混凝土碳化的研究與進展

俞伯平 徐東海

諸暨市王家井鎮人民政府水管站（311800）

混凝土碳化的研究與進展

俞伯平 徐東海

諸暨市王家井鎮人民政府水管站（311800）

碳化是影響混凝土結構使用壽命的主要因素之一，成為混凝土耐久性研究的重要內容。這里對混凝土碳化過程和機理、影響因素及其預防處理措施進行了綜述，希望為同行提供參考。關鍵詞:碳化；混凝土；耐久性；機理

0 引言

眾所周知，混凝土是一種耐久性材料，但是從澆筑之日起，就會遭受多方面的腐蝕破壞，主要有碳化、堿-集料反應、凍害和鹽害等，簡稱“四害”[1]。其中，碳化是最為常見的，損失也最嚴重。以前普遍認為碳化會提高混凝土表面的強度和硬度,然而，隨著研究的深入,人們發現碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕；此外，碳化還會使得混凝土的脆性變大，導致混凝土結構出現裂縫。由此可見，混凝土的碳化是一個不可忽視的問題，研究混凝土的碳化有其實際意義。

1 混凝土碳化過程及機理

1.1 混凝土碳化機理

混凝土是一種包含氣相、液相、固相的多相體，混凝土內部存在著孔隙、氣泡等缺陷。空氣中的二氧化碳能夠輕易地滲透到混凝土內部，然后溶解于孔隙液中的液相物質形成碳酸，生成的碳酸與水泥水化產生的氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、CS-H等產物反應形成碳酸鈣[2，3]。混凝土的碳化反應式如下:

混凝土內部的pH值一般為12.5～13.5，處于這種高堿性環境中的鋼筋會在其表面形成鈍化膜，能夠保護鋼筋。碳化反應后的混凝土內部的pH值會降低，使得鋼筋表面的鈍化膜分解，使鋼筋容易發生銹蝕[4]。

1.2 混凝土碳化過程

碳化是一個由表及里、緩慢向混凝土內部擴散的過程，在混凝土完全碳化區的內部會形成部分碳化區和未碳化區。理論上，未碳化混凝土的pH值約為12.5，而完全碳化的混凝土的pH值為7，因此以pH值來劃分不同的碳化區域。pH≥12.5的區段為未碳化區，pH=7的區段為完全碳化區，而介于兩者之間的過渡區段則為部分碳化區。由此可以模擬混凝土的碳化過程，如圖1所示[2，5]。

圖1 碳化過程模擬圖

2 碳化對混凝土的影響

2.1 碳化對混凝土結構的影響

碳化使得混凝土的孔徑和孔隙率均減少。研究表明:碳化時間延長，混凝土的孔隙率降低，早期的時候迅速降低，后期緩慢降低，且低強度的混凝土更為顯著[6]。碳化反應造成了混凝土孔隙率的下降，一定程度上堵塞了部分毛細孔隙，從而抑制水分侵入；但另一方面使混凝土微觀結構重分布，破壞了混凝土基體原先的過濾機制，使得有害物質更容易侵入到混凝土內部[7]。

2.2 碳化對鋼筋銹蝕的影響

碳化對混凝土結構來說最大的危害就是由于混凝土pH值的降低從而破壞鋼筋表面的鈍化膜使得鋼筋銹蝕。從碳化對鋼筋銹蝕速度的影響來看，當pH＞11.5時鋼筋處于鈍化狀態，不發生銹蝕；pH＜9時銹蝕速度不再受pH值的影響；只有當9＜pH＜11.5時銹蝕速度隨pH值下降而增大。由于鐵銹層呈多孔狀，即便銹層較厚，其阻擋進一步腐蝕的效果也很差，因而腐蝕將不斷向內部發展，同時生成的鐵銹體積約為原先體積的2.5倍，產生的膨脹壓力將使混凝土出現裂縫和引起剝落，促使混凝土保護層開裂，導致更大的腐蝕[8]。

2.3 碳化對混凝土性能的影響

2.3.1 強度

混凝土碳化時生成的CaCO3密實了混凝土結構，從而增加了混凝土的質量，增大混凝土的強度(這里的強度特指混凝土或砂漿部分表層碳化后的抗壓強度)[9]。也有文獻表明[10]，碳化對混凝土強度的影響必須分期考慮，碳化在一定程度上能夠改善混凝土中水泥石的孔結構，使其密實程度得到了一定的提高，在早期的時候其作用超過了水泥的水化作用，致使標準碳化狀態下混凝土的早期強度增長很快。但從長期的角度來看，碳化使混凝土產生一定程度的收縮，造成后期強度發展變得緩慢。一般來說，加速碳化時混凝土始終處于良好的養護環境。然而，實際的混凝土常常處于干濕循環等惡劣環境中，因此加速碳化時強度有所增加，而實際混凝土結構的強度有所下降。

2.3.2 收縮

碳化能夠使混凝土產生很大的收縮，原因是在干縮產生的壓應力下的Ca(OH)2晶體溶解和CaCO3在無壓力處沉淀所致，由此加大了水泥石的可壓縮性。濕度是碳化收縮的諸多影響因素中影響最大的[11]。

