混凝土的碳化机理及其影响因素

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1、混凝土的谈亿机理及其影响因素杨静清华大学土木系提要本文分析了碳化反应的机理及其进展模式。采用快速碳化方法,探讨 了试验条件、水泥品种、水灰比、含水率等诸因素对混凝土碳化性能的影响。并利用线衍射分析,对混凝土的“碳化进行区域”的化学组分进行了考察。一、研究背景及目的混凝土的碳化是指混凝土受使用环境中 的二 氧化 碳的 作用使其 成 分、组织、性 能发生变化,使用 机能下降的现象。碳化与混 凝土 结构 物 的耐久性密切相关,是衡量钢筋混凝土结构物的使用寿命的重要指标之一。随着我国现代化进程的加快,道路、桥梁、高 层建筑、地 下 空 间 的开发利用等社会基础设施的建设方兴未艾。而这些构筑物大多为钢筋

2、混凝土结 构,其设计方法除了传统的 强度、刚度、抗震性等力学性 能指标设计,还要考虑 按使用寿命进行设计。跨世纪 的建筑物不仅要求具有高度,多功能性,而且要求具有超耐久性。混凝土结构物的使用环境一般为空气中、水中或地下。到年为止的观测,空气中的二 氧 化 碳浓 度,室外环 境 为,室 内 环境为。随着工业的发展,汽车使用量 的增多,目前大气中的的浓度室外已增 至。预 测 到。年将 达 到。此外,工厂排 泄的废液、废渣也使河 川与地下水 中的、的浓度 增加。所以,混凝土的碳化是一个不可忽视的问题,近年 来在国 内混凝土学术界引起许多学者的极大关注。本文从理论上 阐述混凝土碳化反应的机理,分析混凝

3、土碳化进展的模式,并以水泥砂浆及混凝土为对象,采用快速式验法,测定试件在不同的浓度、压力下的碳化速度并且就不同 品种水泥、水灰比、试 件的含水率进行 试验,考察各因素对混凝土碳化性能的影响。通过射线衍射分析,分析由碳化引起的混凝土化学成分的变化及在 混凝土 内部 碳化的进行状态,从 宏观工学及微观结构两个方面探索混凝土的碳化特性。二、混凝土 的碳化机理混凝土碳化的定义混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子。其中的水泥与水发生水化反应,生成 的水化物 自身具有强度 称为水泥石,同时将散粒状的砂和 石子粘结起来,成为一个坚硬的整体。因此混凝土中的水泥被称为胶结材料。所谓混凝土的碳化,是指水泥石

4、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现象。碳化将使混凝土 的 内部组成及组织发 生变 化,直接影响混凝土结构物的性质及耐久性。普通硅酸盐水泥石中的含量约占,值为一,呈强碱性。由于碳化作 用,使分解生成盐类,水泥 石原有的强碱性降低,值下降为左右。这种现象 叫做 中性化。当然,引起混凝土 中性化的原 因不仅仅是碳化,其他如酸雨、酸性土壤及火灾等作用也会。引起混凝土的中性化,本文将主要 讨论混凝土 的碳化机理及其影响 因素。混凝土的碳化反应混凝土的碳化是水泥石中的水化产物与环境中的相互作用的一个 复杂的物理化学过程。以普通硅酸盐水泥为例,其主要的水化产物有水化硅酸钙,占以

5、上,氢 氧 化 钙,约 占,水化铝酸钙及水化硫铝酸钙等。在水泥水化过程中,由于化学 收缩,自由水的蒸发等多种原因,形成 的 水泥石是一个含有固相、液相和气孔的非均 质体,环境中的气体通过这些孔隙向混凝土的 内部渗透,首先溶 解于孔 隙 内的 液相 中 生 成 碳酸。然后与水泥的各水化产物发生碳化反应。根据已有的研究,水泥石中各水化产物稳定存在的值如表所示二,。水泥石中各水化产物稳定存在的值表成分值水化硅酸钙水化铝酸钙水化硫铝酸钙氢级化钙当混凝土 细孔溶液 的值低于表 中所示值时,各物 质开始分 解。所以,在水化物 中,首先与酸性物质反应。混凝土碳化的主要反应化学式如下。十”碳化反应的进 展模式

6、在混凝土 的细孔溶 液 中,存在 着较 多的是一、一离子和与之平衡的离子。一的浓度很低。以天龄期的普通水泥砂浆为例,其细孔溶液中的屯一一离子和与之平衡的一离子的浓度 分 别为,当量 升,而十一的浓度只有当量 升,仅为一离子浓度的厅,。但是,这样的溶液在碳酸 的作用下,由于碳酸 盐中的溶解度 最低,时的溶解度为又一水 与此相对应,的溶解度分别为,水,。所以有选择性地首先沉淀,这时 为 了补充细孔溶液 中一 的不 足,固相 中的。溶解日本学者小林一辅将此过程描述为图所示的模式。并指 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 定其钙硅比得知,碳化

