混凝土碳化的影響因素及其控制措施

■林愛萍

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

0 引言

混凝土的強度與耐久性長期以來一直為人們所關注,由于混凝土長期暴露在空氣中，容易受到自然界一些有害物質的腐蝕，其耐久性會降低，從而導致混凝土出現碳化的現象。近些年由于我國環境的惡化，二氧化碳的濃度逐年增加，暴露的混凝土與空氣中的二氧化碳接觸，在發生中性化反應的同時降低了混凝土中的堿性物質，使混凝土碳化，從而加快了混凝土內部鋼筋的銹蝕；一些研究報告表明：混凝土碳化使鋼筋表層的鈍化膜會有脫落現象，鈍化膜只要被破壞了就會導致鋼筋會出現不用程度的銹蝕。鋼筋的銹蝕會使得自身膨脹，附著于表面的保護層脫落，最終導致鋼筋變小，自身承載力變小，混凝土整體構件失穩，具有一定的安全隱患[1]。混凝土的碳化最終會導致鋼筋保護層剝落，將引起混凝土的使用壽命大幅度下降。所以，如何加強混凝土抗碳能力已經成為了工程界探討的重要問題。

1 混凝土碳化的機理

國內外的學者經過大量的試驗研究和理論分析總結出了混凝土碳化的原因。混凝土碳化主要是指混凝土中存在的堿性物質例如Ca（OH）2與空氣中的二氧化碳接觸發生了中性化反應，生成了碳酸鹽等化學物質，改變了混凝土的組成成分的過程。詳見圖1。

混凝土中水泥水化后的氫氧化鈣與水化硅酸鈣是堿性物質的主要成分，見表1[2]。

表1 混凝土中水泥水化后的氫氧化鈣與水化硅酸鈣的穩定PH值

圖1 混凝土碳化和鋼筋銹蝕機理圖

由表1可知，混凝土中可碳化成分主要是Ca（OH）2，其碳化的化學反應式為：

除此之外，混凝土中硅酸鈣水化時也會與空氣中的二氧化碳發生化學反應：

相關資料顯示：當PH在11以上時，混凝土處于強堿的環境下，二氧化碳等酸性氣體不易進入混凝土中破壞鋼筋的鈍化膜，使得鋼筋銹蝕，而產生混凝土碳化。當PH在9.5以下時，鋼筋的鈍化膜會逐漸遭到破壞，混凝土的碳化會持續加重[3]。

2 混凝土碳化的影響因素

由于空氣、土壤和地下水中有著各種各樣能影響混凝土碳化的物質，所以混凝土碳化的因素是多方面的，但從混凝土的碳化機理可以知道，自身的密實性及其Ca（OH）2等堿性物質的含量是影響混凝土碳化的最主要原因。其中的材料因素和環境因素以及施工的因素等是最為突出的。

2.1 材料因素

2.1.1 水灰比的影響

混凝土的抗碳性不僅僅是依靠Ca（OH）2的量，在Ca（OH）2固定不變的情況下，二氧化碳的量也將影響著混凝土的碳化。這兩者對水泥的水化有著重要的意義。所以二氧化碳在混凝土中的擴散能力是混凝土碳化的一項重要指標。在相同條件下，水灰比值越大，二氧化碳擴散的越快，碳化深度也會越快，但是二者其實并不是呈線性的關系，有研究表明它們存在一定的數學函數關系。山東科技院通過室外的實驗得出了混凝土碳化深度與水灰比的關系式：

式中，w為水灰比[4]。

當水灰比從0.4增長至0.8時，二氧化碳在混凝土中的擴散能力將達到10倍，當水灰比超過0.65時，其碳化速度將大大加快，水灰比在0.55以下時，碳化速度將受到一定的抑制，抗碳能力有所加強[5]。

2.1.2 水泥品種的影響

水泥品種的不同選擇在單位體積相同條件下，混凝土的碳化速度也是不同的。同等強度水泥與早強水泥相比，抗碳化的性能更差。火山灰配置的混凝土比普通的混凝土抗碳化性能更差。

2.1.3 水泥用量的影響

水泥的用量會影響著混凝土中可碳物質的用量。水泥中含堿量越多，孔溶液中的PH值會越高值，使得部分碳化后的混凝土中CaCO3的沉淀濃度會減少，在一定程度上可以改善混凝土的整體密實性。在其他用量不變時，水泥用量的增加會使得混凝土碳化的速度有所減小。在水泥用量增多的同時，混凝土構件的整體密實度也會隨著加大，二氧化碳在混凝土內部的滲透能力將逐漸減小，保證鋼筋不會因為混凝土的碳化而進一步銹蝕。

