淺析影響混凝土碳化的因素

在混凝土結構耐久性分析中，混凝土中的鋼筋銹蝕是造成混凝土結構耐久性損傷的最主要因素，而在一般大氣環境下，混凝土碳化則是混凝土中鋼筋銹蝕的前提條件，因此，研究混凝土碳化原因對混凝土結構的耐久性具有重要的實際意義。

混凝土碳化是指水泥石中的水化產物與環境中的二氧化碳作用，生成碳酸鈣或其它物質的現象，這是一個極其復雜的多相物理化學過程。

混凝土碳化是環境中的二氧化碳向混凝土內部擴散，并與混凝土中的可碳化物質發生化學反應的過程，因此，混凝土的碳化速度主要取決于二氧化碳的擴散速度和二氧化碳與混凝土中可碳化物質的反應性。而二氧化碳氣體的擴散速度則與混凝土本身的密實性、二氧化碳氣體的濃度、環境溫度及混凝土的含濕狀態等因素有關，碳化反應則與混凝土中氧化鈣的含量、水化產物的形態及環境的溫濕度等因素有關，這些影響因素可以歸結為與環境有關的外部因素和與混凝土本身有關的內部因素。

1、環境條件對碳化速度的影響

對碳化速度產生影響的環境條件主要是環境中CO2的濃度、環境溫度及環境濕度。

1)CO2濃度的影響

由于碳化反應是一種化學反應，與此有關的物質濃度對碳化速度有很大影響，CO2濃度越高，碳化速度越快。

2)環境溫度的影響

氣體的擴散速度和碳化反應受溫度影響較大，因此，隨溫度升高碳化速度加快。試驗研究表明，CO2濃度10％、相對濕度80％條件下，溫度40℃的碳化速度是20℃的2倍；CO2濃度5％、相對濕度60％條件下，溫度30℃的碳化速度是10℃的1.7倍。

3)環境相對濕度的影響

環境濕度對混凝土碳化速度有很大影響。相對濕度的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小，濕度較小時，混凝土處于較為干燥或含水率較低的狀態，雖然CO2氣體的擴散速度較快，但由于碳化反應所需水分不足，故碳化速度較慢；濕度較高時，混凝土的含水率較高，阻礙了CO2氣體在混凝土中的擴散，故碳化速度也較慢。有試驗結果表明，在CO2濃度10％、溫度40℃的條件下，相對濕度40％的碳化速度是80％時的1.8倍。

山東建筑科學研究院曾通過試驗研究，給出相對濕度為90％、70％、50％的室內條件下，混凝土碳化速度的平均比率約為0.6：1.0:1.4。同是室外環境，由于各地區的環境溫濕度不同，碳化速度差別較大，在年平均相對濕度較低、降雨量較小的蘭州地區，混凝土碳化速度較快，而在潮濕多雨的貴陽地區，則碳化較慢。長期暴露試驗表明，蘭州、濟南、武漢與貴陽地區的碳化速度比率約為1.2：1.0：0.85：0.5。

對實際混凝土建筑物，環境濕度、環境溫度及環境CO2濃度存在復雜的相互作用，因此，常常是將環境分為室內環境與室外環境、室外淋雨與不淋雨環境等。

通常，室內比室外CO2濃度高(室內約為0.1％、室外約為0.03％)，其碳化速度比室外快。另外，對室外淋雨環境，試塊所處位置對碳化速度也有一定影響。

2 混凝土品質的影響

水灰比對碳化速度的影響

水灰比是決定混凝土性能的重要參數，對混凝土碳化速度影響極大。眾所周知，水灰比基本上決定了混凝土的孔結構，水灰比越大，混凝土內部的孔隙率就越大。由于CO2擴散是在混凝土內部的氣孔和毛細孔中進行的，因此，水灰比在一定程度上決定了CO2在混凝土中的擴散速度，水灰比越大，混凝土碳化速度也就越快。

水泥品種的影響

水泥品種不同，水泥水化產物中堿性物質的含量及混凝土的滲透性不同，故對混凝土碳化速度有一定影響。在快速試驗條件下，礦渣水泥混凝土比同一水灰比的普通水泥混凝土碳化快10″20％，在室外暴露條件下，快50～90％。

3)水泥用量的影響

水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量，因此對混凝土碳化速度有一定影響。混凝土吸收CO2的量取決于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢。

4)混凝土摻合料對碳化的影響

在普通水泥混凝土中，摻加粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相應地減少了，致使混凝土吸收CO2的能力降低，同時，由于粉煤灰混凝土的早期強度低，孔結構差，加速了CO2的擴散速度，從而使碳化速度加快。

根據文獻記載，當粉煤灰摻量小于10％時，可不考慮粉煤灰的影響；當粉煤灰摻量超過20％時，則必須考慮粉煤灰對碳化的影響，并應控制粉煤灰摻量(不超過30％)。

5)混凝土抗壓強度的影響

混凝土抗壓強度是混凝土最基本的性能指標，也是衡量混凝土品質的綜合參數，它與混凝土的水灰比有非常密切的關系，并在一定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、外加劑、以及施工質量與養護方法等對混凝土品質的影響，混凝土強度高，其抗碳化能力強。因此，很多學者都研究了混凝土抗壓強度與碳化的關系。這些研究結果表明，混凝土碳化深度與抗壓強度的倒數成正比。

6)施工質量及養護對碳化的影響

混凝土施工質量對混凝土的品質有很大影響，混凝土澆注、振搗不僅影響混凝土的強度，而且直接影響混凝土的密實性，因此，施工質量對混凝土碳化有很大影響。實際調查結果表明，在其它條件相同時，施工質量好，混凝土強度高，密實性好，其抗碳化性能強；施工質量差，混凝土表面不平整，內部有裂縫、蜂窩、孔洞等，增加了CO2在混凝土中的擴散路徑，使碳化速度加快。

混凝土養護狀況對混凝土碳化也有一定影響。混凝土早期養護不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。另外，混凝土養護方法對碳化速度也有一定影響。

除此之外，混凝土表面的覆蓋層對混凝土碳化有一定的延緩作用。