碳化对混凝土强度及耐久性的影响

牛颖兰

(甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050)

碳化对混凝土强度及耐久性的影响

牛颖兰

(甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050)

工程实践表明，混凝土在使用过程中，不可避免地受到周围环境介质的作用；由于混凝土受自身因素的影响，在空气中CO2的作用下，会发生不同程度的碳化。若碳化程度较高，则会严重降低混凝土的强度和耐久性。从引起混凝土碳化的因素、对混凝土强度和耐久性造成的影响，以及如何减小碳化带来的危害等方面进行了分析。

碳化；影响因素；强度；耐久性；防制措施

0 引言

影响混凝土强度和耐久性的因素比较多，而碳化的影响亦不可小视。通常情况下，硬化后的混凝土在早期常呈较强的碱性，当周围环境中的酸性介质向混凝土内部扩散并溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的碱性物质如：氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生化学反应，使水泥石中的pH降低，导致混凝土呈现中性化，即碳化。碳化将严重影响混凝土的强度和耐久性，威胁混凝土结构的安全性。

混凝土碳化的化学反应方程式如下[1]：

1 引起混凝土碳化的主要因素

1.1 CO2的浓度和环境的湿度

CO2的浓度是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究表明，混凝土的碳化速度与CO2浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随CO2浓度的增加而加快。环境的湿度也是加速混凝土碳化速度的重要外部因素。随着空气中CO2浓度的增加，碳化速度加快，并在相对湿度为50%左右的环境下最快。

1.2 混凝土内部的碱度

混凝土内部的碱度对混凝土的强度及耐久性有重要的影响，当混凝土内部含有较多的Ca(OH)2时，即便发生碳化，混凝土的碱度降低的也不是很多，对混凝土强度及耐久性的影响比较小。混凝土内部碱度的高低主要取决于所使用的水泥品种。

1.3 混凝土的抗渗性

一般情况下，混凝土抗渗性愈好，则抗碳化能力愈强，混凝土的抗渗性的好坏主要受下列因素的影响。

1.3.1 水胶比

当水胶比过大时，一方面，混凝土在拌合及浇筑过程中容易产生泌水，致使混凝土不均匀，较易产生泌水通道；其次，在硬化过程中由于大量游离水分的蒸发而引起较大的干缩裂缝。当水胶比过小时，从理论角度讲，可以提高混凝土的强度，但由于受到施工条件的限制，混凝土不能被振捣密实，在硬化后其内部将存在较多的蜂窝和空洞，混凝土结构较为疏松。渗透性增大，加速混凝土的碳化。

1.3.2 粗细骨料的品质

拌制混凝土时，采用品质良好的骨料，就能形成较为密实的骨架，且混凝土在凝结硬化过程中干缩小，密实度高，则可减轻碳化。若采用多孔状的轻质骨料，则收缩变形比普通混凝土要大。1 m结构的轻骨料混凝土最终收缩值在0.4～1.0 mm之间，为同强度等级普通混凝土的1～1.5倍。由于容易出现收缩裂缝，使得混凝土的抗渗性变差。

1.3.3 施工质量的影响

混凝土在浇筑成型过程中，如果拌合不均匀或振捣不密实，都会造成混凝土硬化后内部出现蜂窝、麻面和空洞等缺陷。混凝土成型后，若养护不当，使其暴露在干燥的环境中，就会产生干缩裂缝。大量孔隙和裂缝的存在为CO2和水分的渗入创造了条件，会进一步加速混凝土碳化的进行。

2 碳化对混凝土强度和耐久性的影响

2.1 碳化对混凝土强度的影响

混凝土碳化后，会对强度造成不同程度的降低。根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》的规定，对于14～1 000 d龄期范围内的混凝土，可用混凝土回弹仪检测混凝土抗压强度，并根据回弹的角度对回弹值进行修正。表1[2]为部分“测区混凝土强度换算表”，并加以分析，从而得出碳化对混凝土强度的影响。

由表1可以看出，随着碳化深度的增大，混凝土强度降低的程度愈大，并且随着混凝土强度值的提高，碳化对混凝土强度的影响更加显著。当碳化深度达到6 mm及以上时，碳化深度每达1 mm，混凝土强度值平均降低约2 MPa以上。原因是由于混凝土中的水泥水化产物与空气中的CO2发生反应，释放出结合水，导致混凝土碳化而引起收缩，混凝土表面产生拉应力而开裂，导致混凝土强度降低。

表1 测区混凝土强度换算表

2.2 碳化对混凝土耐久性的影响

碳化使混凝土内部的碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用。当混凝土内部的pH值小于11.5时，钢筋钝化膜就脱离稳定状态，逐渐破坏，钢筋易发生锈蚀。钢筋锈蚀的同时伴随着大量的体积膨胀，致使混凝土保护层产生开裂，进一步加剧了CO2、水和氧气等有害介质的侵入，形成恶性循环，最终导致混凝土沿顺筋方向产生开裂。开裂后的混凝土，使得环境中的有害介质进一步向内部扩散，从而使混凝土的抗渗性、抗冻性、抗风化性能等其他耐久性指标严重下降，以至发生完全破坏。

3 如何防止或减轻混凝土的碳化

3.1 合理设计混凝土配合比

3.1.1 设计合理的水胶比并保证足够的水泥用量

在混凝土配合比设计时，所计算的水胶比不宜过大，也不宜过小，应以满足混凝土的强度和耐久性要求为宜。一般在能保证混凝土振捣密实的前提下，宜尽量选择较小的水胶比，使混凝土在拌合及浇筑过程中的游离水分减少，硬化后密实度提高，可有效地提高混凝土强度和抗渗性，进而提高混凝土的抗碳化性能。

