混凝土碳化机理研究及控制措施分析

李星

摘 要 本文简要介绍了混凝土的碳化机理以及相关影响因素，并阐述了一些预防和控制措施。

关键词 混凝土;碳化;影响因素;控制措施

前言

在混凝土周围的介质（空气、土壤、地下水）中含有酸性物质，如CO2，SO2，Cl2等，会渗透到混凝土内部与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的pH下降的过程称为混凝土的中性化过程，其中由CO2引起的中性化过程稱为混凝土的碳化。

1混凝土碳化作用机理

混凝土的碳化是一个多相的物理化学过程，主要的碳化反应过程如下：

（1）Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O

（2）3CaO2SiO23H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

（3）3CaOAl2O33CaSO432H2O+3H2CO3→3CaCO3+2Al（OH）3+3CaSO4+32H2O

（4）CaOAl2O3CaSO412H2O+3H2CO3→3CaCO3+2Al（OH）3+CaSO4+12H2O

混凝土孔溶液中的主要成分是Na+、K+、Ca2+、OH-，Ca2+含量较少。CO2溶解于孔隙水溶液后形成H2CO3，并离解出H+离子和CO2-3离子，然后CO2-3+2Na+→Na2CO3;CO2-3+2K+→K2CO3，

由前述反应生成的Na2CO3、K2CO3易溶于水，只要孔溶液未达到饱和状态，Na+、K+浓度就会比较稳定。由于CO2-3+Ca2+→CaCO3，

且碳酸钙很难溶于水，反应生成的碳酸钙基本都沉积在孔壁表面，所以孔溶液中的钙离子浓度会下降，与此同时，Ca（OH）2晶体溶解加快，以维持原溶液中的Ca2+浓度，此循环过程中Ca（OH）2晶体逐渐减少，CaCO3晶体逐渐增多，孔溶液pH值逐渐降低，混凝土渐趋中性化。C-S-H和AFt、AFm等物质同时也在固-液界面上发生碳化反应[1]。

2混凝土碳化的影响因素

从上述混凝土碳化过程的分析中可知，影响混凝土碳化快慢的具体因素有很多，大概可以分为混凝土材料本身的因素、周围环境因素和施工因素等。

2.1 混凝土材料因素

（1）水泥品种和用量。水泥品种决定着水泥中的各种矿物含量。水泥中混合材料含量越多，碳化速度越快。一般认为，普通硅酸盐水泥混凝土的抗碳化能力强于粉煤灰水泥和矿渣水泥。水泥用量越大，则水泥水化生成Ca（OH）2的量就越多，混凝土的抗碳化性能就越好。

（2）水灰比。水灰比对混凝土的抗碳化性能影响很大，水灰比越大，则混凝土硬化后的孔隙率越大。因为混凝土内部的气孔和毛细孔是CO2的主要扩散通道，孔隙率越大则CO2扩散通道就越多，CO2扩散起来就越容易，碳化也就越快。

（3）骨料品种和级配。由不同骨料和级配配制的混凝土，其内部孔隙结构差别很大，碳化速度有明显差异。连续级配、颗粒粒径小的骨料，会使混凝土碳化速率降低。

（4）掺和料。粉煤灰、粒化高炉矿渣等活性掺合料能与水泥水化生成的氢氧化钙起反应，消耗了混凝土的碱储备，降低了混凝土的抗碳化能力。

（5）外加剂。一般而言，使用外加剂，不改变水灰比，但减少水泥用量，大多数外加剂掺入后会降低混凝土的抗碳化能力。当外加剂用于减小水灰比时，则会提高混凝土的抗碳化能力。总之，适当的外加剂品种，可以促进混凝土抗碳化性能的改善。

（6）混凝土强度。混凝土强度是其密实度和孔隙率的宏观反应，因此与混凝土的抗碳化性能密切相关。通常情况下，混凝土强度越高，碳化速度越慢。反之，碳化速度则加快。

2.2 周围环境因素

（1）周围环境的相对湿度。混凝土的碳化作用只有在适中的湿度下（50%～70%），才会较快的进行。环境相对湿度大于80%甚至达100%时，可使混凝土孔隙水处于饱和状态，反应附加水分无法向外扩散，CO2的扩散渗透速度将降低或终止，从而使混凝土碳化速度大大降低。而过低的湿度（25%以下），则孔隙中没有足够的水使CO2生成碳酸，碳化作用也无法进行。

（2） CO2浓度。环境中CO2浓度越大，CO2越容易扩散进入孔隙，碳化反应速度就越快，一般情况下可认为混凝土的碳化速度与CO2浓度的平方根近似成正比。

（3）环境温度。温度的升高，导致混凝土内部孔溶液饱和蒸汽压越高，水分越易蒸发形成通孔，客观上加速了CO2的扩散，并加速了碳化反应。

（4）混凝土的应力状态。混凝土中微细裂缝的存在为CO2渗透创造了有利条件，并加快了碳化速度。混凝土的内应力使混凝土内部的微细裂缝受到了抑制或者使其加重，从而延缓或加快了混凝土的碳化速度。所以，必须使混凝土构件在合理的应力状态下工作，才能延缓混凝土的碳化。

2.3 施工因素

（1）混凝土密实程度。混凝土密实度低，孔隙率大，蜂窝麻面多，使大气中的CO2和水分更容易渗入其中，从而加快了混凝土的碳化。

（2）养护方法与龄期。养护方法与养护龄期的不同，使水泥水化程度有所不同，混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，碳化就会加快。试验证明，采用蒸养法养护的混凝土比采用潮湿自然养护的混凝土，碳化速度降低约1.5倍左右。

（3）混凝土覆盖层。覆盖层可以对混凝土起到美化保护作用，另外也可以延缓混凝土的碳化。如果覆盖层气密性良好，可使扩散进入混凝土的CO2数量大量减少，从而使混凝土的碳化速度大幅降低[2]。

3预防和控制碳化影响的措施

（1）确定合理的混凝土保护层厚度，确保在设计使用年限内，混凝土碳化层未达到钢筋表面。

（2）在工程施工过程中优先选择抗碳化能力较强的水泥品种，如快硬早强硅酸盐水泥、硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等。严格控制混凝土的水灰比，可以考虑掺入能降低用水量和提高混凝土密实度的外加剂。

（3）提高混凝土的施工质量，加强混凝土振捣及早期养护，这样就可以增强混凝土的抗碳化能力。

（4）可以使用防护涂料对混凝土表面进行封闭，防止CO2气体的侵入，减缓混凝土的碳化作用。另外，对混凝土进行聚合物浸渍也是使其免受CO2气体作用的有效方法。

4结束语

混凝土碳化问题已经成为混凝土耐久性研究中非常重要的课题之一，通过对混凝土碳化机理的深入分析和研究，我们就可以有的放矢的采取更加有效的措施来减少碳化作用对混凝土结构带来的危害。

参考文献

[1] 肖争鸣.水泥工艺技术[M].北京：化学工业出版社，2006：53.

[2] 葛新亚.混凝土材料技术[M]. 北京：化学工业出版社，2006：79.