1 基本概念
碳化是水泥中的水化產物與環境中的CO2 相互作用, 生成碳酸鹽或其他物質, 降低混凝土中pH值, 改變混凝土內部組成結構, 影響混凝土性能的一個復雜的物理化學過程。以普通硅酸鹽水泥為例, 其碳化過程的主要反應為:
Ca(OH)2+CO2 → CaCO3+H2O
C- S- H+ CO2 → CaCO3+H2O
碳化生成的CaCO3 以多種形式存在, 如不穩定的文石( μ- CaCO3) 和球型的方解石( β- CaCO3) 以及結晶良好的方解石( α- CaCO3) 。碳化反應是由表及里呈階梯狀逐漸進行的, 當某一層混凝土完全碳化后, 其pH 值大約為8.5～9, 這個pH 值低于水泥各水化產物穩定存在的pH 值(表1)。因此碳化會導致水泥水化產物的分解, 加劇混凝土的收縮, 尤其會導致鋼筋鈍化膜的破壞, 使混凝土失去對鋼筋的保護作用, 造成鋼筋銹蝕并最終導致混凝土的開裂和結構破壞。因此對混凝土碳化性能的研究非常重要, 本文以某使用齡期已達30 年的單層廠房的混凝土梁柱為對象, 進行其碳化程度的研究分析和機理探究。
2 研究方法和檢測結果
2.1 混凝土梁柱的強度發展分析
參照中國工程建設標準化委員會標準CECS03: 88《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》進行梁柱混凝土鉆芯樣的強度測定, 鉆芯試樣尺寸為!70.5mm×750mm, 數量為4 個, 其強度檢測結果見表2。由表2 可知, 混凝土強度平均值均在30MPa左右, 原混凝土設計標號為C25, 因此可以判斷梁柱
混凝土的強度發展正常; 但其離散值較大, 混凝土結構均質性較差。
2.2 碳化深度檢測
采用酚酞顯色法測試梁柱混凝土碳化深度。其機理是: 利用水化產物Ca(OH) 2 與酚酞試劑呈顯色反應( 變紅) ; 而混凝土碳化產物CaCO3 則與酚酞在硬化的混凝土環境中不變色( 只有含水超過70%的碳酸鈣溶液方能使酚酞顯色) 。所以用酚酞試劑可以準確地判斷混凝土中是否還有未碳化的Ca(OH)2 存在, 從而可測出碳化的終點數據。對該梁柱不同部位表層混凝土的碳化深度進行測試, 結果見表3。
表3 結果表明, 混凝土結構表面碳化較為嚴重,碳化深度較深, 表面的混凝土結構已發生較為嚴重的變化。因此混凝土內部原堿性環境已被嚴重破壞,內部鋼筋保護層已中性化, 對鋼筋的保護作用已喪失, 鋼筋銹蝕發生的可能性較大。尤其是局部部位碳化深度已超過50mm, 鋼筋保護層已被破壞, 鋼筋已處于銹蝕環境之中, 當空氣中存在氧氣和相應的濕度時, 混凝土鋼筋將有可能發生快速銹蝕反應, 從而直接危及結構安全。
2.3 混凝土內部組成分析
對梁柱巖芯取樣的混凝土, 采用日本JEOL公司生產的CXA- 733 型掃描電鏡進行了內部組成的形貌分析。實驗參數為: 加速電壓20 kV, 電流2000mA。
我們將巖芯取樣的混凝土分別從外到內以200mm 長度按表層混凝土、基體混凝土切片, 剝離出粗集料, 將剩余的物料( 只含有水化水泥和細集料)選取豆粒大顆粒真空干燥后, 進行混凝土微觀水泥水化產物的SEM分析, 結果見圖1～圖4。
(1) 從圖1 和圖3 照片中可以看到, 對于基體混凝土, 其混凝土結構屬正常, 水泥漿嚴密地包裹著
骨料, 能夠見到緊密地連接在一起的、結晶完好的六方板狀或層狀Ca(OH)2, 針狀、棒狀鈣礬石及絮狀凝膠C- S- H 等水化產物。
(2) 從圖2 和圖4 照片中可以看到, 對于表層混凝土, 得到與碳化深度測試一致的結果。即混凝土表面碳化嚴重, 水泥水化產物分解較為嚴重, 大部分面層混凝土中存在大量顆粒狀的CaCO3, 根本就沒有Ca(OH)2 相的存在, 局部部位存在轉化, 而且可以看到分解團聚的C- S- H, 混凝土結構變得疏松。
3 結論
通過強度、碳化深度及混凝土內部組成微觀形貌分析, 結果表明:
(1) 本試驗對象———服務30 年的混凝土梁柱,其強度發展正常, 但混凝土結構均質性較差。
(2) 該梁柱的表層混凝土碳化較為嚴重, 碳化最深達到50 mm 以上, 水泥水化產物分解較為嚴重, 因此表面混凝土結構疏松, 并有收縮裂縫及微裂縫存在。
(3) 對這樣的混凝土梁柱, 在使用中應嚴格控制侵蝕介質的侵入以避免加速混凝土的劣化; 另外對碳化嚴重的部位應采取針對性的修復措施, 以防鋼筋銹蝕引起結構強度大幅下降甚至造成結構破壞的惡性后果出現。
(4) 對于服役一定齡期的混凝土結構, 為確保建筑物服務壽命安全, 進行混凝土碳化深度的檢測分析非常有必要。
參考文獻
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