混凝土碳化的影響因素及其控制措施

侯忠

(四川松林河流域開發有限公司，四川石棉625400)

1 概述

近年來，隨著鋼筋混凝土被廣泛的應用于各類建筑工程結構之中，人們對混凝土結構的耐久性要求越來越高，其耐久性成為近半個世紀來人們普遍關心的問題。耐久性是衡量混凝土結構性能的一個重要指標，對于同一強度的混凝土結構，其耐久性可能會相差很大。混凝土的抗碳化能力是衡量混凝土結構耐久性的重要指標。過去，由于在設計和施工時對混凝土碳化問題重視不夠，導致混凝土抗碳化能力較低，造成很多建筑物耐久性差。然而，隨著經濟的不斷發展，溫室效應越來越顯著，大氣中CO2濃度越來越高，大量處于暴露環境中的混凝土結構面臨的碳化問題越來越嚴重，人們開始重視并研究由碳化引起的混凝土破壞的原因。研究發現，混凝土結構抗碳化能力不足將引起其內部鋼筋銹蝕，銹蝕后的鋼筋產生膨脹導致混凝土開裂，保護層剝落，鋼筋斷面發生缺損，進而造成混凝土結構耐久性差，降低建筑物的使用壽命。有關調查結果顯示，因混凝土碳化引起鋼筋銹蝕導致混凝土結構失效而造成的經濟損失非常巨大。例如，在美國，1975年各種結構腐蝕造成的損失為700多億美元，其中鋼筋銹蝕造成的損失約占40%。我國“七五”期間維修改造費用占基本建設總投資的54%。由此可見，由鋼筋保護層的混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕已成為導致鋼筋混凝土結構耐久性失效的主要原因之一。因此，混凝土碳化的研究對結構的耐久性具有極其重要的意義

2 混凝土碳化破壞的機理

2.1 碳化機理

2.1.1 碳化反應

混凝土的基本組成材料為水泥、水、砂和石子，其中的水泥與水發生水化反應，生成的水化物自身具有強度(稱為水泥石)，同時將散粒狀的砂和石子粘結起來，成為一個堅硬的整體?；炷恋奶蓟侵杆嗍械乃a物與周圍環境中的二氧化碳作用，生成碳酸鹽或其他的物質的現象。碳化將使混凝土的內部組成及組織發生變化。由于混凝土是一個多孔體，在其內部存在大小不同的毛細管、孔隙、氣泡，甚至缺陷等。空氣中的二氧化碳首先滲透到混凝土內部充滿空氣的孔隙和毛細管中，而后溶解于毛細管中的液相，與水泥水化過程中產生的氫氧化鈣和硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產物相互作用，形成碳酸鈣。所以，混凝土碳化也可用下列化學反應式表示:

可以看出，混凝土的碳化是在氣相、液相和固相中進行的、一個復雜的多相物理化學連續過程。

2.1.2 碳化反應進展模式

在混凝土的細孔溶液中，存在著較多的K+、Na+和與之平衡的OH－，Ca++的濃度很低。CO2與細孔溶液中的H2O反應進而轉化為H+和CO2－3，然后H+與固相Ca(OH)2中的OH－結合生成H2O，從而Ca(OH)2溶解;CO2－3選擇性地與少量Ca++結合生成CaCO3沉淀。

2.2 鋼筋腐蝕的原理

鋼筋接觸水化產物Ca(OH)2后，由于發生初始電化學腐蝕，使其表面形成一層鈍化膜，其主要形成的是Fe2O3和Fe3O4覆蓋物。在堿性環境中，這層鈍化膜可以阻止鋼筋被進一步腐蝕，當碳化深度超過保護層達到鋼筋表面時，由于溶入孔隙液中少量的Ca(OH)2與CO2發生化學反應生成CaCO3和H2O，孔隙液中的pH值大大降低，這時，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學腐蝕，從而導致鋼筋銹蝕。銹蝕后的鋼筋產生體積膨脹而導致混凝土開裂，保護層剝落。然后，水、空氣、土壤或地下水中的酸性物質，如:CO2、HCl、SO2等進入混凝土并與水泥石中的堿性物質發生化學反應，更加加速了鋼筋的銹蝕。CO2相對于其它酸性介質來說更加普遍，但有些物質引起鋼筋鈍化膜破壞要比混凝土碳化引起的破壞要嚴重得多，比如氯化物。因此，在研究中不僅要考慮混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響，同時也要考慮到其它物質的影響。