7、反应主要发生在孔隙的内壁上。已有的研究指出,水泥 的水化产物对二氧化碳具有 吸收与缓冲能力,在该能力未丧失之前,碳化反应进行,直到缓冲能力丧失,二氧化碳气体就将进一步向混凝土内部扩散。所以,碳化是呈阶梯状进行 的。本研究通过射线衍射分 析,测定 了碳化至一定龄期的混凝土试件各部位的化学成分,明确了混凝土的碳化前沿并 非线状,而是 一个左右宽度的带状,在此范 围内与两种成分共存影响混凝土碳化的因素由上述分析 可知,混凝土的碳化是伴随着气体向混凝土 内部扩散,溶解于混凝土孔隙内的水,再与各水化产物发 生碳化反应这样一个复杂 的物理化学过程。所以,混凝土的碳化速度取决于气体的扩散速度及与混凝土成分

8、的反 应性而气体的扩 散速度又受混凝土本身的组织密实性、气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素影响,所以碳化反应受混凝土 内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外部 因素伍幻诬幻 一竺山待一加孔洛策叮乌一一正处一几扎落液一。心而,心一以侧上一分口日一一巧口俐二 巍巍蘸细孔溶液的组成与气体 的任人三、试验方 法使用材料及配合比图混扭土的碳化进展摸式碳酸与细孔溶液的反应一砍故钙的沉浪与扭级有选择性地与中 十反应化钙的溶解,”酸盐水泥,高 炉 矿 渣 硅酸 盐 水泥,早强硅酸盐水泥。各种水泥的性质如表所示本试验采用以下三种水泥,即普

9、通 硅试验中使用的各种水泥的性质表水泥品种化学成分之比比表面积夭抗压强度比口急口舀。所用细骨料 砂 的最大粒径,比重二。所用粗骨料石子 的最大粒径,比重一。砂浆采 用 了 三种水 灰比,砂灰比一。混凝土的重量配合比如表所示。混凝土的重里配合比单位表。水泥。石子。试件及含水率调整砂浆试件的尺寸为,混凝土试件的尺寸为。成型的试件在室内养护小时 后 脱模,然 后 在士水 中养护至天。养护至天龄期的试件按不同目标含水率进行调湿处理。本文 中采用的有关吸水率和含水率的概念分别定义如下吸 水量水饱和状态下的试件所含有的全部 自由水量。一。吸水率 试件吸水 饱和 状态下的 吸水量 占绝对干燥重量的百分比纬。

10、吸水率一一又含水率们试件在任意含水状态下所含有的 自由水量占饱和状态下吸水量的百分比。争一,一八一以上式中各符号的意义分别如下试件吸水饱和状态 下的 重 量,试件在 绝对 干 燥状 态 下的重量,试件在 任 意 含 水 状态下 的重 量,试件 在吸水饱和 状 态下的吸水量。由于碳化反应是伴随 着气体 向混凝土内部扩散的过 程,而试件 的含水率对气体的扩散速度影响很大。同时考虑 到 实际的混 凝土构件在使用 环境下,通常含有一定量的水分所以将试件的 自由含 水率人为 地 调节为,三个水平,以考察含水率对碳化性能的影响。调湿后 的试件 单个包装,为 防止 水分损失且使水分在试 件 内部分布均 匀,

11、先用铝箔包装,再用塑 料 密封,并 在室 内放 置周。快速试验条件快速 试验 条件按气体的浓度、压力设 定为以下三种。一一写一。对于条件,每天更换一次新鲜的气体。条件则浓度 的气体连 续供给,条件按目标浓度使用专用装置进行 自动控制。碳化深度的测定将 达到暴 露 期 限 的 试 件 从 容器中取出,劈裂为二等分,将浓 度的酚酞指示液喷于断裂面,如 图所示 从试件表面到变色边界,测量处距离,求其算术平均值作为碳化深度。孟甲工千土, 孽丫,卫吸卜一一一一一一一一一一一,一一一一一一一州图碳化深度的测方法四、试验结 果与分析浓度对碳化速度的影响图、图分别为普通硅 酸 盐水泥砂浆、混凝土试件在上述三种