工程实践表明，混凝土的碳化速度随水泥用量的增大而减慢。适当增加水泥用量，一方面可以改善混凝土拌合物的工作性能，提高混凝土的密实性；另一方面，还可增加混凝土内部的碱性储备，增强混凝土的抗碳化性能。

3.1.2 适宜的水泥品种

不同的水泥品种配制的混凝土，其碱度的大小差别很大。硅酸盐水泥，完全水化后，水化硅酸钙凝胶高达约50%，Ca(OH)2的含量大约占25%。因此，配制而成的混凝土密实度高，碱度也较高，除具有较高的强度外，抗碳化能力也比较强。而掺加了大量混合材料的硅酸盐水泥，配制而成的混凝土，由于水泥石内部的Ca(OH)2含量低，使得水泥石的碱度降低，导致抗碳化能力较差。

3.1.3 掺加混凝土外加剂和活性超细粉

3.1.3.1 高效减水剂

高效减水剂的减水率一般可达15%以上，掺入混凝土中，可在保持混凝土拌合物坍落度及水泥用量不变的条件下，显著降低拌合用水量，使得水胶比降低，硬化后混凝土中水泥石的孔隙率降低，密实度提高，外部的有害介质较难进入内部，从而提高了混凝土的抗碳化性能。

3.1.3.2 引气剂

在混凝土拌合过程中，掺入适量引气剂[3]可以增大混凝土拌合物的坍落度，1%的含气量可提高坍落度1 cm，在和易性相同的条件下可以降低拌合用水量，且使泌水减小到50%～25%，使沉降显著降低。除此之外，还能改善混凝土内部孔隙的特征，从而提高混凝土的抗渗性。掺引气剂的混凝土抗碳化性能明显优于不掺的。

3.1.3.3 活性超细粉

活性超细粉如硅灰、超细矿渣粉、超细粉煤灰等。超细粉的粒径大多在5 m以下，这种尺度的粉粒能够填充到一般细骨料和水泥中混合材粉粒不能填充的孔隙中，因而使水泥石的孔隙率进一步降低。另外，在超细粉中如果掺入一些对超细粉活性有激活作用的物质，可以使超细粉的活性得以激发，二次水化反应的速度加快，产生所谓的“复合凝胶效应”[4]，混凝土硬化后密实度极大地提高，周围环境中的CO2、O2、水分等有害介质很难进入其内部。

3.2 改善施工条件，保证施工质量

3.2.1 采用先进的施工工艺，振捣密实

法国学者Romet的研究[5]发现，振动波破坏混凝土拌合物中的气泡时，所能破坏的气泡的直径与振动波的频率有关，振动波频率与其能破坏的气泡直径的关系为：

式中：ω为振动频率，次/min；

d为所能破坏的最小直径，mm。

一般机械振动的频率为5000～12000次/min，代入上式计算，当振动频率为12 000次/min时，所能破坏的最小气泡直径只有0.7 mm。而对混凝土强度及耐久性能有明显有害作用的孔直径一般为0.01 mm，要破坏0.01 mm及更小的孔，必须加大振动频率。Romet提出了采用超声波振动的方法，可以破坏直径1.4×10-5mm的气泡，有效降低混凝土内部的细微孔隙，大幅度的提高混凝土抵抗外界侵蚀性介质的作用。

3.2.2 加强养护

实测结果表明[6]：早期或处于塑性状态的混凝土，其收缩值约比硬化后的混凝土大数倍，且塑性状态的混凝土表面收缩也比其混凝土内部收缩要大，通常当混凝土表面水分蒸发率超过0.5 kg/(m2·h)时，混凝土将产生急剧收缩，可能产生干缩裂缝。养护措施得当的混凝土，具有胶凝性能好、强度高、抗侵蚀能力强等特点，能阻止大气中水分和CO2的侵入，延缓碳化速度。

3.3 混凝土表面处理

混凝土表面加保护层，则可避免混凝土与空气的直接接触，亦可减轻混凝土碳化的程度。随着保护层厚度的增加，抗碳化的性能就会愈好。如在混凝土表面抹灰、涂刷涂料或粘贴其他密实度、耐久性高的材料，则可提高混凝土的抗碳化性能。

4 结语

综上所述，碳化对混凝土强度和耐久性影响很大，但针对引起混凝土碳化的主要因素，采取必要的措施，就可以提高其密实度，有效地增强混凝土的抗渗性，延缓碳化的速度或减轻混凝土碳化的程度，提高混凝土的强度和耐久性，从而确保建筑物的正常使用。

[1]刘晓东,李固华.混凝土渗透性和耐久性关系研究[J].四川建筑科学研究,2009.

[2]JGJ/T23,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

[3]冯浩,朱清江.混凝土外加剂工程应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4]朱宏军,程海丽,姜德民.特种混凝土和新型混凝土[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5]冯乃谦.高性能混凝土结构[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]李德荣,陈惠华,金雪菊.砼结构裂缝类型、特点、形成机理和原因分析[A].建筑物病害诊治与工程质量检测实例论文集[C].兰州:兰州大学出版社,2003:9-10.

TU37

A

1673-1093(2014)01-0078-03

牛颖兰(1975)，女，甘肃通渭人，毕业于西安建筑科技大学，工程师，土木工程专业，研究方向：建筑材料教学与研究(nyl1161@163.com)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.01.017

2013-10-13；

2013-12-07