水工混凝土碳化危害、预防及处理

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[摘 要] 混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的不可忽视的问题。水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，超过钢筋保护层厚度处较多，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出，直接影响这些建筑物的安全度。本文介绍混凝土碳化的概念、碳化机理、预防措施、处理方法。

[关键词] 混凝土 碳化 耐久性 预防 处理

1. 混凝土碳化概念

混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

根据湖北省水利水电工程检测研究中心对省内30多个工程碳化检测成果来看，五、六十年代修建的水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，一般为20～60mm，最大甚至超过90mm，远均超过钢筋保护层厚度，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出。这些建筑物的安全度普遍较低。

2. 混凝土碳化机理

混凝土碳化是在潮湿环境下渗入混凝土体内部的CO2与水泥石中的Ca2发生中和反应,降低混凝土中的碱度的过程。

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，以及水泥石和骨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%。

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应，生成碳酸钙等产物。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。水泥石中各水化产物稳定存在的pH值如表1。

当混凝土细孔溶液中pH值低于表1中所示值时,各物质开始进行分解。

在混凝土的细孔溶液中，存在较多的是K+、Na+和与之平衡的OH-。Ca2+的浓度很低。但是，这样的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸盐中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有选择性地首先沉淀，这是为了补充溶液中Ca2+的不足，固相中的Ca2 溶解。有的学者指出水与空气的存在是混凝土发生碳化的先决条件。

根据已碳化完了的试件的孔隙壁及内部的取样，测定其钙化比得知，碳化反应主要发生在孔隙内壁上。水泥的水化产物对CO2 具有吸收与缓冲能力，在该能力丧失之前，碳化反应进行，直到缓冲能力丧失，CO2 气体再一步向混凝土内部扩散。所以，碳化是呈阶梯状进行的。混凝土的碳化结果，使凝胶孔和部分毛细管可能被碳化产物CaCO3 等堵塞，混凝土本身的抗渗性和强度会有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液体中pH值，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀。钢筋开始锈蚀后，随后钢筋径向膨胀，保护层顺筋开裂，最后钢筋锈蚀加剧直至结构破坏；混凝土碳化破坏了混凝土结构的表面稳定的水化生成物，碳化反应生成的碳酸钙强度较低，从而降低混凝土强度。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土产生裂缝,从而破坏建筑物。

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