12、浓度下的碳化深度随时间的变化曲线。由该两图可见,的浓度越高,且压 力越大,碳化深度越大。对于砂浆试件,这种影 响更为明显条件下的天碳化深度约为条件 下的倍。这是 由于高浓 度、高压力的气体能较快地 向砂浆或混凝土 内部扩散,使碳化反应迅速进行。君。侧淤习帐。二。孟梦盟。闭石,凡王幼,卜企釜之。儿尸奋刃,寸向。别今叨 时间。“天侧哄妞移。图砂桨的碳化深度防 时 间的变化图混扭土 的碳化深度随时间的变化水泥品种的影响图是使用了三种不 同品种水泥的砂浆试件的碳化进展趋势,由图可见,碳化深度在很大程度上受水泥品种的影响。在 同一试验条件下砂浆的碳化速 度大小顺 序为,高炉 矿渣水泥普通硅酸盐水泥早强水

13、泥。根据所用的水泥性质分析,三种水泥 的含 量分别为写。而碳化反应是砂浆或混凝土 中的碱性物质吸收或缓冲的过程。水泥 中的含量越高,硬化的水泥石中生成 的的量也就越多,对的吸收能力也越强。所以碳化反应速度越慢 同时,矿渣水泥的水化过程中存在着二次水化作用,又会消耗掉一部分。所以使用了矿渣水泥的砂浆或混凝土碳化速度快宕桩乙侧吩球哪候。叼听习肖,寸 向幻图使用不同水泥的砂桨的碳化进展水灰比与碳化深度图是 暴露期限 为天的混 凝土的水灰比与碳化 深 度 的关系。试 验 条件为浓度,常压下进行。如图所示,碳化深度随水灰比的增 加而增大。这种现象也可以认为是碳化深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的含量

14、的影响。水灰比越大,单位水泥用量越小,混凝土单位体积内的含量也就越 少,碳化速度越快同时,水灰比越 大,混凝土 内部的空 隙率也随之增大,这 也是使 混凝土碳化速度加快的另一个原因。碳化与试件的 含水率的关系图所示为混凝土试件的含水率与碳化深度的关系。随着含水率的增加碳化深水灰卜弧图水灰比与碳化深度度减小。这是由于含水率越大,混凝土内部孔隙内被大量的水 充填,阻碍气体 向混凝土 内部扩散,所以碳化速度减慢由此可 以推定,若混凝土处于水饱和状态,即含水率为,且水中不含有碳酸,则混凝土不会发生碳化反 应。但是由于碳化反应的先决条件是必须有水的参与,所以含 水率降低到一定程度以下时碳化反应也将停止。

15、射线衍射结果分析图是将碳化到一定龄期的混凝土试件进行切片取样,分别进行射线衍射试验得 出的试件和的强度曲线。如图所示,越接近表面,的衍射强度越高,越深入到试件内部的强度降低,相反的强度增高。在某一位置,二者急剧变化并有一交叉点。在此交叉点的两侧,大约有左右 的范围,两种化学成分共存。该区域称之为“碳化进行区域”,其左侧 靠近试件表面一侧称 为已被碳化区域,其 右侧试件内部一侧 称为未被碳化区域上述的碳化深度值大一。这说明用酚酞指示液测得的碳化深度为“碳化进行区域”的外缘。五、结 语定犯。侧份份译水舍生中外圈试件的含水率与碳化深度根据以上机理分析及试验结果,可得出以下结论。混凝土的碳化是伴随着气

16、体向混凝土内部扩散,并且溶于混 凝土 的孔隙水中成 为碳酸,再与水泥 水化产物发生反应的复杂的物理化学过 程。影响混凝土碳化的因素有混凝土的密实程度,水泥品种,水化物中的含量,水灰比等内部因 素和气体的浓 度,压 力,环境的湿度,试件的含水率等外部因素。气体的浓度越 高,压 力越大,碳化速度越快。三种水泥品种相比较,碳化速度大小的顺序为。试件的含水率越大,碳化的进展越缓慢。受碳化作用的混凝土内部存在着一个约 为宽度的带状范 围,称为碳化进行区域,在其外侧是已被碳化区域 在其内侧是未被碳化的区域。由酚酞指示液检出的碳化深度通常位于碳化进行区域的外边缘。参考文献 离式才牛丧面口勺像友一,图射线衍射试验结果本试验 中用酚酞指示液测定的上述试件的碳化深度分别为,、,与此相对 应,图中的 曲线 交叉 点分 别 为,均比,冈,一幻 川村满纪了沙力骨材反应忆关寸石夕 夕求少巾乙于 午久卜,一,小林一辅 宇野右一口夕夕一卜刃炭酸化的万力二又石二夕夕 叼一卜工学 论文集,