混凝土碳化研究与进展

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1、混凝土碳化研究与进展柳俊哲《混凝土》2006年第1期(总第195期)[摘　要]混凝土碳化时Friedel复盐和硫铝酸盐分解产生的氯离子和硫酸根离子向未碳化区迁移产生浓缩，使这两种离子在碳化区浓度显著降低，碳化前沿的浓度明显升高；同时混凝土中的钠、钾等碱金属离子，向氯离子和硫酸根离子相反方向迁移和浓缩，导致未碳化区这两种离子浓度明显升高，碳化区浓度显著降低。因此含氯盐混凝土碳化时由于氯离子和硫元素向未碳化区迁移和浓缩，碳化未达到钢筋表面时钢筋已经开始腐蚀。 [关键词]　混凝土；　碳化；　氯离子；　硫酸盐；　碱金属离子；　氢氧

2、根离子；　离子迁移  0　引言 　　碳化对钢筋混凝土构筑物来说最大的危害是由于混凝土pH值的降低破坏钢筋表面的钝化膜使钢筋产生腐蚀。过去一直认为碳化进行到混凝土中钢筋表面时钢筋才失去钝化膜产生锈蚀，因此常把二氧化碳扩散到钢筋表面的时间作为预测钢筋混凝土构筑物寿命的一个重要手段。实际上钢筋混凝土碳化时由于二氧化碳对混凝土中的氯盐、硫酸盐、碱金属盐等的影响使混凝土中的腐蚀因子在混凝土内部产生迁移和浓缩，腐蚀在碳化未达到钢筋表面时已经发生。含氯盐混凝土碳化时碳化残量（酚酞呈色界线到钢筋表面间距离）约为20mm时钢筋开始腐蚀；而不

3、含氯盐混凝土碳化残量约为8mm时钢筋开始腐蚀。因此混凝土碳化时的内部结构变化和离子迁移行为将对规范的制订和钢筋混凝土的寿命预测具有重要的理论指导意义。 1　碳化引起氯离子的迁移和浓缩 　　混凝土中含有氯盐时约占水泥质量0．4%的氯离子与C3A反应生成Friedel复盐，它在混凝土中是不稳定的。当二氧化碳通过扩散作用达到混凝土内部与Friedel复盐反应时生成氯盐并溶解于孔溶液中，其反应式如下：　　　　C3A·CaCl2·10H2O+3CO2→3CaCO3+2Al（OH）3+CaCl2+7H2O 　　配合比为C：S：W=1：

4、2．25：0.5的砂浆M中掺入NaOH及CaCl2使R2O=0．9%，Cl-=3．6kg/m3（约占水泥质量的0．53%），试件成型后在20℃、相对湿度100%条件下养护28d后加速碳化。表1为碳化区、未碳化区和未完全碳化区中除去可溶性氯离子后化学分析测得的Friedel复盐所含氯离子含量。从表1可以看出，混凝土碳化前约67%的氯离子转化为Friedel复盐。加速碳化后碳化区Friedel复盐含量非常少，而未碳化区Friedel复盐含量非常高。这是因为碳化前Friedel复盐均匀分布于砂浆内部，当二氧化碳扩散到混凝土表面发

5、生碳化反应时Friedel复盐分解后产生氯离子溶解于孔溶液中通过浓度扩散作用迁移到未碳化区，并在该区域重新形成Friedel复盐，二氧化碳扩散到该区域发生碳化作用时又发生分解作用，这样随着碳化和复盐生成的循环过程，碳化锋面逐渐向混凝土内部发展。从图1砂浆碳化时氯离子迁移的EPMA分析结果中可以看出，碳化发生前氯离子在整个砂浆界面均匀分布，而随着碳化的进行氯离子逐渐向内部迁移并产生浓缩现象，且碳化前沿的氯离子浓度最高，约为碳化前平均浓度的2．5倍左右，而碳化区氯离子浓度减少。通过酚酞指示剂的呈色反应可以看出，氯离子的浓缩区正

6、好和未碳化区相对应；而几乎不含氯离子的区域与碳化区相对应。因此可以明确两点： 　　（1）虽然混凝土中材料所带来的氯离子含量较少，不足以对钢筋产生锈蚀，但是随着碳化的进行，由于氯离子的迁移和浓缩作用，碳化前沿的氯离子浓度有可能达到足以破坏钢筋表面钝化膜的临界浓度； 　　（2）过去认为碳化前沿达到混凝土中钢筋表面时，由于中性化作用钢筋钝化膜破坏产生锈蚀。实际上含氯盐混凝土碳化时碳化前沿虽未达到钢筋表面，碳化残量约为20mm时钢筋表面产生氯离子的浓缩已经开始破坏钝化膜。 　　　　 　　　　 　　一般认为混凝土中氯离子含量达到60

7、0g/m3时钢筋钝化膜开始破坏。但混凝土碳化时碳化前沿的浓度可达碳化前的2．5倍，因此考虑碳化时混凝土材料所带来的氯离子含量不应超过240g/m3。我国《混凝土结构设计规范》中对严寒和寒冷地区露天环境等二类地区的最大氯离子含量允许达到水泥质量的0．2%。假设混凝土的水泥用量为300kg/m3，则允许的氯离子含量为600g/m3。从以上离子迁移理论可以看出，考虑碳化的浓缩作用时应该制订更为苛刻的氯离子允许含量。 　　在这里需要指出的是普通水泥的C3A与氯离子反应生成Friedel复盐可消耗约为水泥质量0．4%的氯离子；而中热

8、或低热硅酸盐水泥C3A含量少，因此与氯离子反应生成较稳定Friedel复盐的能力下降，可溶性氯离子含量增多，钢筋腐蚀的概率高于普通水泥。因此对于普通水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等配制的混凝土制订允许氯离子含量时应有所区别。 　　某些外加剂和海砂、除冰盐等常含有氯化钠。氯化钠提高混凝土孔溶液中碱含量加快碳