般认为, 在粉煤灰混凝土中, 首先是水泥水化, 然后是水泥水化产物Ca (OH) 2与粉煤灰的硅铝玻璃体反应, 生成水化硅酸钙和水化铝酸钙, 即粉煤灰是二次水化。H.F.W.Taylor认为粉煤灰水泥水化与普通硅酸盐水泥水化在四个方面有很大的差异[3]:1) 熟料相水化速度;2) Ca (OH) 2含量;3) 水泥熟料水化产物;4) 粉煤灰水化产物。

本文从已有的研究结果出发, 尝试找出不同学者研究结论之间的共同与差异之处, 部分回答了Taylor提出的四个问题。

熟料相水化速度:

Etsuo Sakai等的试验着重于掺加粉煤灰对水泥长期水化速度的影响。他们的研究结果表明, 从长期水化结果来看, 粉煤灰加速C3S的水化, 延缓C2S与C4AF的水化, 对于C3A的水化速度, 粉煤灰似乎影响不大[4]。

G.Baert等以Avrami和Jander方程为依据, 把掺加粉煤灰的水泥水化分为结晶成核与晶体生长、相边界反应和扩散三个过程程, , 建立了水泥矿物组成水化热与时间之间的关系。结果显示, 掺加不同粉煤灰时, C3S的水化都要经历一个先延缓后加速的过程;一些粉煤灰能加速C2S的水化, 另一些对C2S的水化没有影响;不同粉煤灰都使C3A的水化速度降低;对于C4AF的水化, 粉煤灰在1 d之内的影响比较复杂, 而1 d之后, 不同粉煤灰都加速C4AF的水化。粉煤灰的细度和玻璃体含量是影响水泥矿物组成水化速度的重要参数[5]。

Maciej Zajac等的试验结果显示, 1 d内, 粉煤灰加速C3S的水化, 2 d后, 粉煤灰对C3S的水化速度基本没有影响;C2S从第7天开始水化, 而掺加粉煤灰使C2S的水化速度降低;粉煤灰对C3A的水化速度没有影响[6]。

不难看出, 关于粉煤灰对水泥矿物组成水化速度的影响, 不同研究者的研究结果差异很大。其中, 涉及粉煤灰对C2S, C3A和C4AF水化速度影响的文献更是很少, 研究结论也相去甚远。

Ca (OH) 2含量:

前已叙及, 粉煤灰的二次水化是造成掺加粉煤灰水泥中Ca (OH) 2含量降低的主要原因。而要回答Taylor提出的第二个问题, 首先需要回答粉煤灰何时开始二次水化以及粉煤灰二次水化速度这两个问题。

Florian Deschner等用粉煤灰和石英砂取代水泥, 研究结果表明, 水化7 d后, 粉煤灰开始消耗Ca (OH) 2[7]。阎培渝等从抗压强度的角度得到了相同的结论, 水化7 d后, 掺粉煤灰与掺石英的水泥样品, 只要掺量和w/b相同, 其抗压强度基本相同。因此, 无论是粉煤灰或是石英, 在水泥水化初期都可以看作惰性掺合料, 不参与水泥水化反应[8]。文献[7]也得到了相同结论。当然, 也有学者得到了不同的研究结果。J.K.Weng等的试验发现粉煤灰3 d后开始水化[9];Xiao-Yong Wang等的试验结果显示粉煤灰21 d后开始水化[10]。

He Jun-yuan等指出, 孔隙溶液的p H值和温度是粉煤灰二次水化反应速度的主要影响因素[11]。Maciej Zajac等认为, 粉煤灰二次水化反应速度取决于孔隙溶液的p H值[6]。Stefan Slanika等通过试验发现, 粉煤灰比表面积越大, 取代水泥量越大, Ca (OH) 2含量越低[12]。

水泥熟料水化产物与粉煤灰水化产物:

相比于普通硅酸盐水泥, 掺加粉煤灰后, 水泥水化产物中有更多的C-S (A) -H和较少的Ca (OH) 2, 而C-S (A) -H的Ca/Si与Al/Si也将发生变化。

Florian Deschner等测得了C-S-H组成。不与普通硅酸盐水泥 (OPC) 相比, 掺加粉煤灰使C-S-H中的Ca/Si降低而Al/Si升高[7]。粉煤灰中的Si被吸附进C-S-H凝胶中, 使得硅链增长[13], 而这反过来也促进了Al的吸附[14]。

Qiang Wang等采用低钙粉煤灰取代50%水泥, 水化4年后发现, C-S-H中的Ca/Si为1.52, Al/Si为0.33[15]。

从上述学者的研究成果中不难看出, 粉煤灰—水泥系统中, C-S (A) -H中的Ca/Si与Al/Si随粉煤灰掺量和水化龄期变化;水胶比和粉煤灰的比表面积对Ca/Si与Al/Si的影响不大。

3 粉煤灰混凝土的抗碳化性能

混凝土的抗碳化性能主要取决于混凝土的碱储备和混凝土的孔结构。一方面, 粉煤灰混凝土特别是大掺量粉煤灰混凝土的二次水化将消耗大量Ca (OH) 2, 粉煤灰混凝土的碱储备降低;另一方面, 粉煤灰混凝土的孔隙率明显大于普通硅酸盐混凝土。而粉煤灰掺量和比表面积是影响上述两个方面的主要因素, 这两个主要因素也直接反映在学者们的研究成果中:

1) 粉煤灰掺量增加, 碳化深度明显增加;

2) 延长养护时间或者采用水养护都可以降低碳化深度 (孔隙率降低) 。

H.Ohga等的试验结果显示, 粉煤灰混凝土的碳化深度要明显大于普通混凝土;随水中养护时间延长, 粉煤灰混凝土的碳化深度有所降低;粉煤灰的品质差异对粉煤灰混凝土的碳化深度有一定影响, 氧化钙以及碱含量高的粉煤灰配制的混凝土似乎抗碳化能力要强一些[16]。

M.Kokubu等研究了粉煤灰混凝土暴露在自然条件下长达15年的碳化情况。结果显示, 粉煤灰混凝土的碳化深度远远高于普通混凝土[17]。

Vagelis G.Papadakis的试验结果显示, 随粉煤灰掺量的增加, 粉煤灰混凝土的碳化深度也相应增加;粉煤灰类别对粉煤灰混凝土的碳化深度也有一定影响, 相同条件下, 高钙粉煤灰的碳化深度小于低钙粉煤灰的碳化深度, 这与H.Ohga的研究结论一致[18]。

Linhua Jiang等的试验结果表明, 水胶比和水泥含量是影响大体积粉煤灰混凝土碳化深度的主要因素, 延长养护周期可以改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能[19]。