2.1.4 摻合料的影響

混凝土中摻入礦渣、粉煤灰等活性物質的摻和料，過多的活性物質與水泥水化后的氫氧化碳結合，致使堿性物質在混凝土中總量下降，對混凝土的碳化起了加速的作用。粉煤灰混凝土相對于后期而言，早期有著較好的抗碳化能力，但是隨著時間的推移，由于粉煤灰與混凝土中的堿性物質發生了化學反應，所以抗碳能力會不如沒有摻雜粉煤灰的混凝土。

混凝土中加入了摻和料有著兩種不同的作用：一方面，因為加入的摻和料，取代了水泥的部分用量，使得水泥的用量會有所減少，水用量保持固定的情況下，水灰比也會增大，水泥水化反應后的堿儲備量會因此減少，導致混凝土的抗碳性能降低；另一方面，摻和料參與了二次水化反應，混凝土的空隙得到有效的填充，混凝土的整體密實性會因此提高。所以粉煤灰的用量必須控制在一定的范圍內，才能發揮出最好的性能。

2.1.5 外加劑的影響

外加劑中的活性物質與混凝土有很好的適應性，但是相同的外加劑摻入不同品種的水泥，配制時對混凝土的抗碳能力也可能有不同的結果。適當合理的外加劑，可以與混凝土很好的相結合，使混凝土構件更具有牢固性。一般來說，選用優質的加氣劑和緩凝劑可以加強混凝土的工程質量，使混凝土發揮出更優越的性質，從而使碳化反應大大減低。

2.2 環境因素

環境因素主要包括了自然環境和使用環境兩個方面。自然環境包括環境相對濕度，室內外溫度、應力以及二氧化碳濃度等；使用環境主要指混凝土構件的所能承受的受力水平，受力水平也是通過二氧化碳濃度的高低和碳化的速度來反應混凝土的碳化。

2.2.1 環境相對濕度的影響

相對濕度較高時，混凝土內部的空隙中水分會阻礙甚至停止二氧化碳的擴散，二氧化碳與混凝土的中性化反應受到抑制，從而混凝土的抗碳化性能會提高；相對濕度較低時，混凝土內部會相對暢通，二氧化碳可以順利的流通，但是此時混凝土的水分欠缺，使得水化反應的效率將變慢，在一定程度上也可以使混凝土的碳化隨之減慢。空氣中的二氧化碳濃度可以分為室內濃度與室外濃度。一般來說，室內的二氧化碳的濃度會比室外二氧化碳的濃度高，所以室內的混凝土碳化速度會略快。

2.2.2 環境溫度的影響

溫度的高低也會影響著混凝土的碳化。溫度越高，從物理學知識可以知道，離子運動速度加快，二氧化碳的擴散速度也會加快，因而混凝土的抗碳能力降低。一般來說，只要溫度上升了10℃，化學反應的速度將提高2倍。但也有部分學者認為溫度升高將使得二氧化碳的溶解率降低，使得混凝土的碳化也降低[6]。所以溫度高低的對混凝土碳化的影響因素到目前為止還沒有得出一個公認的標準。

2.3 施工因素

攪拌、振搗和養護條件等施工因素也是影響著混凝土抗碳化的能力，混凝土的密實性最能體現出混凝土抗碳能力的優良。工程實踐表明：在同樣的基礎條件下，優越的工程質量，使得混凝土的強度更高，整體密實性更好，抗碳的能力越高；反之，劣性的工程質量，會出現很多的裂縫、孔洞，疏松的混凝土，有利于二氧化碳的擴散，發生的化學反應，將使混凝土的碳化加重。養護條件的不同也會使得水泥的水化反應結果不用，水化的程度對混凝土的孔隙體積有著重要的影響，而且孔隙體積的大小又直接影響了混凝土的密實性，所以養護對混凝土有著極其重要的意義。一般來說，普通混凝土的蒸汽養護比一般自然養護的碳化速度高1.5倍[7]。