3 影響混凝土碳化的因素

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，再與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的擴散速度及CO2與混凝土成分的反應性。而CO2的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、CO2的濃度、環境溫度、試件的含水率等因素影響，所以，碳化反應受混凝土內孔溶液的組成、水化產物的形態等因素的影響。這些影響因素主要可歸結為與混凝土自身相關的內部因素和與環境有關的外部因素。當然，除此之外，還存在一些其他因素。

3.1 內部因素

3.1.1 水泥用量

水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積。另外，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。因此，水泥用量越大，混凝土強度越高，其碳化速度越慢。

3.1.2 水泥品種

水泥品種不同，意味著其中所包含的塑料的化學成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別，直接影響到水泥的活性和混凝土的堿性，對碳化速度有重要影響。在同一試驗條件下，砂漿的碳化速度大小順序為:高爐礦渣水泥(BFC)＞普通硅酸鹽水泥(OPC)＞早強水泥(HEC)。有研究認為，高鋁水泥混凝土的碳化規律同普通硅酸鹽水泥混凝土的碳化規律基本相似。

3.1.3 水灰比

混凝土的水灰比和強度是兩個密切相關的概念?；炷恋乃冶仍降停鋸姸仍礁?，混凝土的密實程度也越高;反之亦然。由于混凝土的碳化是CO2向混凝土內擴散的過程，混凝土的密實程度越高，擴散的阻力越大?；炷撂蓟纳疃仁軉挝惑w積的水泥用量或水泥石中的Ca(OH)2含量的影響，水灰比越大，單位水泥用量越小，混凝土單位體積內的Ca(OH)2含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土拌和過程中，水占據一定的空間，既使振搗比較密實，但隨著混凝土的凝固，水占據的空間也會變成微孔或毛細管等。因此，水灰比對混凝土的孔隙結構影響極大，控制著混凝土的滲透性。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，碳化速度增大。

3.1.4 混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度是混凝土基本性能指標之一，也是衡量混凝土品質的綜合性參數，它與混凝土的水灰比有著非常密切的關系，并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、摻加劑以及施工質量與養護方法等對混凝土品質的共同影響。有關資料表明:混凝土強度高，抗碳化能力強。

3.1.5 集料的品種和級配

集料的品種和級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響到混凝土的密實性。試驗說明，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等條件下，其碳化速度約為輕砂天然輕骨科混凝土的0.56倍。

3.1.6 施工質量及養護方法對碳化的影響

施工質量差表現為振搗不密實，養護不善，造成混凝土密實度低，蜂窩、麻面多，為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創造了條件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土養護狀況對碳化也有一定影響?；炷猎缙陴B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。施工中常采用自然和蒸汽養護法。試驗結果表明:普通混凝土采用蒸汽養護的碳化速度比自然養護提高1.5倍。

3.2 外部因素

3.2.1 光照和溫度

混凝土碳化與光照及溫度有直接關系。隨著溫度的提高，CO2在空氣中的擴散逐漸增大，為其與Ca(OH)2反應提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學反應，碳化速度加快。

3.2.2 相對濕度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca(OH)2進行化學反應，所以，在非常干燥時混凝土碳化無法進行。但由于混凝土的碳化本身是一個釋放水的過程，環境相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化進一步進行。試驗結果表明，相對濕度在50%～70%之間時，混凝土碳化速度最快。3.2.3CO2的濃度

對于CO2的影響，學者們提出了多達幾十種觀點，其理論模式大多數基于菲克(Fick)第一擴散(滲透)定律，即:

式中x為碳化系數;D為CO2滲透系數;qc為空氣中CO2濃度;a為單位體積混凝土吸收CO2能力的系數。式(1)表明:CO2濃度越高，碳化速度越快。

3.2.4 氯離子濃度的影響

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，使鋼筋發生潰爛性銹蝕。

3.3 其他因素

(1)不同應力狀態對混凝土碳化的影響。

混凝土試件在不同應力狀態下其碳化速度有所不同。通過對混凝土施加荷載后進行快速碳化試驗研究，我們可以在實際工程中對不同受力構件采取不同的防碳化措施，提高混凝土的耐久性。

混凝土施加應力之后對其內部的微細裂縫起到了抑制或擴散作用。微細裂縫的存在使CO2容易滲透，從而引起碳化速度加快。但在施加了壓應力之后，使混凝土的大量微細裂縫閉合或寬度減小，CO2的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當然，混凝土中的壓應力過大時，也可使混凝土產生微觀裂縫，加速碳化過程;相反，施加拉應力后，混凝土的微裂縫擴展，加快了混凝土的碳化速度。另外，碳化速度隨時間的增長也越來越慢。

