钢筋混凝土结构碳化耐久性分析.docx

钢筋混凝土原理和分析读书报告2006级防灾减灾工程与防护工程 何扬春 学号 06114241［摘要］本文主要讲述在大气环境下钢筋混凝土结构物耐久性研究和混凝土 碳化深度和碳化残量的分析运用碳化原理和大气环境变化的预测分析和计算了 结构的耐久年限，分析了影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素并提出考虑大 气污染影响钢筋混凝土结构物的设计建议［关键词］ 环境；大气污染；钢筋混凝土;耐久性；混凝土强度；混凝土碳化；1前言经过前面一段时间对钢筋混凝土原理的学习，我对这门课有了进一步的认识 和了解现在我主要对混凝土的耐久性进行分析这里主要分析了大气污染对混 凝土结构的耐久性的影响随着世界人口爆炸式的增长，资源和能源的消耗量也在迅速增加，生产和生 活排放出的种种化学物质，给自然净化作用造成了巨大负担最严重的大气污染 是由燃烧产生的燃烧能释放出大量的当燃烧含硫的煤与石油时会产生硫氧化 物和氮氧化物当燃烧不完全时会产生碳氢化合物和一氧化碳另一方面，人和 动物的呼吸也产生大量的二氧化碳同时，由于大片森林被毁，使森林所吸收的 二氧化碳大量减少因此，空气中二氧化碳浓度逐年增长据统计，当今世界各 国一次能源消费结构均以矿物燃料为主，全球矿物燃料消费量占一次能源消费总 量的87%，燃烧矿物燃料每年排人大气中的二氧化碳多达50亿吨，并以每年平 均0.4%的速度递增。

早在19世纪初，大气中二氧化碳浓度为70ppm，到1988 年已上升到350ppm,100多年来增长了将近30%未来二氧化碳浓度的增长率， 取决于世界各国的能源需求变化实际的估算过程是非常复杂的，有许多不确定因 素其一般思路是:首先，估算未来全球矿物燃料消耗量的增长，以及排放到大 气中二氧化碳的数量；其次，估算生物对二氧化碳吸收量和海水对二氧化碳溶解 量及其变化，还需考虑未来石灰石生产和其它社会活动释放的二氧化碳进人或退 出大气的途径这样即可从理论上预测出未来大气中二氧化碳浓度的增长速度我国目前的建筑结构设计统一标准虽然采用了可靠度理论，但实质上仅能满 足安全可靠指标要求，对耐久性要求仅是从最低混凝土强度等级、最小保护层厚 度及最大裂缝宽度上做了要求，具有很大的局限性由于结构类别、环境条件及 结构使用情况的差异，对结构耐久性的要求会有所不同，结构的耐久性极限状态 就会有所区别，对不同的建筑物、构筑物应根据其重要性和使用的环境及条件选 用不同的耐久极限本文以大气环境条件下钢筋开始锈蚀作为结构的耐久性极限, 采用可靠性理论方法对钢筋混凝土结构进行耐久性分析已有的研究结果表明， 在周围混凝土的高碱度环境中，钢筋表面形成厚约20〜60A的y -Fe2O3钝化保护 薄膜,Y -Fe2O3是一种致密、稳定的共格结构，水和氧气不能渗透过去，使钢筋处 于钝化状态不被腐蚀。

但由于水泥石中的水化产物要与环境中的二氧化碳作用， 生成碳酸钙或其它物质，即混凝土发生碳化，使混凝土的pH值降低，当钢筋表面 的pH值下降到8.5〜11.5时，钢筋处于活化状态，即发生脱钝，在水和氧气得到满 足的情况下，钢筋即开始锈蚀混凝土中钢筋一旦发生锈蚀,在较短的时间内就会 引起混凝土保护层开裂、脱落，致使结构构件的承载力下降,从而严重影响其可靠 性因此对钢筋混凝土碳化结构进行碳化耐久性分析是混凝土结构耐久性分析的 一个重要部分2大气污染对钢筋混凝土的破坏及其预测纯净的空气中含氮78. 09010%、氧20. 95%,氖0. 93%及微量的稀有气体， 此外，通常还含有约0. 03%的CO2和4%以下的水蒸气大气污染使空气中CO2 含量增加，并含有尘埃和其它酸性气体大气污染不仅危害人体健康，对建筑物 的耐久性也产生很大影响一般建筑物大多采用钢筋混凝土结构污染物中的酸 性气体与碱性的钢筋混凝土材料发生化学反应，加速了钢筋混凝土结构物的风化 和侵蚀，严重影响了建筑物的安全使用龄期由于混凝土具有强碱性，在钢筋表面形成一层钝化膜该钝化膜能阻止钢筋 锈蚀污染物中的酸性物质，如C02, HC1, SO2深人混凝土表面，与水泥石中的 碱性物质发生反应的过程称为混凝土的中性化。

