混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響1/2混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響摘要：本文分析了大氣環境中CO2、SO2等物質使混凝土發生碳化的作用機理及影響混凝土碳化的主要因素,闡述了鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕的電化學過程,運用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化對鋼筋蝕的影響。關鍵詞：混凝土；碳化；鈍化膜；鋼筋腐蝕自從1824年波特蘭水泥〔又稱之為硅酸鹽水泥問世以來,混凝土材料就以其性能優越、施工方便和經濟成本低等方面的顯著優勢在土木工程領域得到廣泛的應用。然而在大氣中的CO2、SO2等外部介質作用下,混凝土結構會逐漸發生碳化,從而導致鋼筋腐蝕〔銹蝕,其性能產生衰減,混凝土結構的使用壽命往往也沒有人們所預想的那樣長。根據煤碳部1996年對部分礦區生產系統的鋼筋混凝土結構建筑的調查報告,顯示因混凝土碳化造成混凝土中鋼筋銹蝕,其鋼筋銹蝕深度達20%以上,結構的可靠度大大降低。因此混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響逐漸引起了結構工程界的重視。1混凝土的碳化1．1混凝土碳化的作用機理混凝土的碳化是指空氣中的CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中液相的Ca〔OH2作用,生成CaCO3和H2O的中性化過程。此外水泥石中水化硅酸鈣〔CSH和未水化的硅酸三鈣〔C3S及硅酸二鈣〔C2S也要消耗一定的CO2氣體。由于混凝土是一種多孔性材料,在其部往往存在著大小不同的毛細管、孔隙、氣泡等缺陷,具有一定的透氣性。空氣中的CO2首先滲透到混凝土部充滿空氣的孔隙和毛細管中,而后溶解于毛細管中的液相,與水泥水化過程中產生的Ca〔OH2和水化硅酸鈣〔CSH等物質相互作用,形成CaCO3。Ca〔OH2是水泥的主要水化產物之一,對于普通硅酸鹽水泥而言,水化生成的Ca〔OH2可達10%～15%。Ca〔OH2一方面是混凝土高堿度的主要提供者,另一方面又是混凝土中最不穩定的成分之一,很容易與環境中的酸性介質發生中和反應,從而使混凝土碳化。經過大量的研究表明,混凝土的碳化過程是CO2氣體由表及里向混凝土部逐漸擴散、反應復雜的物理化學過程,主要的碳化反應方程如下：Ca〔OH2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O3CaO·2SiSO2·3HO2+3CO3→3CaCO3·SiO2·3H2O3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→3CaCO3·2SiO2·nH2O混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共1頁，當前為第1頁。3CaO·2SiSO2·3HO2+nH2O→2CaCO3·SiO2·nH2O混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共1頁，當前為第1頁。隨著混凝土碳化過程的進行,混凝土毛細孔中Ca〔OH2的含量會逐漸減少,必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH值可以用下式表示：PH=14+log10[2×103×Ca〔OH2〔aq]式中Ca〔OH2〔aq——表示混凝土部毛細孔中液態Ca〔OH2的含量。混凝土的碳化改變了混凝土的化學成分和組織結構,對混凝土的化學性能和物理力學性能有著明顯的影響。1．2混凝土碳化的影響因素從混凝土碳化作用機理的闡述中可知,影響混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性儲備的大小,即混凝土的滲透性及其Ca〔OH2堿性物質含量的大小。可以說,如果混凝土的孔隙率越小、滲透性越低、密實性越高、Ca〔OH2含量越大,則混凝土的抗碳化性能越好；反之,則越差。影響混凝土密實性及其堿性儲備的因素十分復雜,與多種因素有關,具體來說有材料因素、環境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品種及其用量、混凝土強度等級、骨料級配、外加劑等；環境因素包括環境相對濕度、溫度、壓力以及CO2氣體濃度等"施工因素包括混凝土攪拌、振搗和養護條件等。