高层建筑中高标号混凝土碳化影响因素及防治
发布时间：2013-06-22
摘要：高标号混凝土的碳化虽然能对高标号混凝土的耐久性产生严重的不良影响，但只要科学施工，严格管理，采取各种措施，预防高标号混凝土的碳化或减慢碳化速度是完全有可能做到的。本文结合多年的实践经验，主要针对高层建筑中高标号混凝土碳化的影响因素进行了全面的分析，并提出了相关的防治措施。
关键词：理工论文,核心期刊论文,高层建筑,高标号混凝土碳化,影响因素,防治措施
1 概述
在高标号混凝土建筑工程中，高标号混凝土必须是耐久性的(高标号混凝土耐久性是指高标号混凝土在所使用的环境中保持长期性能稳定的能力)。如耐久性能不足，就会造成结构物不同程度的损坏，一旦被损坏，所作修复工作投入的人力、物力往往是很大的;如耐久性能不足，甚至整个工程就会完全遭到破坏，给国家造成重大损失。因此提高高标号混凝土的耐久性、对延长高标号混凝土建筑物的使用年限，节约国家对建筑的投资，具有重要的现实意义和深远的历史意义。影响高标号混凝土耐久性的因素是多方面的，而其中重要因素之一就是高标号混凝土的碳化。高标号混凝土碳化，会引起钢筋锈蚀，导致其体积膨胀，使高标号混凝土保护层开裂，直至使高标号混凝土剥落，严重的影响了高标号混凝土建筑物的耐久性。因此必须采取相应措施，防止高标号混凝土的碳化或降低碳化速度。
2 高标号混凝土碳化机理
硬化的高标号混凝土，由于水泥水化生成Ca(OH)2，故显碱性，PH值>12，此时高标号混凝土里的钢筋表面生成一层稳定、致密、钝化的保护膜，使钢筋不生锈。当不密实的高标号混凝土置于空气中或Co2环境中时，由于Co2的侵入，高标号混凝土中的Ca(OH)2与空气中的Co2在一定湿度的范围内发生化学反应，生成CaCO3等物质，其碱性逐渐降低，甚至消失，这种化学反应称为高标号混凝土的碳化。当环境处于50-70%的湿度时碳化速度最快。(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HCI等，均能进行中和反应，使高标号混凝土碱性降低，使其中钢筋去钝化，故高标号混凝土碳化应更广义的称为“中性化”)。这个碳化过程是由表及里、由浅入深，逐渐向高标号混凝土内部扩散。表层的高标号混凝土碳化后，侵入的Co2将继续沿着高标号混凝土中的空隙通道向高标号混凝土的深处扩展，直至到达高标号混凝土里钢筋的表面。碳化作用降低了高标号混凝土的碱性，对钢筋的保护膜起破坏作用，当高标号混凝土的PH值<12时，钢筋的保护膜就不稳定，当PH值<11.5时，钢筋的钝化膜就会遭到破坏，引起钢筋锈蚀，导致其体积膨胀至约为基体的2-4倍，所产生的膨胀力将使高标号混凝土保护层开裂。开裂的高标号混凝土由于Co2不断的侵入，碳化更加严重，钢筋锈蚀更加厉害，直至使高标号混凝土剥落，严重的影响了高标号混凝土的耐久性。
3 高层建筑高标号混凝土碳化影响因素
3.1 原材料的影响
3.1.1水泥品种
水泥品种不同意味着其中所包含的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响着水泥的活性和高标号混凝土的碱性，对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下砂浆的碳化速度大小顺序为，高炉矿渣水泥(BFC)>普通硅酸盐水泥(OPC)>早强水泥(HEC)。矿渣水泥高标号混凝土，之所以碳化速度较快，主要是因为矿渣水泥的水化过程存在二次水化反应，导致氢氧化钙含量减少。
3.1.2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，直接影响着高标号混凝土的密实性。试验说明，普通高标号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高标号混凝土的0.56倍。
3.2 设计原因
3.2.1 水灰比对高标号混凝土碳化的影响
水灰比是决定高标号混凝土性能的重要参数，对高标号混凝土碳化速度影响极大。众所周知，水灰比基本上决定了高标号混凝土的孔结构，水灰比越大，高标号混凝土内部的孔隙率就越大。高标号混凝土中的气孔主要有胶孔、气孔和毛细孔。胶孔的半径很小，CO2分子很难自由进出;CO2扩散均在内部的气孔和毛细孔中进行。因此水灰比一定程度上决定了CO2在高标号混凝土中的扩散速度，水灰比越大，孔隙率越高，CO2的扩散越容易，高标号混凝土碳化速度越快。国内外进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与高标号混凝土碳化速度的关系。
