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钢筋混凝土耐久性导论课程

这一节我们简要讲一下

混凝土碳化的定义 现象与危害

路老师您之前的课提到过

混凝土的碳化

能够引起钢筋的腐蚀

那么您能否详细地

给我们讲一下混凝土的碳化呢

好 前面提到在普通大气中

混凝土发生碳化能够引起

混凝土孔溶液的pH值下降

从而导致钢筋腐蚀

大家请看这张图

这是常见的

由混凝土碳化而引起的

混凝土阳台中的钢筋腐蚀

再来看这一张

这是混凝土柱中钢筋

因混凝土发生碳化而发生的腐蚀

从金属腐蚀形貌上看

因混凝土碳化而引起的钢筋腐蚀

多半是均匀腐蚀

这与由氯离子引起的局部点蚀是有所不同的

路老师

那么什么是混凝土碳化呢

为什么碳化以后

混凝土孔溶液的pH值会下降呢

这就要从水泥的化学组成

和水泥的水化反应讲起

大家知道常用的硅酸盐类水泥

是由水泥熟料和适量石膏

或部分的

水泥混合材磨制而成的

普通硅酸盐类水泥熟料

是由石灰石粘土铁质原料

等原材料

在高温下烧制而成的

大家请看这张图

它显示了各原料

在不同温度下发生反应

而生成的不同的矿物

以及它们组成的多少

在大约摄氏1450度下

烧制的水泥熟料在冷却后

它的主要成分

有硅酸钙 铝酸钙 铁铝酸钙

这是它们的显微照片

其中的硅酸钙

又分为硅酸三钙和硅酸二钙

在英文里前者叫做Alite

后者叫做Belite

加入石膏 石灰石及部分混合材

比如粉煤灰或者是高炉矿渣等

磨制以后得到的水泥中

除了上面讲的

一些化学矿物成分外

还会含有少量的石膏 游离氧化钙

和钾钠的氧化物

也就是大家常说的碱

在拌制混凝土时

水泥中的硅酸钙

会与水发生反应

生成水化硅酸钙凝胶

常叫CSH凝胶

C代表氧化钙

S代表二氧化硅

H代表水

是水泥化学中常用的符号

硅酸钙在发生水化反应的时候

除了生成CSH凝胶

还会生成氢氧化钙一般记为CH

这是反应所生成的

水化产物的显微照片

水泥中少量的游离氧化钙

也会与水发生反应

生成氢氧化钙

由于氢氧化钙的溶解度

和溶度积都很小

所以它与水化反应后

剩余的水就构成了

pH值大约在12.5左右的

饱和氢氧化钙溶液

并留存于混凝土的孔隙中

这样就形成了强碱性的孔溶液

我们通常把它叫做

混凝土孔溶液

当然了混凝土孔溶液中

还会含有钾 钠

硫酸根等多种离子

实际上是一种强碱性的

电解质溶液

需要一提的是大家通常认为

CSH凝胶与混凝土的强度有关

而混凝土孔溶液与钢筋钝化有关

一旦混凝土孔溶液的pH值

降到11.5以下

那么钢筋发生腐蚀的几率

就会显著地增加

如果它的pH值降到更低的程度

比如10以下

也可能会影响到

CSH凝胶的稳定性

在此我们就不展开来讲了

有关水泥水化的内容

我们就简略地说这么多

有兴趣的同学

可以花点时间去详细看一下

Taylor教授撰写的

《水泥化学》一书

那么到底什么是混凝土的碳化呢

我们可以简单的认为

渗入混凝土的二氧化碳

与水泥的水化产物

包括氢氧化钙

CSH凝胶等水化产物

发生反应生成碳酸钙

造成混凝土孔溶液

pH值下降的现象

稍微严格一点来讲

混凝土的碳化反应应该是

环境中的二氧化碳进入混凝土后

首先溶入水

当然是指混凝土孔溶液了

形成碳酸

然后再与氢氧化钙或是CSH凝胶

发生反应生成碳酸钙

打破了原有的碱环境

造成混凝土孔溶液pH值

下降的现象

它们的反应方程式如下

除了二氧化碳

其它一些酸性气体

比如二氧化硫等

也能让混凝土孔溶液的pH值下降

所以大家又将这一类现象

叫做混凝土的中性化

不过酸性气体不同

中性化的后果也是有所不同的

我们这一章只讲混凝土的碳化

路老师既然混凝土的碳化

能够吸收空气中的二氧化碳

那么它是不是可以解决

当今的温室效应问题呢

可以这么讲

混凝土碳化的确能够吸收一部分

空气中的二氧化碳

目前也的确有人

在利用这一现象进行固碳处理

试图为降低温室效应做贡献

