混凝土碳化研究综述

刘道宽 王 磊 刘芳芳 赵燕茹

（内蒙古工业大学 土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

大气环境中的CO2与水泥石中的碱性物质发生反应，混凝土的pH值降低，这个过程称为混凝土的碳化。混凝土中的pH值降低会使钢筋表面的钝化膜逐渐被破坏，钢筋就会发生锈蚀。这些都会对结构的耐久性产生一些不良的影响。因此 ,进行混凝土碳化作用研究分析，对混凝土结构的耐久性研究具有重要的意义。

1 碳化机理

水泥与水发生水化反应，生成水化物主要包括氢氧化钙、水化硅酸钙、未水化的硅酸三钙、硅酸二钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙及钙矾石［1］。其中氢氧化钙约占三分之一［2］。其碳化的化学过程主要是，CO2气体融于混凝土孔隙中的水形成碳酸，碳酸与混凝土的水化物质反应生成碳酸钙，氢氧化钙溶出以补充混凝土孔隙液相中的氢氧化钙浓度，所以早期的混凝土呈碱性。混凝土PH一般大于12.5，在如此高的碱性环境中，钢筋容易发生钝化作用，并在钢筋表面产生一层钝化膜，能够有效阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当空气中的二氧化碳和水汽从混凝土表面通过空隙进入混凝土内部和混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的PH值降低。当混凝土完全碳化后，就会出现PH值小于9的情况，这时，混凝土中的钢筋表面的钝化膜会逐渐被破坏，在加上一些其他的条件，钢筋就会发生锈蚀［3］。钢筋的锈蚀会产生体积膨胀进而导致混凝土保护层开裂、以及钢筋与混凝土之间的粘结力破坏。

2 影响碳化的因素

混凝土的碳化是一个比较复杂的物理化学过程，它的碳化速率取决于二氧化碳气体的扩散速率及二氧化碳与混凝土成分的反应性［4］。而二氧化碳气体的扩散速率又受混凝土本身的组织密实性、二氧化碳气体的浓度等影响。因此，本文大致总结为材料、环境和施工三类因素。

2.1 材料因素

首先是水灰比的影响，水灰比越大孔隙率越大，能够更有效的促进二氧化碳扩散，从而加速了碳化过程。其次混凝土的碳化性能与水泥的品种与用量有关，在水泥品种确定的情况下，水泥用量越大, 单位体积混凝土中可碳化的水化产物就越多，可以消耗的 CO2也就越多，从而碳化速率越小。［5］

2.2 环境因素

影响混凝土碳化的环境因素主要包括以下几个：（1）二氧化碳的浓度，二氧化碳的浓度越大，从分子理论来说扩散速度就越快，碳化的也就越快。（2）温度，试验研究表明，温度对气体的扩散速率较大，温度升高，碳化速率加快。（3）湿度，湿度太小缺少碳化的水分，碳化就较慢；水分太多会阻止二氧化碳扩散，碳化也较慢。试验研究表明，湿度在50%-70%时，碳化速度较快。（4）风，风压和风向都会对碳化有影响，风压会加速碳化，但风比较复杂，很难具体的反映影响的大小［6］。

2.3 施工因素

施工因素主要指的是混凝土的搅拌、振捣以及养护等其他条件。主要是通过影响混凝土的密实性来影响混凝土的碳化性能。振捣的越密实，抗碳化能力越高；如果振捣不均匀，内部裂缝比较多，其抗碳化能力就比较弱。

3 碳化区的划分

为了更好的解释为什么碳化未到达钢筋之前，钢筋已经开始锈蚀的现象，也为了认识钢筋锈蚀和混凝土碳化之间的关系，英国学者parrott最先验证了部分碳化区的存在［7］。已有的研究［8］表明混凝土中存在着完全碳化区、部分碳化区以及未碳化区。在应用上：因此通常认为9＜PH＜11.5的混凝土处于部分碳化区。从混凝土中钢筋锈蚀的机理来看，钢筋锈蚀的速度在PH=9～11.5的区段内恰恰是随PH值的下降而增大的,PH值在9以下是锈蚀速度保持不变,PH值在11.5以上时钢筋处于钝化状态。随着碳化过程的发展，钢筋位置的PH值逐渐下降，钢筋锈蚀的速度也就逐渐增大，直到钢筋全部处于完全碳化区后锈蚀速度就基本稳定下来。

4 碳化对钢筋混凝土性能的影响

碳化对混凝土的密实性有加强作用,并会提高其相对抗压、劈拉强度。国内外研究的结果表明,混凝土碳化后抗压强度提高,延性降低,其静力弹性模量的变化正比于强度的变化, 具有明显的脆性,对抗震不利。碳化对于混凝土强度的提高作用有限,碳化后混凝土峰值压应变明显降低,弹性模量提高,试件破坏时脆性更加明显;不同碳化深度混凝土的应力-应变曲线上升段十分接近,下降段则随碳化加深变得越来越陡。混凝土碳化对钢筋的保护作用减弱, 引起钢筋锈蚀。并且钢筋和混凝土之间的粘结力降低［10］。当混凝土结构发生不同程度碳化后, 其构件的强度和刚度会提高, 而延性降低, 强度和刚度的提高会使结构承受的地震作用增加, 延性降低会使结构和构件的耗能能力降低, 因此, 混凝土碳化后会削弱混凝土结构的抗震能力。

5 结论与展望

本文对混凝土碳化机理、影响因素、碳化区域划分及其力学与结构性能进行了综述。碳化对混凝土本身的耐久性产生严重的不良影响同时碳化反应由于改变了混凝土的内部结构，并进一步影响钢筋和混凝土材料本身强度的发挥。在今后的研究中还应考虑其他因素对混凝土碳化的耦合作用，建立相应的混凝土耐久性寿命预测模型。

[1]柳俊哲.混凝土碳化研究与进展(1)——碳化机理及碳化程度评价[J]. 混凝土,2005,(11):11-14+24.

[2]孙江安.通过碳化试验检测混凝土结构的耐久性[J]. 混凝土,1990,(03):34-40+62.

[3]王立久,张立卿,刘莎. 浅谈混凝土中钢筋锈蚀机理及影响因素[J]. 建材技术与用,2014,(01):22-25.

[4]龚洛书,刘春圃. 混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京: 中国建筑工业出版社, 1990.

[5]池永,姜国华. 混凝土碳化的影响因素及应对措施[J]. 山西建筑,2009,35(08):178-179.

[6]金伟良,赵羽习. 混凝土结构耐久性 [M].北京: 科学出版社, 2014.

[7]Parrott L J. Some effects of cement and curing upon carbonation and reinforcement corrosion in concrete. Materials and structures,1996，29(3):164-173

[8]蒋利学.混凝土碳化区物质含量变化规律的数值分析. 工程力学，1997（增刊）：108-112

[9]肖佳,勾成福. 混凝土碳化研究综述[J]. 混凝土,2010,(01):40-44+52.

[10]谢晓鹏,高丹盈,赵军. 钢纤维混凝土冻融和碳化后力学性能试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2006,(04):514-517+589.