2.3.3 腐蝕因子遷移

混凝土碳化使Friedel’s鹽和硫鋁酸鹽分解產生的Cl-和SO42-向未碳化區遷移產生濃縮，進而顯著降低這兩種離子在碳化區的濃度，同時碳化前沿的濃度顯著升高，混凝土中的Na+、K+等堿金屬離子向Cl-和SO42-相反向遷移和濃縮，致使碳化未到達鋼筋表面時鋼筋已經開始銹蝕[11]。

3 影響碳化的因素

3.1 內因

3.1.1 水泥品種和用量

水泥品種決定了單位體積混凝土中的可碳化物質含量，水泥品種的不同意味著其中包含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,進而直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對混凝土碳化速度有著重要的影響。一般認為,早強型水泥與同標號水泥相比，抗碳化性能較高；礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥混凝土的碳化速度比硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度快；對同一熟料的水泥來說，混合材含量越高，其活性混合材越易與水泥水化產物Ca(OH)2反應，加速其碳化速度。

水泥用量越大，碳化速度越慢。目前試驗表明[10-12]:相同材料及水灰比，碳化深度與水泥用量成指數的倒數函數關系；同時，水泥用量增加，混凝土越密實，CO2向混凝土內部滲透越慢，因此減緩了鋼筋銹蝕的速度。

3.1.2 水灰比

水灰比越小，碳化速度越慢。這是由于CO2是在混凝土內部的孔隙中進行擴散，水灰比越小，混凝土內部孔隙率減少，擴散系數降低，減慢混凝土的碳化速度。

3.1.3 集料品種與粒徑

某些天然或人造的輕集料中的火山灰在加熱養護過程中會與Ca(OH)2結合。此外，硅質集料發生AAR時也會消耗Ca(OH)2降低混凝土中可碳化物質的含量，都會加速碳化。同時，集料的粒徑對水泥漿-集料的黏結有很大影響，在水灰比相同時，粒徑越大，與水泥漿的黏結越差，混凝土越容易碳化。

3.2 外因

3.2.1 CO2濃度

對于CO2的影響,學者提出了幾十種觀點，其理論模式大多基于菲克第一擴散定律。基于菲克定律，混凝土的碳化速度與CO2濃度的平方根近似成正比。環境中的CO2濃度越大，混凝土內外CO2濃度梯度就越大，CO2就越容易擴散到混凝土內部，混凝土的碳化越大。

3.2.2 環境溫度

混凝土結構所處的環境溫度越高，CO2在混凝土中的擴散速度及CO2與水化產物的反應速度越快，碳化速度加快。除此之外，溫度的交替變化也有利于CO2的擴散。清華大學給出了溫度對碳化的影響公式[13]:

式中:T1、T2—兩種環境絕對溫度，K。

3.2.3 環境濕度

CO2溶解于水后才能和Ca(OH)2進行化學反應，所以非常干燥的時候,混凝土碳化是無法進行的。但是碳化本身是釋放水的過程,環境相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化的進行，導致CO2向混凝土內擴散的速度下降。目前，導致混凝土最快碳化速度的相對濕度應該在50%～70%之間[14]。

3.2.4 施工因素

施工因素主要是指混凝土的攪拌、振搗和養護條件等。它們主要影響混凝土的密實性，進而影響混凝土的碳化速度。實際調查結果表明:其他條件相同的情況下，施工質量越好，密實性越好，抗碳化能力也越強；相反如果施工質量差，混凝土內部裂縫、蜂窩和孔洞等比較多，增加了CO2在混凝土中的擴散路徑，使得碳化速度加快[15]。

混凝土早期的養護狀況對其碳化過程有很大的影響。在早期溫度適宜、水分充足的環境下養護的混凝土，水泥可以充分地水化，生成的水泥石更密實,而如果早期養護不良會造成水泥水化不充分，其表層滲透性增大，更容易碳化。

4 混凝土碳化處理及預防措施

4.1 碳化處理方法

對于碳化深度過大且鋼筋銹蝕嚴重，危及結構安全的構件應當拆除重建；對碳化深度小于鋼筋保護層厚度的，但是碳化層比較堅固的，用優質涂料封閉；對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或者碳化濃度雖然較小但是碳化層疏松易剝落的，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，應當在修補前除銹，并根據銹蝕情況加補鋼筋。防碳化的效果，要達到組織或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內部，使得混凝土內部一直處在高堿性環境中，從而保護鋼筋[16]。

4.2 防碳化措施

嚴格控制混凝土裂縫開展寬度，嚴格控制水灰（膠）比，嚴格控制混凝土保護層的最小厚度，限制新拌混凝土中的氯化物含量，采用活性摻合料和減水劑技術，嚴格控制施工質量，對混凝土表面進行涂覆[17]。

設計時應合理設計混凝土配合比，施工選擇模板應盡可能選擇鋼材、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方可進行；施工中混凝土應用機械震搗，以保護混凝土密實性；混凝土澆筑完畢后，應用草料等加以覆蓋，并根據情況及時澆水養護混凝土[18]。

5 結語

混凝土碳化是混凝土耐久性研究極為重要的一個內容，這里對混凝土碳化過程及機理，碳化對混凝土的影響，影響碳化的因素及其預防處理措施進行了綜述。對于碳化機理，國內外學者所得結論基本一致。碳化對混凝土結構、性能等方面均有很大的影響。結合混凝土碳化的影響因素，提出碳化的處理及預防措施，供同行參考。

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