混凝土碳化的研究与进展

俞伯平 徐东海

诸暨市王家井镇人民政府水管站（311800）

混凝土碳化的研究与进展

俞伯平 徐东海

诸暨市王家井镇人民政府水管站（311800）

碳化是影响混凝土结构使用寿命的主要因素之一，成为混凝土耐久性研究的重要内容。这里对混凝土碳化过程和机理、影响因素及其预防处理措施进行了综述，希望为同行提供参考。关键词:碳化；混凝土；耐久性；机理

0 引言

众所周知，混凝土是一种耐久性材料，但是从浇筑之日起，就会遭受多方面的腐蚀破坏，主要有碳化、碱-集料反应、冻害和盐害等，简称“四害”[1]。其中，碳化是最为常见的，损失也最严重。以前普遍认为碳化会提高混凝土表面的强度和硬度,然而，随着研究的深入,人们发现碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋锈蚀；此外，碳化还会使得混凝土的脆性变大，导致混凝土结构出现裂缝。由此可见，混凝土的碳化是一个不可忽视的问题，研究混凝土的碳化有其实际意义。

1 混凝土碳化过程及机理

1.1 混凝土碳化机理

混凝土是一种包含气相、液相、固相的多相体，混凝土内部存在着孔隙、气泡等缺陷。空气中的二氧化碳能够轻易地渗透到混凝土内部，然后溶解于孔隙液中的液相物质形成碳酸，生成的碳酸与水泥水化产生的氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、CS-H等产物反应形成碳酸钙[2，3]。混凝土的碳化反应式如下:

混凝土内部的pH值一般为12.5～13.5，处于这种高碱性环境中的钢筋会在其表面形成钝化膜，能够保护钢筋。碳化反应后的混凝土内部的pH值会降低，使得钢筋表面的钝化膜分解，使钢筋容易发生锈蚀[4]。

1.2 混凝土碳化过程

碳化是一个由表及里、缓慢向混凝土内部扩散的过程，在混凝土完全碳化区的内部会形成部分碳化区和未碳化区。理论上，未碳化混凝土的pH值约为12.5，而完全碳化的混凝土的pH值为7，因此以pH值来划分不同的碳化区域。pH≥12.5的区段为未碳化区，pH=7的区段为完全碳化区，而介于两者之间的过渡区段则为部分碳化区。由此可以模拟混凝土的碳化过程，如图1所示[2，5]。

图1 碳化过程模拟图

2 碳化对混凝土的影响

2.1 碳化对混凝土结构的影响

碳化使得混凝土的孔径和孔隙率均减少。研究表明:碳化时间延长，混凝土的孔隙率降低，早期的时候迅速降低，后期缓慢降低，且低强度的混凝土更为显著[6]。碳化反应造成了混凝土孔隙率的下降，一定程度上堵塞了部分毛细孔隙，从而抑制水分侵入；但另一方面使混凝土微观结构重分布，破坏了混凝土基体原先的过滤机制，使得有害物质更容易侵入到混凝土内部[7]。

2.2 碳化对钢筋锈蚀的影响

碳化对混凝土结构来说最大的危害就是由于混凝土pH值的降低从而破坏钢筋表面的钝化膜使得钢筋锈蚀。从碳化对钢筋锈蚀速度的影响来看，当pH＞11.5时钢筋处于钝化状态，不发生锈蚀；pH＜9时锈蚀速度不再受pH值的影响；只有当9＜pH＜11.5时锈蚀速度随pH值下降而增大。由于铁锈层呈多孔状，即便锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也很差，因而腐蚀将不断向内部发展，同时生成的铁锈体积约为原先体积的2.5倍，产生的膨胀压力将使混凝土出现裂缝和引起剥落，促使混凝土保护层开裂，导致更大的腐蚀[8]。

2.3 碳化对混凝土性能的影响

2.3.1 强度

混凝土碳化时生成的CaCO3密实了混凝土结构，从而增加了混凝土的质量，增大混凝土的强度(这里的强度特指混凝土或砂浆部分表层碳化后的抗压强度)[9]。也有文献表明[10]，碳化对混凝土强度的影响必须分期考虑，碳化在一定程度上能够改善混凝土中水泥石的孔结构，使其密实程度得到了一定的提高，在早期的时候其作用超过了水泥的水化作用，致使标准碳化状态下混凝土的早期强度增长很快。但从长期的角度来看，碳化使混凝土产生一定程度的收缩，造成后期强度发展变得缓慢。一般来说，加速碳化时混凝土始终处于良好的养护环境。然而，实际的混凝土常常处于干湿循环等恶劣环境中，因此加速碳化时强度有所增加，而实际混凝土结构的强度有所下降。

2.3.2 收缩

碳化能够使混凝土产生很大的收缩，原因是在干缩产生的压应力下的Ca(OH)2晶体溶解和CaCO3在无压力处沉淀所致，由此加大了水泥石的可压缩性。湿度是碳化收缩的诸多影响因素中影响最大的[11]。