(2)裂縫對混凝土碳化的影響。

混凝土結構的劣化破壞過程多是由于各種有害物質從外部向內部的滲透或遷移作用造成的。因而混凝土結構的抗滲性是反應其耐久性的一個綜合性指標。裂縫的存在將直接影響到混凝土的滲透性與耐久性，并且由于碳化能夠通過裂縫較快的滲入到混凝土內部，因而裂縫處混凝土的碳化速度要大于無裂縫處。

(3)施工質量對混凝土碳化的影響。

混凝土澆筑、振搗和養護不僅影響混凝土的強度，而且直接影響混凝土的密實度。密實的混凝土表面孔隙率小，容易吸收空氣中的水分填滿孔隙，因此其抗碳化性能好。不密實的混凝土表層孔隙多，CO2很容易由氣相擴散到充滿水的毛細孔隙而完成碳化。因此，施工質量的優劣在很大程度上影響了混凝土的碳化。施工經驗表明，在其他條件相同時，施工質量好，混凝土強度高，密實程度好，其抗碳化性能強。施工質量差，容易造成混凝土表面粗糙，內部出現蜂窩、孔洞等，增加了混凝土中的透水通路，使水、空氣、侵蝕性化學物質沿著透水通路進入混凝土內部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕，降低其抗碳化能力。

(4)養護對混凝土碳化的影響。

養護條件以及養護齡期對混凝土抗碳化能力有一定的影響。一般而言，混凝土強度高，其水化反應充分，內部結構密實，孔隙率小，抗碳化能力就強。而養護條件不同，對混凝土強度有很大影響，從而也影響到混凝土的抗碳化能力?；炷猎诔貤l件下進行養護，水泥的水化只有在飽和條件下方能充分地進行。當毛細管中的水蒸氣壓力降至飽和濕度的80%時，水泥的水化幾乎停止，水泥水化不完全，不僅影響到混凝土的強度，而且影響混凝土的抗碳化能力。在潮濕的養護條件下，養護期越長，則混凝土的強度越高，抗碳化能力好。齡期也影響混凝土的抗碳化能力，隨著其養護齡期的延長、水泥顆粒的進一步水化，內部孔隙減少，水泥微觀結構得到改善，密實度提高，強度增加，碳化速度下降，混凝土的抗碳化能力得到改善。

4 混凝土碳化的控制措施

混凝土碳化的有效防治措施雖然不可能完全杜絕混凝土的碳化破壞，但可有效地加以限制，具體措施如下。

4.1 水泥品種與標號的選擇

施工中，應根據建筑物所處的地理位置、周圍環境和建筑物的不同部位，選擇合適的水泥品種，控制好水化熱與溫度應力的放出:對于水位變化區以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區選用抗硫酸鹽的普通硅酸鹽水泥;對高速水流沖刷的部位，如水閘室、溢流壩壩面等選用高標號水泥。

4.2 骨料的選用

選擇粗細適當、級配良好的抗酸性骨料與水、水泥發生作用，對混凝土的碳化有一定的延緩作用。針狀或片狀的骨料及骨料中的粉塵稱為有害成分。

4.3 選擇合適的配合比，控制拌合加水量

配合比是指組成混凝土的各種材料的用量之比。研究結果顯示:過量的拌合用水，水分的蒸發會留下蒸發跑出的通道，使空隙率加大，混凝土結構的密實度降低，強度、耐久性隨之降低，而碳化破壞將會加強。加水量不可少，必須滿足水泥水化生成凝膠體的用水量。

4.4 適當加入外加劑及添加劑

在混凝土拌合中使用減水防裂劑使混凝土用水量減少25%，可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水和沉縮變形、提高混凝土的抗裂性能:可使混凝土密實性好，表面易抹平形成微膜，減少水分蒸發和干燥收縮等。加入活性和非活性的混合材料，如粉煤灰，可以增加混凝土的密實程度，提高其強度。

4.5 采用科學的施工方法

選擇氣候條件適宜的時間對要求較高的部位進行施工。在惡劣條件下不施工或必須采用相應的防護措施。如控制平倉澆筑厚度、振搗均勻、不漏振、不過振，嚴格控制拆模時間;低溫情況下做好保溫和高溫條件下的降溫等。