1．2．1水灰比的影響。水灰比增加,混凝土硬化后,多余的水分蒸發或殘留在混凝土中,會提高混凝土部毛細孔的含量,滲透性提高,因此CO2氣體在混凝土毛細孔中的擴散速度加快,從而將加快混凝土的碳化速度,使混凝土碳化區的碳化深度提高。對于普通混凝土,水灰比大小對混凝土碳化的影響可以用下式表述：η=4.15×W/C-1.03式中η——水灰比對混凝土碳化影響系數；W/C——混凝土水灰比大小。圖1為幾種不同水灰比下的混凝土制作成標準試件,進行混凝土快速碳化試驗〔快速碳化試驗條件：CO2的濃度為20±5℃,水泥為普通硅酸鹽水泥,從試驗結果中可以看出增加混凝土的水灰比,可以加快混凝土的碳化速度。混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共2頁，當前為第2頁。水泥品種的影響。礦不渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快。這是因為火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiS2的含量高,水泥水化時,SiO2和CaO發生反應大量生成水化硅酸鈣,而生成的Ca〔OH2含量較少,混凝土的堿性低；而硅酸鹽水泥中CaO的含量高,能生成較多的Ca〔OH2,堿性高。另外,混凝土的碳化還與CO2氣體的滲透速度有關。經過大量實踐可以證明：在相同濕度情況下,火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO2氣體的滲透速度要比硅酸鹽水泥混凝土的滲透速度大。混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共2頁，當前為第2頁。圖2為在水灰比相同、CO2氣體濃度相同、空氣相對溫度和溫度相同情況下,幾種混凝土碳化深度的比較,可見硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度為最小。1.2.3空氣相對濕度的影響。混凝土的碳化與混凝土環境的相對濕度有著重要關系。Ca〔OH2與CO2反應生成的水要向外擴散,以保持混凝土部與大氣之間的濕度平衡。如果水向外的擴散速度由于環境濕度大而被減慢,混凝土部的水蒸氣壓力將增大,CO2氣體向混凝土部擴散滲透的速度將降低乃至終止,混凝土的碳化反應也隨之減慢。在相對濕度接近100%時,混凝土中的孔隙被水蒸氣的冷凝水所充滿,反應產生的水向外擴散和CO2向滲透的速度大幅度降低,碳化將終止。而當相對濕度小于25%時,雖然CO2的擴散滲透速度很快,但混凝土毛細孔中沒有足夠的水,空氣中的CO2無法溶解于混凝土毛細管水中,或其溶解量非常有限,使之不能與堿性溶液發生反應,因此碳化反應實際上也無法進行。有資料表明,在相對溫度為50%～70%的條件下,最有利于促進混凝土的碳化。這就是為何我國陸地區較沿海地區碳化明顯的原因。圖3給出了水灰為0.65,濃度為50%,碳化時間為5天,在不同濕度環境下,混凝土的碳化深度。1.2.4空氣中CO2濃度的影響。通常認為,CO2在混凝土中的碳化深度可按下式計算：式中D——混凝土碳化深度；K——CO2擴散系數；C——混凝土表面CO2的濃度；t——混凝土碳化持續時間；m——單位體積混凝土所吸收CO2的體積。由上式可以看出,在其他條件不變的情況下,環境中CO2氣體的濃度越高〔C值越大,則在一定使用期混凝土碳化速度越快,碳化深度〔D越大。1.2.5混凝土強度等級的影響。混凝土強度等級越高,混凝土則越密實,CO2的擴散速度則降低,從而使混凝土的碳化速度隨之降低,混凝土的抗碳化能力得到提高。混凝土強度等級大小與混凝土碳化速度之間的關系,可以用下式表述：K=210/fcu-3.3式中K——混凝土碳化速度系數；fcu——混凝土的立方體抗壓強度混凝土振搗、養護的影響。混凝土在施工操作過程中如振搗和養護良好,則混凝土硬化后密實度較高,混凝土的碳化速度慢。如果混凝土在施工初期養護不良,混凝土中的水分蒸發過快,混凝土面層的滲透性增大,則可加快混凝土的碳化。2混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共3頁，當前為第3頁。2.1鋼筋腐蝕的作用機理混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共3頁，當前為第3頁。根據鋼筋腐蝕的不同機理,鋼筋腐蝕一般分為化學腐蝕與電化學腐蝕等幾種形式,對于鋼筋混凝土構件中的鋼筋腐蝕主要是電化學腐蝕。