2.3.3 腐蚀因子迁移

混凝土碳化使Friedel’s盐和硫铝酸盐分解产生的Cl-和SO42-向未碳化区迁移产生浓缩，进而显著降低这两种离子在碳化区的浓度，同时碳化前沿的浓度显著升高，混凝土中的Na+、K+等碱金属离子向Cl-和SO42-相反向迁移和浓缩，致使碳化未到达钢筋表面时钢筋已经开始锈蚀[11]。

3 影响碳化的因素

3.1 内因

3.1.1 水泥品种和用量

水泥品种决定了单位体积混凝土中的可碳化物质含量，水泥品种的不同意味着其中包含的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别,进而直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对混凝土碳化速度有着重要的影响。一般认为,早强型水泥与同标号水泥相比，抗碳化性能较高；矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥混凝土的碳化速度比硅酸盐水泥混凝土的碳化速度快；对同一熟料的水泥来说，混合材含量越高，其活性混合材越易与水泥水化产物Ca(OH)2反应，加速其碳化速度。

水泥用量越大，碳化速度越慢。目前试验表明[10-12]:相同材料及水灰比，碳化深度与水泥用量成指数的倒数函数关系；同时，水泥用量增加，混凝土越密实，CO2向混凝土内部渗透越慢，因此减缓了钢筋锈蚀的速度。

3.1.2 水灰比

水灰比越小，碳化速度越慢。这是由于CO2是在混凝土内部的孔隙中进行扩散，水灰比越小，混凝土内部孔隙率减少，扩散系数降低，减慢混凝土的碳化速度。

3.1.3 集料品种与粒径

某些天然或人造的轻集料中的火山灰在加热养护过程中会与Ca(OH)2结合。此外，硅质集料发生AAR时也会消耗Ca(OH)2降低混凝土中可碳化物质的含量，都会加速碳化。同时，集料的粒径对水泥浆-集料的黏结有很大影响，在水灰比相同时，粒径越大，与水泥浆的黏结越差，混凝土越容易碳化。

3.2 外因

3.2.1 CO2浓度

对于CO2的影响,学者提出了几十种观点，其理论模式大多基于菲克第一扩散定律。基于菲克定律，混凝土的碳化速度与CO2浓度的平方根近似成正比。环境中的CO2浓度越大，混凝土内外CO2浓度梯度就越大，CO2就越容易扩散到混凝土内部，混凝土的碳化越大。

3.2.2 环境温度

混凝土结构所处的环境温度越高，CO2在混凝土中的扩散速度及CO2与水化产物的反应速度越快，碳化速度加快。除此之外，温度的交替变化也有利于CO2的扩散。清华大学给出了温度对碳化的影响公式[13]:

式中:T1、T2—两种环境绝对温度，K。

3.2.3 环境湿度

CO2溶解于水后才能和Ca(OH)2进行化学反应，所以非常干燥的时候,混凝土碳化是无法进行的。但是碳化本身是释放水的过程,环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化的进行，导致CO2向混凝土内扩散的速度下降。目前，导致混凝土最快碳化速度的相对湿度应该在50%～70%之间[14]。

3.2.4 施工因素

施工因素主要是指混凝土的搅拌、振捣和养护条件等。它们主要影响混凝土的密实性，进而影响混凝土的碳化速度。实际调查结果表明:其他条件相同的情况下，施工质量越好，密实性越好，抗碳化能力也越强；相反如果施工质量差，混凝土内部裂缝、蜂窝和孔洞等比较多，增加了CO2在混凝土中的扩散路径，使得碳化速度加快[15]。

混凝土早期的养护状况对其碳化过程有很大的影响。在早期温度适宜、水分充足的环境下养护的混凝土，水泥可以充分地水化，生成的水泥石更密实,而如果早期养护不良会造成水泥水化不充分，其表层渗透性增大，更容易碳化。

4 混凝土碳化处理及预防措施

4.1 碳化处理方法

对于碳化深度过大且钢筋锈蚀严重，危及结构安全的构件应当拆除重建；对碳化深度小于钢筋保护层厚度的，但是碳化层比较坚固的，用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚度或者碳化浓度虽然较小但是碳化层疏松易剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；对钢筋锈蚀严重的，应当在修补前除锈，并根据锈蚀情况加补钢筋。防碳化的效果，要达到组织或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内部，使得混凝土内部一直处在高碱性环境中，从而保护钢筋[16]。

4.2 防碳化措施

严格控制混凝土裂缝开展宽度，严格控制水灰（胶）比，严格控制混凝土保护层的最小厚度，限制新拌混凝土中的氯化物含量，采用活性掺合料和减水剂技术，严格控制施工质量，对混凝土表面进行涂覆[17]。

设计时应合理设计混凝土配合比，施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固，拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行；施工中混凝土应用机械震捣，以保护混凝土密实性；混凝土浇筑完毕后，应用草料等加以覆盖，并根据情况及时浇水养护混凝土[18]。

5 结语

混凝土碳化是混凝土耐久性研究极为重要的一个内容，这里对混凝土碳化过程及机理，碳化对混凝土的影响，影响碳化的因素及其预防处理措施进行了综述。对于碳化机理，国内外学者所得结论基本一致。碳化对混凝土结构、性能等方面均有很大的影响。结合混凝土碳化的影响因素，提出碳化的处理及预防措施，供同行参考。

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