至于它的贡献大小

我现在还不知道

说到碳化固碳技术

不知道大家知不知道

过去乡下常用熟石灰砂浆

抹墙面的方式

就像徽派建筑中的白墙

它就是过去用熟石灰砂浆

或者是用熟石灰膏抹的墙面

你看我们古人很聪明的

他们将石灰石用火烧成石灰

加水反应后就会生成石灰膏

对房屋进行抹面不光为了好看

更重要的是石灰膏

能与大气中的二氧化碳发生反应

之后又重新生成了

现在我们所谓的纳米级的碳酸钙

从而达到一定的固结

和硬化的作用

这样说来我们的先人

很早就会利用纳米材料

来进行固碳了

其实在一批人强调

温室效应的今天

也有一批人在利用这一类的技术

我们管它叫做石灰水处理技术

来进行固碳处理

或者是进行工业废气的处理

路老师混凝土发生碳化之后

会有什么具体的表现

它有什么明显的特征吗

混凝土发生碳化以后

通常会表现出以下部分

或者是全部的特征

第一由于碳化

混凝土孔溶液中生成了碳酸钙

导致它的OH-浓度降低

发生pH值下降的现象

完全碳化区中

混凝土孔溶液的pH值通常小于9

这时如果将专门的酒精酚酞试剂

喷洒在混凝土断面上

就会出现如图所示的现象

就是已经发生碳化的混凝土

不显色

未发生碳化的混凝土显红色

这也是大家现在常用的

在现场检测混凝土碳化深度的

一种方法

第二混凝土发生碳化后

混凝土表面的硬度会增加

因为碳酸钙的生成

堵塞了部分的混凝土毛细孔

从而使混凝土表面变得致密了

当然了这种情况并非是普遍现象

因为混凝土发生碳化后

也有可能产生收缩

也就是说反应产物的体积

小于了反应物的体积

这样的话就有可能造成

混凝土表面发生碳化收缩开裂

还有第三种情况

如果混凝土碳化到了钢筋的表面

由于碳化混凝土的pH值小于9

所以钢筋的化学稳定性的环境

就遭到了破坏

从而引起钢筋发生腐蚀

随着腐蚀产物的累积

就会造成钢筋混凝土保护层的

顺筋开裂或者是剥落

从而降低构件的承载力

这也是人们重视

混凝土碳化问题的根本原因

路老师这么看来

混凝土的碳化也不是那么简单

那么有哪些因素

能够影响混凝土的碳化呢

从前面讲的

混凝土的碳化定义来看

凡是能影响二氧化碳

与水泥水化产物发生碳化反应的因素

都能影响混凝土的碳化

这样说来

首要的因素应当是

进入混凝土中的二氧化碳浓度

它与环境中的二氧化碳浓度

混凝土的表面状态

比如它表面有没有涂层

表面有没有开口的孔隙

还有它表面的裂缝是多少

等等因素有关

其次应当是混凝土中的含水量

或者叫含水率有关

如果没有水

碳化反应就发生不了

当然如果水很多

比如混凝土饱透水了

那么二氧化碳在里面的传输速率

就会显著地下降

因此它是双刃剑

当混凝土表面

没有封闭涂层的时候

混凝土中的含水率

除与当时混凝土拌和

用水量多少有关外

主要的是受环境湿度的影响

大量的统计表明

通常条件下

当环境湿度为50%到65%的时候

混凝土的碳化速率是最快的

大家知道湿度和温度是相关的

显然温度也是影响混凝土碳化的

重要因素

刚才我们说到

混凝土的拌和用水量

大家自然就会想到

混凝土的水胶比

它不仅能影响混凝土的强度

和孔隙率的大小

还会影响新拌混凝土中

能与二氧化碳反应的

水化产物的量

因此它是一个非常重要的

影响因素

显然与之相关的

单方混凝土中的水泥用量

可参与反应的氢氧化钙的量

也是非常重要的参数

当用水量固定的时候

它们之间是有一定相关性的

前面还提到开孔孔隙

那么影响混凝土开孔孔隙的

施工因素

特别是养护工艺也是非常重要的

早期充分的湿养护

是减少混凝土表面生成裂缝

及其它一些表面缺陷的重要手段

如果能减少开孔孔隙和表面裂缝

那么混凝土的抗碳化性能

也会随之提高

当然了还有混凝土的配合比

特别是胶凝材料的组成

如果采用大掺料的矿物掺和料

比如粉煤灰或者是高炉矿渣等

就有可能降低

混凝土中可碳化水化产物的含量

从而会降低混凝土

抵抗碳化的能力

好这节课就讲到这里

简要介绍了

混凝土碳化的定义现象与危害

下次课程再见。