4.6 加強養護

混凝土早期養護的主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果。一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮:另一方面使水泥水化作用順利進行，以期達到設計指標。適宜的溫、濕度條件是相互關聯的?；炷恋谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化。表面混凝土最容易而且直接受到環境溫、濕度、水分蒸發等因素的不利影響。因此，混凝土澆筑后的最初幾天是養護的關鍵時期，在施工中應切實重視。后期養護是給予結構內部還沒有完全水化的水泥顆粒創造適宜條件，使其繼續水化，從而生成凝膠體，隨著時間的延續繼續增長其強度。

4.7 涂保護層

試驗結果表明:混凝土碳化深度是隨著時間的延長而增加的，但其進程是逐漸降低的。在混凝土表面涂上保護層，使內部混凝土與外部的大氣隔絕，可有效地防止或減緩其碳化進程。如涂刷水玻璃。硬化后的水玻璃除填充混凝土孔隙外，還可在結構表面形成致密的保護層。涂環氧一呋喃樹脂有機材料、油漆、瀝青材料等，均可保護混凝土，減緩其碳化進程。

5 工程實例分析

5.1 工程實例

(1)淮北焦化廠鋼筋混凝土煤炭運輸支架由于其水泥用量較低，混凝土強度較低(水灰比較大)，又因焦化廠在生產過程中支架周圍的CO2濃度特別大，根據影響混凝土碳化的因素，水泥用量越小，混凝土強度越低;水灰比越大，CO2濃度越高，碳化速度越快。故該結構僅僅使用了4～5 a，混凝土即遭受嚴重碳化，保護層開裂、剝落、縱筋暴露、銹蝕嚴重。另外，還發現梁比柱、受拉區比受壓區碳化程度明顯嚴重。

(2)北京酒仙橋某污水廠水泵房由于施工期間在混凝土內部與外部溫差大于20℃的情況下過早拆模，引起溫度裂縫，并且由于拆模次序不對(先拆了外模，后拆了內模)，造成了池壁兩側均出現通長裂縫。根據混凝土碳化影響因素，溫度越高，碳化速度越快以及裂縫處混凝土的碳化速度要大于無裂縫處等，我們可以發現該建筑受到嚴重的碳化破壞，后經對混凝土碳化深度進行檢測，發現其碳化深度均在35mm以上，已經超過了混凝土保護層厚度，混凝土的碳化導致鋼筋的銹蝕，進而使裂縫發展加劇，結構耐久性失效。對此，將采取相應措施進行修復。

5.2 混凝土碳化處理措施

5.2.1 碳化處理方法

對碳化深度過大、鋼筋銹蝕明顯、危及結構安全的構件應拆除重建;對碳化深度較小且小于鋼筋保護層厚度、碳化層比較堅硬的，可使用優質涂料進行封閉;對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化濃度雖較小，但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土;對鋼筋銹蝕嚴重的部位，應在修補前除銹并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋。防碳化后的結果要達到阻止或盡可能減緩外界有害氣體進入混凝土內侵蝕，使其內部和鋼筋一直處在高堿性環境中。

5.2.2 防碳化措施

目前，防碳化處理多采用涂料封閉法，主要使用環氧厚涂料、呋喃改性環氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料時要考慮涂料與混凝土間的粘結力;涂料是否抗凍、抗曬、抗雨水侵蝕;涂料的收縮、膨脹系數是否與混凝土接近。對于與混凝土結構變形縫的縫面處理，水上部分的變形縫可采用華東勘測設計研究院研制的SR嵌縫膏進行表面封閉;對水下部分的變形縫，可采用南京水利科學研究院研制的SBS改性瀝青灌注封閉。另外，考慮鋼筋混凝土結構有足夠的保護層厚度是最常用的、保護鋼筋不遭銹蝕的一種方法。

設計時應合理設計混凝土配合比，施工應盡可能選擇鋼材、膠合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若選擇木模板，應控制板縫寬度及表面光滑度。模板固定時要牢固，拆模應在混凝土達到一定強度后進行;施工中混凝土應用機械震搗，以保證混凝土的密實性;混凝土澆筑完畢，應用草料等加以覆蓋，并根據情況及時澆水養護。

6 結語

碳化是混凝土結構普遍存在的病害之一，亦是引起鋼筋混凝土鋼筋銹蝕的原因之一。筆者對其內因、外因及其他相關因素進行了混凝土碳化的分析，并就如何防治混凝土碳化提出了具體的措施。

總之，但凡可以提高混凝土密實程度的，就會提高混凝土的強度，亦可提高混凝土的抗碳化能力。只要選用材料得當、加強施工質量監理、全方位提高施工隊伍的整體素質，解決工程質量問題就能成為現實。

［1］龔洛書，等.混凝土的耐久性及其防護修補［M］.北京:中國建筑工業出版社，1990.