岳城水库混凝土建筑的碳化机理及影响因素分析.pdf

4 0 海河水利 2 0 1 1 年 1 0月 岳城水库混凝土建筑的碳化机理及影响因素分析 王 文 军 f 海河水利委员会漳河上游管理局， 河北 邯郸0 5 6 0 0 1 ) 摘 要 ： 在查阅大量资料和参考国内外学者碳化模型的基础上， 对岳城水库混凝土建筑的碳化机理及影响因素进行 了分析研究， 旨在找出影响岳城水库混凝土建筑碳化反应速率的主要因素及其影响程度， 为混凝土碳化防治提供一 定依 据 。 关键词 ： 岳城水库 ； 混凝 土； 碳化机理 ； 影响 因素 ； 模 型 中图分类号： T V 6 T 2 ； T V 6 9 8 2 文献标识码 ： B 文章编号：1 0 0 4 7 3 2 8 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 4 0 0 3 混凝土碳化是影响钢筋混凝土力学性能的一个 重要 因素 碳化反应致使混凝土中性化 ， 破坏钢筋表 面碱性钝化膜使之产生锈蚀 。 造成钢筋体积膨胀 、 混 凝 土开裂及其与钢筋的粘结力下降 ，最终导致钢筋 混凝土 自身物质结构和力学性能 的改变 ，降低构件 的承载力和影响建筑物的耐久性 。混凝土的碳化对 建筑物结构安全影响很大 ，所以对混凝土碳化的分 析研究成为一个不容忽视的问题 。 受到人们的关注。 1 混凝土碳化机理 1 1 碳 化 反 应 碳 化就 是 指空 气 中 的酸性 物质 C O 与 混凝 土 中 的碱性物质在气相 、液相和固相中进行复杂多相物 理化学连续反应 ， 造成混凝土中碱性 降低 的过程 。 碳 化 的实质就是混凝 土的中性化 。 必要 的碱度 ( p H l 1 5 ) 是混凝土中钢筋保持钝化 的前提条件 ， 当大气 中的 C O 通过孑 L 隙向混凝土 内部扩散并在孔隙水 中 溶 解 ， 固态 C a ( O H) ： 在孑 L 隙水 中溶 解 并 向其 浓 度 低 的区域( 已碳化 区域) 扩散 ， 溶解在孔 隙水 中的 C O 与 C a ( O H) ： 发生化学反应生成 C a C O ， ， 从而使混凝 土的 p H值降为 8 9 。 1 2碳 化 过程 在混凝 土的细孔溶液 中， 存在着大量的 N a 、 I 普通硅 酸盐水 泥( O P C ) 早 强 水 泥( HE C) 。在 C O 浓 度 0 1 2 、相 对 湿 度 6 0 、 水灰 比 5 0 的相 同条件下 ， 3种水泥的碳化深 度分析曲线如图 1所示 。 l 越 赚 谨 时f司( t ) d 图 1 3种水泥碳化深度分析 曲线 同时 ， 龚洛书等人建立了多因素碳化模型 ， 即： x = k k w k f k k s k x t ( 3 ) 式 中 ： k 为水泥用 量影响系数 ； k 为水灰 比影 响系 数 ； k 为粉煤灰影响系数 ； k 为骨料影响系数 ； k 为 养护方法影响系数 ； k为水泥品种影响系数 。 水 泥 用量 也 直 接 影 响 混凝 土 吸 收 C O 的能 力 ， 水泥用量越大混凝土吸收 C O ： 越多， 碳化速率越低。 2 1 3 骨料 骨料粒径 的大小对骨料一 水泥浆粘结有很大 的 影 响 ， 而 骨料 一 水 泥浆 的界 面有 一 个 过 渡层 ， 过渡 层 内结构疏松 ， 孔隙较多 。不 同骨料 、 不同的粒径对界 面 层 有 影 响 ， 自然 也 会影 响 C O ：的扩 散 ， 从 而 对 混 凝 土 的碳 化速 率造 成影 响 。 一 般说来 ，骨料的粒径太大会使得其与水泥浆 结合较差 ，粒径太小又会使结合面的面积增大。因 此 ， 只有选择较为合适粒径的骨料 ， 才会使碳化速率 降低。 2 1 4 掺 合 物 在普 通水 泥混 凝 土 中 。