碳化速度系数与水灰比的表达式：
其中k=12.1w/c-3.2式中，w/c—高标号混凝土的水灰比。
3.2.2水泥用量对高标号混凝土碳化的影响增加水泥用量，一方面可以改变高标号混凝土的和易性，提高高标号混凝土的密实度;另一方面可以增加高标号混凝土的碱性储备，直接影响高标号混凝土吸收二氧化碳的量。高标号混凝土吸收二氧化碳的量取决于水泥用量和高标号混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢，通过试验给出了不同水泥用量的碳化深度比值。快速碳化试验中得出了碳化与水泥用量指数的倒数成正比。以大量的试验数据为前提，根据最小二乘法可以拟和水泥用量对碳化速度的影响公式：
φ=2.582-4.71x 其中，φ为碳化速度;x为单位体积水泥用量(T)。
3.2.3高标号混凝土抗压强度
高标号混凝土抗压强度是高标号混凝土基本性能指标之一，也是衡量高标号混凝土品质的综合性参数，它与高标号混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在—定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度、骨料品种、掺和剂以及施工质量与养护方法等对高标号混凝土品质的共同影响。据有关资料表明，高标号混凝土强度越高，抗碳能力越强。
3.2.4不同应力状态对高标号混凝土碳化的影响
高标号混凝土试件在不同应力状态下其碳化速度有所不同。通过对高标号混凝土施加荷载后进行快速碳化试验研究可以在实际工程中对不同受力构件采取不同的防碳化措施以提高高标号混凝土的耐久性。高标号混凝土施加应力之后对内部的微细裂缝起到了抑制或扩散作用。微细裂缝的存在使CO2容易渗透，引起碳化速度加快。但施加了压应力之后，使高标号混凝土的大量微细裂缝闭合或宽度减小, CO2的渗透速度减慢，从而减弱了高标号混凝土的碳化速度;当然，高标号混凝土中的压应力过大时，也可使是高标号混凝土产生微观裂缝，加速碳化过程。相反，施加拉应力后，高标号混凝土的微裂缝扩展，加快了高标号混凝土的碳化速度。
3.3 施工原因
3.3.1施工质量的影响
施工质量差表现为振捣不密实，养护不善，造成高标号混凝土密实度低，烽窝麻面多，为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件，加速了高标号混凝土的碳化速度。调查研究发现，施工时高标号混凝土原材料选用不当、高标号混凝土配合比计量不准、振捣不密实、使高标号混凝土表面掉皮及棱角剥落、拆模后不养护或养护不足等问题，直接影响高标号混凝土的成品质量，降低高标号混凝土的抗碳化性能。如果将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级，则相应的碳化速度分别为0.5:0.7:1.0:1.4。
3.3.2 养护对碳化的影响
高标号混凝土养护状况对碳化也有比较大的影响。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、拆模以后未采取防高标号混凝土表面或孔隙水流失措施，或洒水养护不到位，在高温或强风等条件下，使高标号混凝土水分迅速流失。水分的流失，导致水泥水化不充分，水泥石中Ca(OH)2含量偏低，同时使表层高标号混凝土渗透性增大，碳化速度加快。
4 预防高标号混凝土碳化的措施预防高标号混凝土碳化的措施
4.1提高高标号混凝土的抗渗性。
由以上所知，高标号混凝土的碳化与其抗渗性有直接关系。一般说来，高标号混凝土的抗渗性能越好，则高标号混凝土的碳化速度越慢。因此为防止高标号混凝土的碳化，必须提高高标号混凝土的抗渗性。其方法有：
(1)降低水灰比。影响高标号混凝土碳化速度的主要因素是水灰比。水灰比小的高标号混凝土水泥浆的组织密实，透气性小，既有较好的抗渗性，因而碳化速度慢。所以在拌制高标号混凝土时，在满足设计要求和施工要求的情况下，尽量降低水灰比，减少用水量，增加密实度，提高高标号混凝土的抗渗性。为此，可掺引气型的高效减水剂，一方面使高标号混凝土内部产生均匀、稳定、互不连通的微小气泡，阻止了CO2的渗透，另一方面也大大减少了高标号混凝土的用水量，增加了高标号混凝土的密实度，提高了抗渗性;
(2)选择合适的材料。应选用颗粒细、水化热低的水泥。因为越细，凝结越快，泌水越少，抗渗性能越好。水泥标号一般不低于425#;细骨料要求砂的颗粒均匀、圆滑、质地坚硬、平均粒径为0.4mm左右的河砂，含泥量<3%，并含适量的粉砂;选用粗骨料，除大体积外，一般情况下粒径5–30mm为宜，最大粒径不超过40 mm、含泥量<1%，要求组织细密、颗粒整齐、质地坚硬，另外级配要优良，以改善高标号混凝土的和易性，增加密实度，提高抗渗性。
