21混凝土的碳化
11页1、第2章 材料的劣化与混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性破坏都是从混凝土或钢筋的材料劣化开始的,环境条件 和自身因素都可以引起材料的劣化。其中,多数村和劣化是环境条件引起的,如 混凝土碳化、冻融破坏、化学侵蚀、表面磨损、钢筋锈蚀;混凝土自身材料也可 能劣化,如碱一骨料反应。显然,上述材料劣化多数是混凝土的材料劣化形式, 钢筋的劣化形式主要是钢筋锈蚀。传统上把上述材料劣化形式分为物理作用和化 学作用两类,但混凝土碳化是一个物理化学过程,钢筋锈蚀本身是一个化学过程, 也包含o2和Cl-扩散等物理过程,因此,混凝土碳化与钢筋锈蚀过程中既有物 理作用,又有化学作用。图2-1是作者对混凝土结构材料劣化形式的分类。应该指出,上述对材料劣化形式的分类不是很严密的,每一种材料劣化过程 中既有环境条件的影响,又有自身因素的影响,每一种由环境条件(外因)引起 的耐久性破坏都是通过材料自身(内因)起作用的,而碱一骨料反应名义上是由 自身因素引起,但也必须有潮湿环境等外部条件。因此,上述对环境条件引起或 是自身因素引起的划分是从材料劣化的最初动因来讲的。很多情况下实际工程的 耐久性破坏是多个因素交织在一起的,
2、如海水环境下混凝土结构的破坏可能由冻 融循环、盐类结品破坏(盐冻破坏)。钢筋锈蚀等多个因素引起;路面撤除冰盐 引起的混凝土结构破坏既有盐冻破坏,又有Cl-引起的钢筋锈蚀破坏;H2SO4 等对混凝土结构的破坏既有酸对混凝土的化学侵蚀作用,又有混凝土中性化引起 的钢筋锈蚀作用,等等。2. 1混凝土的碳化空气。土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中,与水图2-1混凝土结构材料劣化形式分类环境条件引起 白身因素引起的耐化,泥石中的磁性物质发生反应,使混凝土中的PH值下降的过程称为混凝土的中性 化过程,其中,由大气环境中的CO2 ;引起的中性化过程称为混凝土的碳化。由 于大气中均有一定含量的CO2;,碳化是最普遍的混凝土中性化过程。混凝土碳化反应产生的CaCO3。和其他固态产物堵塞在孔隙中,使已碳化混 凝土的密安度与强度提高。另一方面,碳化使混凝土脆性变大,但总体上讲,碳 化对混凝土力学性能及构件受力性能的负面影响不大,混凝土碳化的最大危害是 会引起钢筋锈蚀。碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋脱纯锈蚀的前提条件,从 而影响混凝土结构的耐久性。国内外学者对混凝土碳化进村了大量深入研究,内容
3、涉及碳化机理。碳化的影响 因素。检测方法、预测模型、碳化对钢筋锈蚀的影响等。前期的研究主要集中在 宏观层次上,研究影响因素与预测模型等主要采用以试验为基础的经验法;20 世纪80年代末,希腊学者Papadakis从分子层次上矶究厂混凝土碳化的机理, 使混凝土碳化研究前进了一大步。2.1.1混凝土碳化的机理混凝土碳化是一个复杂的物理化学过程。普通波特兰水泥混凝土的水泥熟料 的主要矿物成分有硅酸三钙C3S(3CaO - SiO2)、硅酸二钙C2S (2CaOSiO2)、 铁铝酸四钙 C4AF (4CaO A12O3 - Fe2O3)和铝酸三钙 C3A (3CaO AJ2O3)o 3H?()+3(F()H 1(2-1)2(2Ca(.) Si()2)+ 4H.O-* (3CaO 2SiC)2 - 3H2O) - Ca(OH)2(2-2)(4CaO AL03 - Fe2O3) + 2Ca(OH), 4-2(CaS()4 - 2H?O) + 18H.O f (6CaO - AL()3 - Fe2O3 - 2CaS()4 - 24H2O)(2-3)(3Ca() ALOJ + CaSO, 2HJ)+1
4、0HJ) f(3CaO ALQ (aS()i 12H.O)(2-4)当石膏消耗完后,C;AF与QA按如下反应进行水化:(4*0 Abo. Fe2(_)3) +4Ca(OH)2 +22H2()(6CaO - ALQ - 2Ca(OH)2 24H?O)(2-5)(3Ca() - Al2O,) +Ca()H)2 + 12H2O(3CaO - A12O, Ca(OH), 12H,O)(2-6)水泥熟料经水化生成的氢氧化钙Ca(OH)2和水化硅酸钙3CaO2 SiO2 -3H2O (简 写为CSH )是可碳化物质。孔隙水与环境湿度之间通过温湿平衡形成稳定的孔隙水膜。环境中的CO2气体 通过混凝土孔降气相向混凝土内部扩散并在孔隙水中溶解,同时,回态Ca(OH)2 在孔隙水中溶解并向其浓度低的区域(碳化区域)扩散。溶解在孔隙水中的CO2 与Ca(OH)2发生化学反应生成CaCO3,同时,CSH也在固液界面上发生碳化反 应:Ca(OH) + C()2 -* CaCO;, + H?O(3*() 2SiC)? - 3HJ)十 3C()_ f (3(aCQ 2Si(), 3H:O)(2-8)碳化反应的结果,
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