掺 加 粉煤 灰 1 0 、 2 0 、 3 0 时 ， 混凝土碳化速率与不掺加粉煤灰相比， 其碳 化速率 的比值分别为 1 0 6 、 1 1 3 、 1 1 9 ， 其原因是水泥 中的熟料量相应减少了，致使混凝土吸收 C O 的能 力降低 ， 同时由于粉煤灰强度低 、 孑 L 结构差 加速 了 C O ： 的扩散 ， 从而使混凝土碳化速度加快 ， 即粉煤灰 掺合量越大混凝土的碳化速率越大。 2 1 5 混凝土抗压强度 混凝 土抗 压强 度是 反 映混凝 土力 学性 能 的基 本 指标 ， 它综合反映水灰 比 、 水泥和骨料 品种 、 水泥用 量 、 施 工 质量及 养 护条件 对 混凝 土耐 久性 的影 响 。 基 于混凝土碳化理论 ， 根据工程实测结果 ， 建立 了考虑 水泥品种 、养护条件和环境条件的碳化深度与混凝 土抗 压强度 关 系 的预测模 型 ， 即 ： x = O r 10 2 0 3 ( ) 、 ( 4 ) I c u k 式 中 ： 0 【 为养护条件修正 系数 ； 仅 为水 泥品种修正 系数 ； d 。 为环境条件修正系数 ； 为混凝土抗压强 度 。 经推算 ， 混凝土抗压强度越大， 其碳化深度越小。 2 2 外界环境 因素 2 2 1 C O 2 浓度 C O ： 浓度 越大 ，向混凝 土 内部扩散 速度 就越 快 ， 混凝土碳化速率就越大。 对于 C O ： 对混凝土碳化 速率的影响大多理论 中的混凝土碳化模型都是基 于菲克( F i c k ) 第一扩散定律 ， 即： x= q 一 ( 5 ) 式中： D为 C O ： 渗透系数 ； q为空气中 C O 2 浓度 ； a 为 单位体积混凝土吸收 C O 能力系数 。 从 F i c k定律可 以看出 ，混凝土碳化速率与 C O 浓度 的平 方根 成 正 比。 2 2 2 相对 湿度 C O ： 溶 于 水 后 形 成 H2 C O 3 与 C a ( O H) 2 进 行 反 应 ， 非常 干燥 时混凝 土碳 化反 应无 法进 行 。但 是 ， 由 于混凝土碳化反应是一个释放水的过程 ，过多的水 会抑制碳化的进一步进行 。同时降低混凝土的孔隙 率 ， 从而减弱后续的 C O ： 的扩散 ， 降低混凝土碳化速 率 。 对于碳化 的理想相对湿度说法不一 ， 我国规范规 定混凝土加速碳化试验的相对湿度为 7 0 导致混 凝 土 最快碳 化 的相 对湿 度为 5 0 7 0 。 2 2 3 温度 环境温度对碳化反应的影响通常用阿雷尼乌斯 方程( A r r h e n i u s e q u a t i o n ) 表示 。 即 ： K = Z e x p ( 一 E R T ) ( 6 ) 式 中： k为化学反应速度常数 ； Z e x p为活化能 ； R为 气体常数 ； T为绝对温度 。 ( 下转 第 5 7页 ) 2 0 1 1 N o 5 秦何聪 ， 王诗瑶 ： 岳城水库除险加 固工程投资控制 5 7 资进度控制都有相应的计划安排 ，在时间上细化到 每旬 。 施 工 单位 每旬 对施 工进 度进 行汇 总并 上报 ， 建 管 局根 据 完 成情 况 和工 程 建 设 投 资 的实 际 要求 ， 相 应地 进行 细微 调整 ，可 以严 格 把握好 投 资进 度 。 同 时 ， 对 施工 现 场进行 查 勘 。 确 保施 工进 度 与实 际情 况 相符合 ， 避免出现多报 、 瞒报 、 误报的现象 。 4 2设 计 变更 在工程建设 过程 中 。 难 免会 出现一些 必要 的工 程 项 目变更 或工程量 的增减 相应地 引起施 工投资 的一 些变化 ， 所以必须严格进行控制。 施工单位报请 ， 经过 综合分析和实地勘察 。 经建设单位 同意后 ， 由设计单 位审查后出具相应的图纸和说明可发变更通知。 对不 符合相关程序的口头变更 、 便条变更等不予认可。设 计变更须报请海委批准， 涉及到相关投资增加的还需 要报请动用预备费和招标结余资金。 如 ， 在原设计中， 坝顶公路采用 1 5 e m厚 的水泥稳定碎石土基层对破 坏严重的基层和路基进行处理 ， 但是在路面拆除的实 际过程中发现 。由于长期的大型重型车辆的碾压 ， 绝 大部分的路基破坏严重 ， 最大的深坑达 5 0 e m。