3 混凝土碳化的預防措施

3.1 嚴格控制混凝土的制備材料

3.1.1 水灰比的控制

水灰比對混凝土的強度有著重要的影響。一般情況下，用水量參與水泥水化的比例只占了15%左右，多余的水會在水泥硬化后，以蒸汽的形式散發出去，導致混凝土表面會產生許許多多的小孔，通過這些小孔，混凝土的整體密實性會大大降低，導致了混凝土的抗碳性也要降低。但從另一方面來看，不可盲目為提高水泥的強度，而將用水量控制在制備標準以下，這樣不僅浪費了水泥，用水量的減少對混凝土的整體和易性也會有影響。保證最優的水灰比，在施工質量方便時，將水灰比控制在0.75以下，水泥水化后的水泥漿濃度不至于過低，膠體與骨料的結合面積不會因為水灰比過大而減小，整體粘結能力下降[8]。所以優化的水灰比能混凝土的抗碳性能有較顯著的提升。

3.1.2 優化水泥用量

在水泥選擇方面，主要是通過水泥用量以及水泥品種兩方面來衡量。水泥用量在我國最小采用的是300kg/m3。水泥的用量涉及到了水灰比的值，目前不同地區不同工程對水灰比的用量也是不盡相同，但有一點是公認的，混凝土自身的強度越高，水灰比就會越低。在混凝土強度等級固定的情況下，選擇水泥品種要與之相對應，不可選用強度過高的水泥來減少水泥用量，這樣既不符合經濟效益也會導致水灰比過高，影響混凝土的抗碳化能力[9]。

3.1.3 優化水泥品種

在水泥品種的選擇上，優先選擇保水性好，沁水性小的水泥。通過工程的實例證明了，水泥品種標號的選擇必須根據不同的工程環境和混凝土的強度指標來判斷。其中對于工程環境來說，在相對干燥的環境中優先選擇硅酸鹽水泥，水泥水化后不易產生裂縫，能較好適應干燥的工程環境。對于相對濕熱的環境，則采用粉煤灰礦渣水泥，它不僅保證了水泥早期的水化的強度，對后期水泥的整體密實性也大有幫助。對于需要高強度的混凝土的制備，應選擇硅酸鹽水泥，雖然硅酸鹽水泥的價格較高，但它的標號強度能很好的適應混凝土強度的要求。地下環境中的混凝土，由于地下的酸性物質長期與混凝土緊密接觸，影響混凝土的腐蝕，因此需要選擇較高的抗腐蝕能力的水泥，火山灰水泥就成為較好的選擇。

3.1.4 摻和料的使用

目前我國在工程項目中，混凝土的制備在攪拌時都會有加入一定量的摻和料。摻和料的加入可以適當的減少混凝土中水泥的用量，提高經濟效益還可以促進混凝土的優化，提高混凝土的各種性能，例如密實性，和易性和強度等級，防止混凝土到了后期因為內部的腐蝕和開裂，而導致混凝土碳化和坍塌等工程質量問題[10]。混凝土中摻和料根據用途大致可以分為兩種，一種是活性的，另外一種是非活性的。對于活性的摻和料來說，它主要是在摻與水泥水化后，能產生一種膠凝材料，膠凝材料會在混凝土中通過水硬性來提高黏結能力，從而提高混凝土的密實性。非活性的摻和料來說，是較為直接的通過增強和易性來保證混凝土的強度。但是其實二者并不是各自執行自己的性能，他們往往都是相輔相成的。在一定的條件下，可以通過轉化的形式來增強混凝土的強度等級。大量的實驗研究表明：在混凝土中摻入礦渣粉和粉煤灰，可以有效提高混凝土抗氯離子的滲透性。在水膠比較低的情況下，混凝土的密實性得到了顯著的提升，混凝土的碳化也會降低[11]。

3.1.5 外加劑的使用

為了適應新型結構的使用要求，提高混凝土的抗碳化能力，人們在混凝土工程中會選擇摻入一些外加劑。外加劑并不是以單獨一種功能而存在，而是以一種復合型的外加劑共同參與混凝土的工作。混凝土中因為水灰比過大而使混凝土產生碳化的情況下，往往可以通過使用減水劑來加以控制。減水劑是一種活性的材料，在參與混凝土制備的同時，會吸附在其水泥表面，使得水泥顆粒能夠因為靜電作用而擴散開來，并使混凝土中多余的游離水排除。在保證混凝土質量不變的情況下，減少水灰比，使得混凝土內部不會因為水分的流失而產生過多的孔隙，對混凝土抗碳化能力起了重要作用。在一些特殊的工程環境中，例如在寒冷的條件下，混凝土容易因為凍結而開裂，此時采用一些亞硝酸鈉等抗凍劑，可以有效降低冰點，還可以使混凝土更快凝結，但抗凍劑不可以使用太多，太多了會產生離析現象，對結構的美觀效果會有所影響。

