建筑工程用混凝土碳化、冻融破坏影响因素及防治

　建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以碳化、冻融破坏为常见，致使许多建筑物的运行寿命大为缩短，造成极大浪费。所以有必要进一步探讨水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏机理及防治措施。

　　1．混凝土碳化机理

　　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。

　　混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO₂气渗透到混凝土内，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，其化学反应为：Ｃａ（ＯＨ）₂＋ＣＯ₂＝ＣａＣＯ₃＋Ｈ₂Ｏ。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Ｆｅ₂Ｏ₃和Ｆｅ₃Ｏ₄，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。

　　混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，如浙江省的富春江水电站，湖南省的桃江水库等，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T．C．Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀９％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。

　　另外凝胶不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

　　2．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。

　　2．1．4　水泥用量

　　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，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。

　　2．1．5　水灰比

　　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，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。

　　2．1．6　施工质量

　　施工质量差表现为振捣不密实，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化。

　　2．1．7　养护质量

　　混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。

　　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．混凝土碳化的简易测试

　　采用化学测试法。即先凿掉混凝土保护层，然后滴入或涂抹酚酞剂，看混凝土是否变色（碳化），若发现有碳化情况，则可迅速地测试出其碳化深度。

　　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

　　混凝土质量好坏，施工是关键。一是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。二是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。三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。四是振捣和养护，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。五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。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。

　　4．3　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。

　　4．4　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。

　　5混凝土冻融破坏影响因素及防治

　　5.1混凝土冻融破坏影响因素

　　混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如；水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，又如骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响；二是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件，所以混凝土模板种类、性质和表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响；四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是严格控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，因此必须把好质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。

　　5.2混凝土冻融破坏的防治

　　对于混凝土冻融破坏的防治，结合我们的施工实践，总结出了如下几点：

　　（１）预防措施。一是在混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成份和不同性能的水泥、骨料和外加剂，从材料方面确保混凝土的耐久性；二是严格混凝土制作配合比，一定要根据结构类型和所处的环境条件，试验确定关键参数，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分仅为其重量的２５％左右，若水量增加，多余的水就游离析出，产出孔隙，饱和后易受冻胀破坏；另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一；三是人为地优化建筑物混凝土构件周围的环境条件，以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。

　　（２）治理措施。①水泥砂浆修补，适用于轻微的表层破坏；②预缩砂浆修补，所谓预缩砂浆是指经拌和好之后再归堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂浆，此种方法适高速水流区混凝土表面的损坏；③喷浆修补，多用于混凝土冻融破坏化较严重的部位；喷混凝土修补，是指经施高压将混凝土拌料以高速运动注入被修补的部位，其密度及抗渗性较一般混凝土好，且具有快速，高效的特点；④环氧材料修补，一般有环氧基液、环氧砂浆和环氧混凝土等，这种材料具有较高的强度和抗蚀、抗渗能力，并与混凝土结合力较强，但价格较贵，施工工艺复杂，材料配比严格，此法可与其它修补方法配合使用，效果更佳；总之我们应当根据水工建筑物所处的环境、位置和冻融破坏的程度以及原混凝土构件制作的主要材料性能综合选用不同的修补方法，才能获得较好的效果。