混凝土在空气中的碳化是中性化 最常见的一种形式它是空气中CO2与水泥石中的碱性物质相互作用得很复杂的 一种物理化学过程由于碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使 混凝土失去对钢筋的保护作用钢筋生锈后，铁锈的体积要比铁的体积膨胀2. 5 倍，因此混凝土出现裂缝，与钢筋的粘接力降低2. 1碳化机理分析由于混凝土是一种多孔性材料，在其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、 气泡，甚至缺陷空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管 中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、 硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙如前所述，污染物中的其他酸性气体与CO2同时接触混凝土表面，虽然CO2 的体积浓度可能比其它酸性气体大100到1000倍，但都属弱酸所以，当这些 气体渗人混凝土表面，与其碱性物质反应时，首先是比碳酸更强的其他酸性气体， 如SO2, HCl等与氢氧化钙起作用而产生酸性盐此外，在这一层中还可能有硅 酸、氢氧化铝和氢氧化铁等凝胶另外，在这一层中最初形成的碳酸盐也可能一 部分遭受这些酸性气体的破坏但由于碳酸气比其它酸性气体的浓度高数百倍， 所以，它会继续由表及里地扩散到混凝土的内部，形成我们常说的碳化层。

随着 龄期的延长，水泥石不断水化，混凝土的孔隙率降低，可使混凝土的碳化速度降 低在碳化之后形成过渡层和非碳化层2. 2混凝土的碳化特性国内外大量的研究资料表明，无论是轻骨料混凝土还是普通混凝土都存在着 类似的情况，在混凝土碳化初期碳酸气在混凝土中扩散和反应的速度很快，即碳 化深度增长快随着时间的延长则逐步衰减，至一定龄期后，渐趋稳定近年来， 中国建筑科学研究院与有关单位共同研究，提出了混凝土碳化的多系数方程D =门门门门门门a& （ 1 ）1 2 3 4 5 6式中:D为混凝土碳化深度；t为混凝土碳化龄期（d）； a为碳化速度系数；门1 为水泥用量影响系数；门2为水灰比影响系数；叫为粉煤灰取代量影响系数；门4 为水泥品种影响系数；气为集料品种影响系数；气为养护方法影响系数混凝土碳化多系数方程是在碳化特征曲线基础上，利用系数迭加原理而提出 的它主要用来表示在一定施工条件和周围介质条件下混凝土碳化的规律，在某 些材料因素变化的情况下，可以较具体的计算出混凝土的碳化深度多系数碳化方程中的各种系数，是通过大量试验确定的试验研究说明，基 本方程中的时间因素，无论是普通混凝土或轻集料混凝土都可近似地用v7来表 示，但其碳化速度系数却因集料品种不同而有较大不同。

