混凝土碳化分析探討

胡 勝

混凝土碳化分析探討

胡 勝

混凝土的碳化程度與對混凝土的破壞作用成正比，因此，掌握混凝土的碳化機理和防控措施在混凝土工程中越來越引起行業內工程技術人員的重視。

一、混凝土碳化概念

混凝土的碳化又稱為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中。它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化、使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程?；炷撂蓟旧韺炷敛o破壞作用，其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環境下形成的對鋼筋起保護作用的致密氧化膜 (鈍化膜)遭到破壞，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，導致混凝土中鋼筋銹蝕。同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。

混凝土碳化是在潮濕環境下滲入混凝土體內的CO2與水泥石中的Ca（OH）2發生中和反應,降低混凝土中的堿度的過程。

水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總量的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。

混凝土具有毛細管——孔隙結構的特點，這些毛細管——孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細孔和凝膠孔，以及水泥石和骨料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8%～10%。

混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內部擴散，溶解于混凝土孔隙內的水中，再與各水化產物發生碳化反應，生成碳酸鈣等產物?；炷撂蓟怯捎诨炷链嬖谥紫叮锩娉錆M著水分和空氣，在混凝土的氣相、液相、固相中進行著一個十分復雜的多相物理化學連續過程。水泥石中各水化產物穩定存在著pH值。

在混凝土的細孔溶液中，存在較多的是 K+、Na+和與之平衡的 OH-、Ca+2的濃度很低。但是，這樣的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸鹽中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有選擇性地首先沉淀，這是為了補充溶液中Ca+2的不足，固相中的Ca（OH）2溶解。有的學者指出水與空氣的存在是混凝土發生碳化的先決條件。

根據已碳化完了的試件的孔隙壁及內部的取樣，測定其鈣化比得知，碳化反應主要發生在孔隙內壁上。水泥的水化產物對CO2具有吸收與緩沖能力，在該能力喪失之前，碳化反應進行，直到緩沖能力喪失，CO2氣體再一步向混凝土內部擴散。所以，碳化是呈階梯狀進行的?；炷恋奶蓟Y果，使凝膠孔和部分毛細管可能被碳化產物CaCO3等堵塞，混凝土本身的抗滲性和強度會有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液體中pH值，碳化一旦達到鋼筋表面，鋼筋就會因其表面的鈍化膜遭到破壞而銹蝕。鋼筋開始銹蝕后，隨后鋼筋徑向膨脹，保護層順筋開裂，最后鋼筋銹蝕加劇直至結構破壞；混凝土碳化破壞了混凝土結構的表面穩定的水化生成物，碳化反應生成的碳酸鈣強度較低，從而降低混凝土強度。同時，混凝土的碳化還會加劇混凝土的收縮，導致混凝土產生裂縫,從而破壞建筑物。

二、混凝土碳化影響因素

由上可知，混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內部擴散，溶解于混凝土孔隙內的水中，再與各水化產物發生碳化反應這樣一個復雜的物理化學過程。所以，混凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴散速度及CO2與混凝土成分的反應性。而CO2氣體的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、CO2氣體的濃度、環境溫度、濕度等因素影響，所以碳化反應受混凝土內孔隙溶液的組成、水化產物的形態等因素的影響。具體表現在：

（一）內在因素

⒈水泥品種。不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學成分不同，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度有重要影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗滲性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強劑則會嚴重加速鋼筋銹蝕，應嚴格控制其用量。

⒉骨料品種和級配。骨料品種和級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響著混凝土的密實性。材質致密堅實，級配較好的骨料的混凝土，其碳化的速度較慢。

⒊磨細礦物摻料的品種和數量。如具有活性水硬性材料的摻料，其不能自行硬化，但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強較穩定的膠結物質，使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下，摻料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

⒋水泥用量。增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備，使其抗碳化性能增強，碳化速度隨水泥用量的增大而減少。

⒌水灰比。在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學物質較多地浸入混凝土體內，加快混凝土碳化。

⒍施工質量。施工質量差表現為振搗不密實，造成混凝土強度低，蜂窩、麻面、空洞多，為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創造了條件，加速了混凝土的碳化。

⒎養護質量。混凝土成型后，必須在適宜的環境中進行養護。養護好的混凝土，具有膠凝好、強度高、內實外光和抗侵蝕能力強，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內，延緩碳化速度。

（二）外界因素

⒈酸性介質。酸性氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發生中和反應，導致水泥石逐漸變質，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗研究已證明，混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數隨二氧化碳濃度的增加而加快。

混凝土中鋼筋銹蝕的另一個重要和普通的原因是氯離子（Cl-）作用。氯離子在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣，氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發生潰燦性銹蝕。

⒉溫度和光照。混凝土溫度驟降，其表面收縮產生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面便開裂，導致形成裂縫或逐漸脫落，為二氧化碳和水分滲入創造了條件，加速混凝土碳化。

陽面混凝土溫度較背陽面混凝土溫度高，二氧化碳在空氣中的擴散系數較大，為其與氫氧化鈣反應提供了有利條件，陽光的直接照射，加速了其化學反應和碳化速度。據檢測同一結構的背陽面的碳化速度是陽面的60%～80%。

⒊相對濕度。周圍介質的相對濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數的大小。過高的濕度（如100%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴散到水泥石中，過低的濕度（如25%），則孔隙中沒有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進行；當周圍介質的相對濕度為50%～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質的相對濕度。實際工程中混凝土結構下部的碳化程度較上部輕，主要是濕度影響的結果。

⒋凍融和滲漏。在混凝土浸水飽和或水位變化部位，由于溫度交替變化，使混凝土內部孔隙水交替地凍結膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產生裂縫，導致混凝土碳化。滲漏水會使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結成碳酸鈣結晶，引起混凝土水化產物的分解，其結果是嚴重降低混凝土強度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

三、混凝土碳化的防止措施

混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說，關鍵是應采取防止措施。

（一）設計方面

根據水工建筑物中不同的結構形式和不同的環境因素，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，應盡量避免一律采用2～3cm。

（二）施工方面

⒈限制新拌混凝土氯化物含量。拌和混凝土時，有可能從拌和水、水泥、細骨料、粗骨料以及外加劑等材料帶進氯離子。對不接觸氯離子的混凝土，拌和物中的氯離子含量應不大于引起鋼筋銹蝕的臨界值。

⒉采用活性摻和料和減水劑技術。國內外大量研究和工程實踐證明，摻加適量優質的粉煤灰，在保證強度等級與和易性要求的前提下充分潮濕養護，不僅可以節能、節約水泥，降低工程造價，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、離析帶來的質量問題，而且可以以火山灰反應生成的水化硅酸鈣凝膠體封堵毛細孔，從而顯著提高對鋼筋的防護性能。如果適量取代水泥，甚至外加法或同時摻加減水劑，以降低其水膠比，則會取得更好的效果。若以硅粉和硅粉粉煤灰雙摻，其效果要優于單摻硅粉劑。

⒊嚴格控制施工質量。施工質量與混凝土耐久性關系的重要性超過其他因素。從大量混凝土工程出現碳化看，多出在施工質量上，因此，嚴格標準要求，嚴格操作規程、嚴格控制施工質量，是十分必要的。

（作者：黃岡市混凝土協會工程技術專家委員會委員、羅田金羅建材有限公司實驗室主任）