1 基本概念
碳化是水泥中的水化產(chǎn)物與環(huán)境中的CO2 相互作用, 生成碳酸鹽或其他物質(zhì), 降低混凝土中pH值, 改變混凝土內(nèi)部組成結(jié)構(gòu), 影響混凝土性能的一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。以普通硅酸鹽水泥為例, 其碳化過程的主要反應(yīng)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(wěn)定的文石( μ- CaCO3) 和球型的方解石( β- CaCO3) 以及結(jié)晶良好的方解石( α- CaCO3) 。碳化反應(yīng)是由表及里呈階梯狀逐漸進(jìn)行的, 當(dāng)某一層混凝土完全碳化后, 其pH 值大約為8.5～9, 這個(gè)pH 值低于水泥各水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的pH 值(表1)。因此碳化會(huì)導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物的分解, 加劇混凝土的收縮, 尤其會(huì)導(dǎo)致鋼筋鈍化膜的破壞, 使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用, 造成鋼筋銹蝕并最終導(dǎo)致混凝土的開裂和結(jié)構(gòu)破壞。因此對(duì)混凝土碳化性能的研究非常重要, 本文以某使用齡期已達(dá)30 年的單層廠房的混凝土梁柱為對(duì)象, 進(jìn)行其碳化程度的研究分析和機(jī)理探究。
2 研究方法和檢測(cè)結(jié)果
2.1 混凝土梁柱的強(qiáng)度發(fā)展分析
參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS03: 88《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行梁柱混凝土鉆芯樣的強(qiáng)度測(cè)定, 鉆芯試樣尺寸為!70.5mm×750mm, 數(shù)量為4 個(gè), 其強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表2。由表2 可知, 混凝土強(qiáng)度平均值均在30MPa左右, 原混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C25, 因此可以判斷梁柱
混凝土的強(qiáng)度發(fā)展正常; 但其離散值較大, 混凝土結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較差。
2.2 碳化深度檢測(cè)
采用酚酞顯色法測(cè)試梁柱混凝土碳化深度。其機(jī)理是: 利用水化產(chǎn)物Ca(OH) 2 與酚酞試劑呈顯色反應(yīng)( 變紅) ; 而混凝土碳化產(chǎn)物CaCO3 則與酚酞在硬化的混凝土環(huán)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(zhǔn)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(cè)出碳化的終點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)該梁柱不同部位表層混凝土的碳化深度進(jìn)行測(cè)試, 結(jié)果見表3。
表3 結(jié)果表明, 混凝土結(jié)構(gòu)表面碳化較為嚴(yán)重,碳化深度較深, 表面的混凝土結(jié)構(gòu)已發(fā)生較為嚴(yán)重的變化。因此混凝土內(nèi)部原堿性環(huán)境已被嚴(yán)重破壞,內(nèi)部鋼筋保護(hù)層已中性化, 對(duì)鋼筋的保護(hù)作用已喪失, 鋼筋銹蝕發(fā)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(hù)層已被破壞, 鋼筋已處于銹蝕環(huán)境之中, 當(dāng)空氣中存在氧氣和相應(yīng)的濕度時(shí), 混凝土鋼筋將有可能發(fā)生快速銹蝕反應(yīng), 從而直接危及結(jié)構(gòu)安全。
2.3 混凝土內(nèi)部組成分析
對(duì)梁柱巖芯取樣的混凝土, 采用日本JEOL公司生產(chǎn)的CXA- 733 型掃描電鏡進(jìn)行了內(nèi)部組成的形貌分析。實(shí)驗(yàn)參數(shù)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(nèi)以200mm 長(zhǎng)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(xì)集料)選取豆粒大顆粒真空干燥后, 進(jìn)行混凝土微觀水泥水化產(chǎn)物的SEM分析, 結(jié)果見圖1～圖4。
(1) 從圖1 和圖3 照片中可以看到, 對(duì)于基體混凝土, 其混凝土結(jié)構(gòu)屬正常, 水泥漿嚴(yán)密地包裹著
骨料, 能夠見到緊密地連接在一起的、結(jié)晶完好的六方板狀或?qū)訝頒a(OH)2, 針狀、棒狀鈣礬石及絮狀凝膠C- S- H 等水化產(chǎn)物。
(2) 從圖2 和圖4 照片中可以看到, 對(duì)于表層混凝土, 得到與碳化深度測(cè)試一致的結(jié)果。即混凝土表面碳化嚴(yán)重, 水泥水化產(chǎn)物分解較為嚴(yán)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(zhuǎn)化, 而且可以看到分解團(tuán)聚的C- S- H, 混凝土結(jié)構(gòu)變得疏松。
3 結(jié)論
通過強(qiáng)度、碳化深度及混凝土內(nèi)部組成微觀形貌分析, 結(jié)果表明:
(1) 本試驗(yàn)對(duì)象———服務(wù)30 年的混凝土梁柱,其強(qiáng)度發(fā)展正常, 但混凝土結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較差。
(2) 該梁柱的表層混凝土碳化較為嚴(yán)重, 碳化最深達(dá)到50 mm 以上, 水泥水化產(chǎn)物分解較為嚴(yán)重, 因此表面混凝土結(jié)構(gòu)疏松, 并有收縮裂縫及微裂縫存在。
(3) 對(duì)這樣的混凝土梁柱, 在使用中應(yīng)嚴(yán)格控制侵蝕介質(zhì)的侵入以避免加速混凝土的劣化; 另外對(duì)碳化嚴(yán)重的部位應(yīng)采取針對(duì)性的修復(fù)措施, 以防鋼筋銹蝕引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降甚至造成結(jié)構(gòu)破壞的惡性后果出現(xiàn)。
(4) 對(duì)于服役一定齡期的混凝土結(jié)構(gòu), 為確保建筑物服務(wù)壽命安全, 進(jìn)行混凝土碳化深度的檢測(cè)分析非常有必要。
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