根据“轻集料混凝土耐 久性专题组”提供的资料，普通混凝土a= 2.32 ；轻集料混凝土a= 4.18由此可 以说明，轻集料混凝土由于其内部多孔性的影响，其碳化速度约比普通混凝土快 0.8 1.0 倍2.3混凝土碳化深度随机概率模型目前建立的碳化模型大多数都是以水灰比作为反映混凝土品质的主要参数， 由于混凝土水灰比与混凝土碳化的物理化学过程有密切联系，因此，碳化速度与 混凝土水灰比的相关性很好其不足之处：（1）水灰比是决定混凝土性能的一个主 要参数，但不能全面反映混凝土的质量；（2）工程技术人员熟悉的是混凝土抗压强 度，且在实际工程中，混凝土抗压强度容易测定，往往水灰比很难确切得到混凝 土抗压强度是反映混凝土力学性能的合理指标，它综合反映了混凝土水灰比、水 泥品种、骨料品种、水泥用量、施工质量及养护条件等对混凝土品质的影响，混 凝土强度高，其密实性好，抗碳化能力强因此，以混凝土抗压强度为随机变量， 建立碳化预测模型更具实际意义本文收集了国内外长期暴露试验与实际工程调查的碳化数据64组（图1）,将 实测数据换算成同一标准环境，以抗压强度为主要参数，建立了便于应用的碳化 计算模型混寂土强度标推值(MPa)图I碳％速度与混凝上强度标准值的关系图1碳化速度与混凝土强度标准值的关系工(t ) = k或k = 3k k k kT 14 (1 - RH)JRH 1.5鱼-0.76fcu ,k式中：%(t)为碳化深度;k为碳化系数;部取k =1.0; k为CO2浓度影响系数,j CO2匕为角部修正系数,角部取%二¥'非角k二产；无CO2浓度co时，可根据建CO2 X 0.03j CO2 p s筑物所处小环境估计；k为浇筑面修正系数，对浇筑面取k =1.3; k为工作应 p p s力影响系数，受压时取1,受拉时取1.2;RH为环境湿度(%);T为环境温度(°C);fuk为混凝土强度标准值(MPa);t为结构使用年限(y)。

由于混凝土强度等级为随机变量，因此混凝土碳化系数也是一个随机变量 实测结果表明混凝土碳化系数较好的服从标准正态分布，其一维概率密度函数 为：中七和C k分别为碳化系数平均值与方差k =七 C3K Ck Ck Ck T14 (1 - RH )黑-0.76R f , cu ,kdk2R 2 +kcmdk2R 2f cu ,kX —R2 ]— k2bkp (k )= — expk式中：Rk为碳化系数均值；b k为碳化系数方差;kc为碳化计算模式不定性均 k值； kc为碳化计算模式不定性的方差； fcu,k为混凝土强度均值；bfcuk为混凝土强度方差2.4碳化残量概率模型一般大气环境条件下混凝土中钢筋开始锈蚀的时间一直简单的认为是混凝 土保护层完全碳化所需的时间但试验和工程调查结果表明，在用酚酞试剂测定 的碳化深度发展到距离钢筋表面某个长度时,钢筋就开始锈蚀这是因为用酚酞 试剂测试碳化深度时，即使混凝土中仅有微量的氢氧化钙,酚酞试剂即显色，因此 酚酞试剂法只能测出混凝土完全碳化部分及其界限而混凝土在碳化过程中，在 完全碳化区前沿存在碳化不完全区段，特别是当环境湿度较低时，部分碳化区在 整个碳化区域中占主导地位。

图2为已建50年的建筑中钻取的混凝土试样，用X 射线法检测混凝土不同深度的Ca(OH)2和CaCO3浓度的分布曲线谱线酚触试剂： 酚故试剂强度无色区域 峰亟域60只有 C9CO3： fJ A^Ca(OH)25040- ! 、 …30, ； L 120 ■一 - - . 4 -10完全碳化段部分碳化区1 未碳化区20 40 60 S0 ]00 120混凝土深度图2 Ca( 0H)2和CaCO3派度分布从图2可以发现,在完全碳化区和未碳化区之间存在一个明显的部分碳化 区，由表及里Ca(OH)2逐渐增加,CaCO3逐渐减少在这个区段混凝土的pH值由 外至内逐渐升高，未碳化区混凝土的pH值大约为12.5左右,完全碳化区混凝土的 pH值为8.5部分碳化区的pH值为8.5~12.5但从碳化对钢筋锈蚀影响的角度 看，当钢筋位于pH>11.5的区域，钢筋处于钝化状态，不发生锈蚀；当钢筋位于 pH<11.5区域，钢筋处于活化状态，在一定的环境条件下，当混凝土的pH值下降到 某一值pH时,钢筋开始锈蚀实际工程调查结果表明，由于环境条件的差异，满足 钢筋开始锈蚀对应的pH0值是不相同图2 Ca(OH)2和CaCO3浓度分布的。

目前 对pH0值的研究工作开展得很少,pH0值的确定很难用传统的碳化-钢筋锈蚀机理 来解决但可以通过大量工程实测到的混凝土碳化和钢筋开始锈蚀数据，得到完 全碳化前沿到pH=pH0处的区间长度，定义该区间长度为碳化残量,。