水闸混凝土碳化深度快速发展及钢筋锈蚀严重情况调查

1.碳化的定义

水泥凝胶体中的水化产物氢氧化钙与空气中的二氧化碳在湿度合适的条件下发生反应，生成碳酸钙的过程，叫做混凝土的碳化。碳化反应化学方程式如（5-17）所示：

未受碳化作用的混凝土，由于水泥凝胶体中含有大约25％的氢氧化钙，所以混凝土的pH＝12～13，呈强碱性。碳化反应的结果使氢氧化钙转变为碳酸钙，pH＝8.5～10，接近中性。所以碳化的结果是使碱性的混凝土中性化。造成混凝土中性化的原因还有酸雨、酸性土壤的作用等，但碳化是混凝土中性化的一个主要原因。

2.碳化与钢筋混凝土的耐久性

碳化对混凝土本身并无特别有害的影响，研究表明碳化反应生成的碳酸钙通常还会使混凝土更加密实和坚硬，强度有所提高，对素混凝土的性能没有危害。但是，碳化作用对钢筋混凝土结构物的耐久性构成危害，其机理是降低了混凝土的碱性，破坏了保护钢筋的碱性环境，导致钢筋容易被腐蚀。

如果将钢筋放置在空气中，钢筋很快就会生锈、腐蚀，这是由于空气中氧气、水分及氯离子等介质的存在，使钢材中的铁元素很快被氧化生成氧化铁或氢氧化铁。而配置在混凝土中的钢筋，一方面混凝土保护层阻挡了空气、水分和其他介质的进入，另一方面钢筋周围被混凝土所包围，正常情况下混凝土中孔隙水被水泥水化析出的Ca（OH）2和少数K、Na氢氧化物所饱和，呈强碱性。钢筋在这种强碱性环境中，表面会形成钝化保护膜（其化学成分为γ-Fe2O3·nH2O或γ-Fe3O4·mH2O），使钢筋表面阳极区显著钝化，这时不论氧气、水分等向钢筋表面的扩散速度如何，都可有效地抑制钢筋锈蚀，这正是钢筋和混凝土发挥互补作用，组成复合材料的优势之一。但是碳化作用使混凝土趋于中性，保护钢筋的碱性环境被破坏，钢筋表面的钝化膜也随之被破坏，加上混凝土材料并非完全密实，水分、氧气、氯离子等介质将通过孔隙、穿过保护层侵入到钢筋表面，使钢筋受到腐蚀。

实际工程中有许多由于混凝土的碳化造成钢筋锈蚀、保护层被破坏，致使整个钢筋混凝土结构物破坏的实例。例如江苏省在新中国成立后建造了280多座大中型钢筋混凝土沿海挡湖闸，由于混凝土耐久性不足，部分水闸过早地产生了钢筋锈蚀，最差的在建成后2～4年水上部位混凝土即产生锈斑和顺筋裂缝；有些建成后3～4年出现锈斑，7～8年后产生明显的锈胀顺筋裂缝。经现场调查，水闸水上部位的混凝土碳化深度发展很快，出现顺筋裂缝的构件多数碳化已接近或超过了保护层，致使内部钢筋锈蚀相当严重。

3.混凝土中钢筋锈蚀破坏机理

钢筋在混凝土中的腐蚀是在氧、水分存在条件下的一种特定的电化学腐蚀，即钢筋的某一部位失去电子成为阳极，钢筋的另一部分成为阴极接收电子，放出氢氧根，具有不同电极电位的钢筋与电解质溶液形成微电池，产生电流。在阳极铁离子进入电解质溶液，与氧、水分发生化学反应，如式（5-18）、式（5-19）和图5-30所示，生成氢氧化亚铁、氢氧化铁等腐蚀物（即铁锈）。

（氢氧化亚铁，白色固体，难溶于水）

（氢氧化铁，红锈，主要腐蚀物）

图5-30　钢筋在混凝土中的电化学腐蚀

钢筋锈蚀后体积膨胀，根据腐蚀物种类不同，体积膨胀可达到2～6倍，如图5-31所示。当锈蚀产物在混凝土孔隙中沉积到一定程度时就会造成过大的内应力，致使混凝土保护层顺钢筋走向开裂。一旦混凝土开裂，空气沿裂缝渗入更快，氧气和水分也就容易向钢筋表面扩散，于是进一步促使钢筋锈蚀，顺筋裂缝也就加速扩大，如此往复循环，钢筋截面大为削减，严重降低承载力；同时影响结构受力，使建筑物的安全受到威胁。这种膨胀作用第一破坏了混凝土与钢筋之间的粘结；第二使钢筋保护层混凝土开裂、剥落，使介质更容易进入混凝土内部，导致腐蚀加剧，最后导致整个结构物破坏。