鋼筋發生電化學腐蝕必須具備兩個條件：陽極部位的鋼筋表面處于活性狀態,可以自由地釋放電子,在陰極部位鋼筋表面存在足夠的水和氧氣。在潮濕的環境下,鋼筋表面總是存在水膜和深于水膜中的氧氣。由于鋼筋不是單一的金屬鐵,同時含有碳、硅、錳等合金元素和雜質,這樣不同元素處在相同或不同介質中,其電極電位也不同,其間必然存在著電位差,因此,在潮濕的環境下鋼筋表面的鈍化膜受到破壞時,就可以發生電化學反應。電化學反應過程如下：陽極反應：陽極區鐵原子離開晶格轉變為表面吸附原子,并釋放電子轉變為陽離子。Fe-2e→Fe2+電子傳送過程：陽極區釋放的電子能冠軍鋼筋向陰極區傳送。陰極反應：陰極區由周圍環境通過混凝土孔隙吸附、擴散、滲透作用進來并溶解于孔隙水中的O2吸收陽極區傳來的電子,發生還原反應。2H2O+O2+4e-→4〔OH-綜合反應：陽極區生成Fe2+與陰極區生成的OH-反應,生成Fe〔OH2。在高氧條件下,Fe〔OH2進一步氧化轉變為Fe〔OH3,Fe〔OH3脫水后變為疏松多孔的紅銹Fe2O3：在少氧條件下,Fe〔OH2氧化不完全部分形成黑銹Fe3O4。Fe2++2〔OH-→Fe〔OH24Fe〔OH2+O2+2H2O→4Fe〔OH32Fe〔OH3→Fe2O3+3H2O6Fe〔OH2+O2→2Fe3O4+6H2O通過對上述反應過程進行分析,可知：鋼筋腐蝕過程實質上就是活性狀態的鐵轉化為鐵離子的過程。2.2混凝土碳化對鋼筋腐蝕的影響混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共4頁，當前為第4頁。眾所周知,混凝土對鋼筋具有一定的保護作用,在一般情況下,鋼筋混凝土結構中的鋼筋不容易受到腐蝕。混凝土之所以對鋼筋具有保護作用,是因為水泥水化過程中可產生一定量的Ca〔OH2〔對于普通硅酸鹽水泥,Ca〔OH2含量可達10%～15%,Ca〔OH2的溶解度很小,通常以固體形式存在,從而能使混凝土具有高堿度,其PH值一般為12～13,在這樣的高堿性環境中,會在鋼筋表面形成一層化學性質非常穩定的鈍化膜——層不滲透的牢固地粘附于鋼筋表面上的氧化物。鈍化膜的存在,不僅使鋼筋表面不存在活性狀態的鐵,而且還將鋼筋與水介質隔離,水和氧氣無法滲透過去,因此電化學腐蝕無法進行,從而使鋼筋免受腐蝕。混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共4頁，當前為第4頁。在理想的情況下,混凝土中的PH值為12.5～13,此時鋼筋處于鈍化狀態,只要保持這個條件,鋼筋就不會腐蝕,這正是一些鋼筋混凝土建筑物能夠耐久的重要原因。經過大量的研究與實踐表明,混凝土中鋼筋表面鈍化膜的穩定性主要取決于周圍混凝土的PH值。當混凝土PH值〈9.88時,鋼筋表面的氧化物是不穩定的,鋼筋表面不可能有鈍化膜存在,完全處于活化狀態,即對鋼筋沒有保護作用；當混凝土PH值處在9.88～11.5之間時,鋼筋表面的鈍化膜呈不穩定狀態,會逐漸溶解、破裂,鋼筋表面可能發生銹蝕,即不能完全保護鋼筋免受腐蝕；只有當混凝土PH值〉11.5時,鋼筋才能完全處于鈍化狀態。當鋼筋表面的氧化物鈍化膜被破壞時,在存在氧氣和水化的情況下,鋼筋就會被造成腐蝕而破壞。能夠使混凝土中的鋼筋表面鈍化膜破壞的因素在和外在兩個因素。在因素是指混凝土本身具有腐蝕性,如使用了含超標準氯鹽的地下水攪拌混凝土,混凝土中使用了過量的氯鹽類外加劑等,使鋼筋表面的鈍化膜處于不穩定狀態,引起鋼筋發生電化學腐蝕。外在因素是指由于周圍介質的作用使混凝土失去保護鋼筋的能力,如混凝土碳化。混凝土碳化實質就是大氣中的CO2、SO2等酸性介質,滲入混凝土部與Ca〔OH2發生中和反應,中和反應的結果是降低了混凝土的堿度和含堿的數量。混凝土堿性降低的直接后果是使鋼筋表面的鈍化膜失去穩定性或破壞,混凝土就不能保護鋼筋免受腐蝕。混凝土碳化后,完全碳化區的PH值由13左右降至9以下,此時鋼筋必然會受到電化學腐蝕。由此可以看出,混凝土的碳化是引起鋼筋腐蝕的主要原因之一。2.3鋼筋表面被腐蝕而生成鐵銹對混凝土結構的不利影響鐵銹的生成造成鋼筋截面減小,構件承載力降低；鐵銹體積膨脹〔體積一般要增長2～4倍,使混凝土保護層脹裂甚至脫落,嚴重影響結構的正常使用；鐵銹的生成破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結,從而使鋼筋與混凝土的協同工作能力降低,甚至造成整個構件失效。3結束語混凝土的碳化及其對鋼筋腐蝕的影響全文共5頁，當前為第5頁。混凝土的碳化是影響鋼筋腐蝕重要因素之一,混凝土保持高堿性,不僅是保護鋼筋免遭腐蝕的前提條件,而且還是維持混