因此 ， 改用 4 0 e t l l 厚的三七灰土垫层更好。由于施工的变 化 。 该项 目增加投资 1 2 7 3 7万元 。又如， 原设计中泄 洪 洞 9号 闸门埋件 须更 换 ， 在实 际施 工 中 ， 发 现埋 件 锈蚀较轻 表面状况 良好 ， 水利部水工金属结构安全 监测中心对埋件进行检测， 认为主轨工作表面硬度实 测值满足设计要求 ， 取消了泄洪洞 9号闸门埋件的更 换 。 为此 此项 目减少投 资 1 8 万 元 。 4 _ 3施 工 优 化 施工过程 中，经过对施工现场的勘察并结合实 际情况对施工进行优化。施工优化在一定程度上可 以节约资金 ，工程建设也可 以相应地提前按质按量 的完成 。 水库下游柔性板的施工 中， 采用粉煤灰块模 板法 ， 不仅节约了资金 ， 也缩短 了施工周期 ， 工程质 量也不受影 响。施工阶段工程材料 的选择坚持就近 原 则 ， 并对 工程 材料 进行 质量 检测 ， 在不 影 响工 程建 设 要求 下 ，采取 就 近选取 工程 材料 可 以避 免长 时 间 运输增加成本 ， 在时间上还减轻了施工进度的压力。 同时 ，摸清材料的料源和市场价格也是控制投资的 一 个关键环节 ，避免 出现施工单位定价不准确等因 素对除险加 固工程投资控制不利。 建设场地征用也是投资控制的一个重要制约 因 素 。 为此 ， 建管局成立地方处对此项工作专门进行协 调 ， 征地费用依据 国家相关法律法规 ， 做到资金使用 透明、 公正。由于与地方政府和群众积极协调 在保 证工程质量的前提下尽量缩短工期 既缩短了临时 场地征用的时间 ， 也减少了征地费用。 4 4 价款结算的控制管理 此次除险加固工程的价款结算按照施工进度进 行。施工单位 的月进度支付 申请须经监理审核后上 报到建管局 ，建管局对上报的工程量进行仔细的查 阅 ， 避免出现误算 、 多算 等造成资金支付的不准确 。 实地进行工程进度和工程量完成情况查勘 是审核 工程完成情况的一个重要环节 。新增项 目或变更项 目是审查的关键，由于项 目的变更在最初的设计和 投标文件中没有涉及 ，在这些项 目的价款结算时更 要仔细审核， 确保资金支付的准确。 在审核新增项 目 结算款时 ， 所报项 目的单价必须仔细查对 ， 按照定额 计算 ， 对比当时的运输条件 、 材料价格、 人工费用等 ， 避免施工单位对临时增加项 目的报价过高造成新增 项 目投 资 的扩大 。 5 结语 本次除险加固工程涉及 的范围比较广，工程投 资控制 比较复杂。 工程实施中 对每个环节进行具体 分析 ， 使投资控制透 明有效 ， 合理有效地利用 资金 ， 实现 了预 定 目标 。 ( 上接 第 4 1页) 一 般情况下 ， 环境温度升高导致 C O 扩散速度、 离子运动速度和化学反应速度提高 ，这些都将提高 昆 凝土碳化速率 ，但是温度升高还导致 C O 溶解度 下降， 降低混凝土碳化速率 ， 所以温度变化对混凝土 碳化 的影响说法不一。试验证 明， 保持 6 5 的相对 湿度 、 5 0 的 C O 浓度 ， 碳化 5 d ， 温度从 2 2 c I = 提高 到 4 2， 碳化深度从 1 7 mm加深到 2 1 m m。 仅提高 了约 2 3 5 ，碳化反应对温度变化不是很 明显。但 是 ， 当相对湿度改为 7 5 、 温度从 2 2 提高到 4 2 c I = ， 混凝土碳化速率大大提高 ，继续加温整个碳化反应 更加 剧烈 。 3结语 混凝土碳化 的实质是空气 中的酸性物质 C O 与 混凝土中的碱性物 C a ( O H) 中和反应 ， 造成混凝土 的 p H降低 ， 破坏钢筋钝化膜的过程。其反应过程主 要受水灰 比、 水泥品种及用量 、 掺和物 、 骨料 、 抗压强 度 、 C 0 ： 浓度及外界环境 的相对湿度和温度 等诸 多 因素影响。 熟悉和掌握这些影响因素 ， 给工程建设中 如何防止和减缓混凝 土碳化 、 更好地保证建筑的结 构安全 和 耐久性 提供 了强有力 的依 据 。