1 基本概念
碳化是水泥中的水化产物与环境中的CO2 相互作用, 生成碳酸盐或其他物质, 降低混凝土中pH值, 改变混凝土内部组成结构, 影响混凝土性能的一个复杂的物理化学过程。以普通硅酸盐水泥为例, 其碳化过程的主要反应为:
Ca(OH)2+CO2 → CaCO3+H2O
C- S- H+ CO2 → CaCO3+H2O
碳化生成的CaCO3 以多种形式存在, 如不稳定的文石( μ- CaCO3) 和球型的方解石( β- CaCO3) 以及结晶良好的方解石( α- CaCO3) 。碳化反应是由表及里呈阶梯状逐渐进行的, 当某一层混凝土完全碳化后, 其pH 值大约为8.5～9, 这个pH 值低于水泥各水化产物稳定存在的pH 值(表1)。因此碳化会导致水泥水化产物的分解, 加剧混凝土的收缩, 尤其会导致钢筋钝化膜的破坏, 使混凝土失去对钢筋的保护作用, 造成钢筋锈蚀并最终导致混凝土的开裂和结构破坏。因此对混凝土碳化性能的研究非常重要, 本文以某使用龄期已达30 年的单层厂房的混凝土梁柱为对象, 进行其碳化程度的研究分析和机理探究。
2 研究方法和检测结果
2.1 混凝土梁柱的强度发展分析
参照中国工程建设标准化委员会标准CECS03: 88《钻芯法检测混凝土强度技术规程》进行梁柱混凝土钻芯样的强度测定, 钻芯试样尺寸为!70.5mm×750mm, 数量为4 个, 其强度检测结果见表2。由表2 可知, 混凝土强度平均值均在30MPa左右, 原混凝土设计标号为C25, 因此可以判断梁柱
混凝土的强度发展正常; 但其离散值较大, 混凝土结构均质性较差。
2.2 碳化深度检测
采用酚酞显色法测试梁柱混凝土碳化深度。其机理是: 利用水化产物Ca(OH) 2 与酚酞试剂呈显色反应( 变红) ; 而混凝土碳化产物CaCO3 则与酚酞在硬化的混凝土环境中不变色( 只有含水超过70%的碳酸钙溶液方能使酚酞显色) 。所以用酚酞试剂可以准确地判断混凝土中是否还有未碳化的Ca(OH)2 存在, 从而可测出碳化的终点数据。对该梁柱不同部位表层混凝土的碳化深度进行测试, 结果见表3。
表3 结果表明, 混凝土结构表面碳化较为严重,碳化深度较深, 表面的混凝土结构已发生较为严重的变化。因此混凝土内部原碱性环境已被严重破坏,内部钢筋保护层已中性化, 对钢筋的保护作用已丧失, 钢筋锈蚀发生的可能性较大。尤其是局部部位碳化深度已超过50mm, 钢筋保护层已被破坏, 钢筋已处于锈蚀环境之中, 当空气中存在氧气和相应的湿度时, 混凝土钢筋将有可能发生快速锈蚀反应, 从而直接危及结构安全。
2.3 混凝土内部组成分析
对梁柱岩芯取样的混凝土, 采用日本JEOL公司生产的CXA- 733 型扫描电镜进行了内部组成的形貌分析。实验参数为: 加速电压20 kV, 电流2000mA。
我们将岩芯取样的混凝土分别从外到内以200mm 长度按表层混凝土、基体混凝土切片, 剥离出粗集料, 将剩余的物料( 只含有水化水泥和细集料)选取豆粒大颗粒真空干燥后, 进行混凝土微观水泥水化产物的SEM分析, 结果见图1～图4。
(1) 从图1 和图3 照片中可以看到, 对于基体混凝土, 其混凝土结构属正常, 水泥浆严密地包裹着
骨料, 能够见到紧密地连接在一起的、结晶完好的六方板状或层状Ca(OH)2, 针状、棒状钙矾石及絮状凝胶C- S- H 等水化产物。
(2) 从图2 和图4 照片中可以看到, 对于表层混凝土, 得到与碳化深度测试一致的结果。即混凝土表面碳化严重, 水泥水化产物分解较为严重, 大部分面层混凝土中存在大量颗粒状的CaCO3, 根本就没有Ca(OH)2 相的存在, 局部部位存在转化, 而且可以看到分解团聚的C- S- H, 混凝土结构变得疏松。
3 结论
通过强度、碳化深度及混凝土内部组成微观形貌分析, 结果表明:
(1) 本试验对象———服务30 年的混凝土梁柱,其强度发展正常, 但混凝土结构均质性较差。
(2) 该梁柱的表层混凝土碳化较为严重, 碳化最深达到50 mm 以上, 水泥水化产物分解较为严重, 因此表面混凝土结构疏松, 并有收缩裂缝及微裂缝存在。
(3) 对这样的混凝土梁柱, 在使用中应严格控制侵蚀介质的侵入以避免加速混凝土的劣化; 另外对碳化严重的部位应采取针对性的修复措施, 以防钢筋锈蚀引起结构强度大幅下降甚至造成结构破坏的恶性后果出现。
(4) 对于服役一定龄期的混凝土结构, 为确保建筑物服务寿命安全, 进行混凝土碳化深度的检测分析非常有必要。
参考文献
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