(3)加强早期养护。如高标号混凝土早期养护不好，水泥得不到正常水化，一是会降低高标号混凝土的密实度，二是极易产生裂缝继而影响抗渗性。据有关资料记载：水灰比0.6的矿渣水泥高标号混凝土，湿养3d比湿养7d者碳化加快50%。所以一定要加强高标号混凝土的早期湿润养护，时间不得少于14d，以保证水泥正常水化，增加密实度，提高抗渗性。
(4)防止裂缝。由于各种原因容易使高标号混凝土产生裂缝。高标号混凝土建筑物中常见的裂缝有：干缩裂缝、塑性收缩裂缝、沉降裂缝、温度裂缝等。防止干缩裂缝、塑性裂缝、收缩裂缝、沉降裂缝采取的措施有：除以上提到的(1)–(3)项外，高标号混凝土搅拌时间要适当，浇筑时下料不要太快，防止堆积，振捣要密实，但避免过振，一般振捣时间为每次10–15s，高标号混凝土初凝前要抹平，终凝前要压光，压光后要及时用湿草帘苫盖或喷涂养护剂认真养护。夏天气温高，要及时喷水养护，使其保持湿润;防止温度裂缝的措施有：施工时，首先要考虑矿渣水泥、粉煤灰水泥，对于大体积高标号混凝土要用中热或低热水泥，同时在保证强度指标的情况下加入一定量的活性掺合料(如粉煤灰、矿渣微粉等)。在一定范围内，活性掺合料对水泥的代用量越多，降低高标号混凝土温升的效果越好。另外可充分利用高标号混凝土的后期强度，根据工程结构实际承载力和工期长等情况，和设计单位协商，用56d、90d的抗压强度代替28d的抗压强度做为设计强度。如充分利用高标号混凝土的后期强度，可使每方高标号混凝土少用水泥约50kg，则高标号混凝土温度可降低约5℃，可减少高标号混凝土温度裂缝。再就是在大体积高标号混凝土里加入缓凝、引气型的减水剂，以改善其和易性、流动性、粘聚性、保水性。通过分散和减水作用，可降低用水量，增加高标号混凝土的密实度和强度，同时还降低水化热，推迟温峰出现的时间，因而减少温度裂缝，亦提高高标号混凝土抗渗性。
4.2要用生成Ca(OH)2多的水泥。由于水泥品种、掺合料品种及其掺量的不同，水泥水化时生成的碱性物质Ca(OH)2含量都有所不同，故对高标号混凝土的碳化速度也有一定的影响，生成Ca(OH)2多的水泥，其高标号混凝土碳化速度慢。所以施工时要选择生成Ca(OH)2多的水泥，以减慢高标号混凝土的碳化速度。如：使用普通硅酸盐水泥浇筑的高标号混凝土要比使用早强硅酸盐水泥浇筑的高标号混凝土碳化速度稍快些。而使用加掺合料的水泥浇筑的高标号混凝土则比使用普通硅酸盐水泥浇筑的高标号混凝土碳化速度要快些。因为熟料含量多、掺合料少的水泥，通常碱性较高，碳化速度慢。掺粉煤灰、煤矸石者一般比掺等量矿渣的水泥碳化快，高铝水泥在水化过程中不生成氢氧化钙，所以高标号混凝土不显碱性，易于碳化。各种水泥高标号混凝土的碳化速度参见碳化速度比率R表。
4.3适当增加钢筋高标号混凝土保护层的厚度，以延缓二氧化碳等到达钢筋表面的时间。
4.4表面涂刷防渗层。为防止渗透在高标号混凝土结构表面涂刷抗渗性和耐久性好的有机防渗层材料，在一定程度上可以阻滞空气的渗透而减慢高标号混凝土的碳化。
4.5在高标号混凝土里掺阻锈剂，这样也可以防止由于高标号混凝土的碳化而引起的钢筋锈蚀。
4.6高标号混凝土碳化处理措施
高标号混凝土的碳化对高标号混凝土的耐久性将产生很大的危害，因此必须及时的采取相应的防碳化措施。
(1)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。
(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高标号混凝土。
(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。
总之，高标号混凝土的碳化虽然能对高标号混凝土的耐久性产生严重的不良影响，但只要科学施工，严格管理，采取各种措施，预防高标号混凝土的碳化或减慢碳化速度是完全有可能做到的。
参考文献：
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[2] 孟锦然. 浅谈高标号混凝土碳化的影响因素及控制措施[J]. 科技信息. 2009(01)
[3] 池永,姜国华. 高标号混凝土碳化的影响因素及应对措施[J]. 山西建筑. 2009(08)
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