图5-31　不同腐蚀物的体积膨胀量

如果在环境中存在较多的氯离子，则会加剧混凝土中钢筋的锈蚀。其原因是氯离子在混凝土中的渗透能力很强，同时对钢筋表面的钝化保护膜具有破坏作用。当一定浓度的氯离子达到钢筋表面时，氯离子作为阳极去极化剂，使混凝土中钢筋表面的钝化保护膜破坏，从而导致钢筋电化学腐蚀。同时，氯离子的存在增加了混凝土的导电率，微电池电流相应增加，加剧钢筋的锈蚀速度。上述挡湖闸地处沿海，水和空气中氯离子含量较多，与混凝土碳化作用结合在一起，钢筋锈蚀的可能性和锈蚀速度必然增大。一般认为，混凝土中氯离子浓度应限制在水泥质量的0.4％，超过这一数值，就可能使钢筋表面的钝化膜破坏。但南京水利科学研究院等单位对我国南方港口水工钢筋混凝土建筑物的调查表明，砂浆中氯离子含量超过0.1％时，钢筋就有被锈蚀的危险。(www.xing528.com)

国内外的一些调查研究表明，钢筋混凝土虽然是一种耐久性较好的材料，但由于其内部钢筋可能产生锈蚀，与素混凝土相比，其使用寿命要低得多。密实度和强度足够高的混凝土，经20～30年后，碳化深度一般不超过10mm，钢筋没有锈蚀的迹象。密实度和强度较低的混凝土，仅5～6年时间，混凝土碳化深度就可能达到30mm，20～30年后碳化深度可达50～70mm。一般的钢筋混凝土构件中钢筋保护层厚度在3.5～5mm的范围内，当碳化深度达到钢筋表面时，钢筋被腐蚀的可能性很大。

4.影响碳化速度的因素

碳化速度通常用达到一定暴露时间的碳化深度来表示。所谓碳化深度指由混凝土试件表面向内至碳化反应前沿位置之间的距离（D，mm）。碳化反应是伴随着二氧化碳气体通过孔隙向混凝土内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙并沉积于孔隙壁内这样一个复杂的物理、化学过程。碳化反应从混凝土试件表面开始，随龄期延长逐步向纵深方向发展。由于生成的碳酸钙沉积于孔隙壁上，使混凝土孔隙率减小，随着碳化反应进行，二氧化碳气体向内扩散的速度将逐渐减慢，所以碳化进行速度也将逐渐减慢。许多学者研究了碳化深度与暴露期间的关系，发现它们之间存在着式（5-20）所示的平方根关系：

式中　D——碳化深度，mm；

t——暴露期间，d；

α——系数，与水泥品种、骨料种类和混凝土所处的环境等因素有关。

混凝土的碳化试验可以采用自然暴露试验和快速试验两种。自然暴露需将混凝土试件放置在自然环境下，测定大气中二氧化碳和水分对混凝土的碳化作用，试验周期长，但与实际工程的混凝土构件所处的条件可以完全一致，通常用于长周期的试验研究。

试验室内通常是将混凝土试件放置在恒温、恒湿、一定CO2浓度（通常设定温度20°C±5°C，湿度为70％±5％、CO2浓度为20％±3％，）的环境下进行快速碳化试验。采用棱柱体或立方体试件，将试件的四周密封，使二氧化碳气体沿单轴方向向试件内部扩散，经一定期间后，将试件沿碳化进行方向劈开，将浓度为1％的酚酞酒精溶液喷在切开的断面上，则试件断面已被碳化的部分颜色不变，未被碳化的部分呈红色，量测从试件外表面至颜色改变的分界面处的距离，即为碳化深度。根据试件的尺寸可测量多个点的距离，然后求平均值作为最终结果。

已有的研究成果表明，影响混凝土碳化速度的主要因素有以下几个方面：

（1）CO2浓度。室内高于室外，城市高于乡村。随着人类工业化活动日趋活跃，机动车数量增多，二氧化碳排放量逐年增加，混凝土的碳化反应速度将加快。

（2）环境湿度。水分是碳化反应必不可少的反应物之一，完全没有水分的干燥条件下，碳化反应将停止。100％湿度条件下，混凝土的孔隙内充满水，CO2气体无法向混凝土内部扩散，碳化反应也将停止。相对湿度在50％～75％时，碳化速度最快。

（3）水泥品种。混凝土中氢氧化钙含量越多，达到同一碳化深度所需时间越长。因此，采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的混凝土，其抗碳化能力大于矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等掺混合材料的水泥。

（4）混凝土的密实度。如前所述，碳化反应伴随着CO2气体、水分向混凝土内部的扩散，混凝土越密实，CO2气体和水分的扩散速度越慢，碳化速度也就越慢。