3.2 提高施工質量

3.2.1 攪拌機的選擇

攪拌機可以選用強制式混凝土攪拌機，它的主要優點就是攪拌的效率高、質量好、動力消耗較小。在使用強制式攪拌機時，機械內部的轉速不宜過大，否則在磨損的同時，也會使混凝土不能攪拌充分而產生離析現象。但是為了混凝土拌合物的優質均勻，僅僅依靠攪拌機是不夠的，還應該有合理的攪拌過程。

3.2.2 攪拌的過程

首先，攪拌時間的長短是影響混凝土密實性的關鍵因素，在一般情況下，攪拌時間太短，混凝土沒有達到充分的反應，內部粘結力降低，強度也降低，對混凝土后期的抗碳性造成很大的影響；反之，攪拌時間太長，不僅跟不上生產的工作效率，而且混凝土容易分層而產生離析現象，對混凝土的和易性也有影響。其次，從投料的順序來看，在使用強制式攪拌機時，先倒進砂子，而后倒水泥，最后再倒石子，一般先將粗細骨料和水泥先攪拌，再加水一起攪拌，攪拌的過程中，要時刻監督和檢查混凝土的質量問題，保證施工的質量。

3.2.3 自然養護

混凝土產生碳化的一部分原因是在于混凝土配制時沒有加強養護作用。一般來說，養護作用可以分為自然養護和蒸汽養護。混凝土澆筑完畢后，會因為強度還沒有達到充分，水分蒸發得太快，而出現裂縫變形，影響混凝土的強度。采用自然養護中的覆蓋澆水，在混凝土澆筑完成之后的10h，對混凝土表面噴灑澆水，澆水的時間間隔一般可以保持在3h一次，如果出現較為干燥的天氣，可以適當增加澆水的次數，保持一定的水分，使混凝土不至于在后期充分凝結后出現水分不足。

3.2.4 蒸汽養護

如果在冬季施工，由于溫度較低，水泥水化的速度會減慢，這時采用蒸汽養護。升高一定的溫度來加快混凝土反應的速度，在混凝土成型后，可以將混凝土放在室內的靜停4h后再升溫。升溫的速度不宜過快，以免以為水分蒸發太多，影響混凝土的密實性，后期再將溫度調為恒溫，待混凝土達到滿足的強度等級，便可以取出使用。經過加強養護后的混凝土在后期會增強強度，混凝土抗碳性也會有一定的保證。

4 混凝土碳化的工程實例

在橋梁、碼頭和水利工程中，混凝土的碳化尤其常見。據調查，在華南地區的18座海港碼頭中因碳化而引起的工程破損率高達89%，湛江25萬噸級的油碼頭，僅僅建了7年就因為混凝土的碳化而遭到破壞；對于水利工程來說，據相關調查滄州地區沿海在60至70年代建的大小型水閘和橋梁都無一幸免地承受混凝土碳化帶來的破壞。

混凝土碳化的工程實例如圖2、圖3所示。

圖2中，可以看到混凝土碳化非常嚴重，導致混凝土保護層大面積剝落，混凝土內部的鋼筋暴露在空氣中，在鈍化膜遭到破壞以后，鋼筋的銹蝕程度進一步加重，已經危及結構的耐久性和穩定性。

圖3中，抗碳化能力較為突出的混凝土，它們都具有一個共同的特點，就是混凝土使用的水泥是硅酸鹽水泥，在配置混凝土時水泥的用量也較為富裕，水灰比較低，還摻入了減水劑和引氣劑。在施工和養護工程中，保證了混凝土質量良好。

碳化速度很快的工程，需要及時進行防碳化處理，減緩碳化的進一步加重。對于碳化破壞很嚴重的工程，應及早采取針對性的加固措施，或者拆除碳化部分的混凝土，重新修建，以確保工程的安全運行。

圖2 混凝土碳化導致鋼筋銹蝕以及混凝土開裂保護層剝落

圖3 抗碳化能力較好的混凝土

5 結論

目前混凝土已經是建筑行業最為廣泛的使用材料。國內外學者通過了幾十年來的精心研究，也對混凝土碳化有了全新的認識，其中材料因素、環境因素和施工因素仍然是公認的影響混凝土碳化的主要因素，混凝土碳化不僅僅為施工帶來了難題，最主要的是會給工程埋下安全的隱患，因而，處理混凝土碳化是當前建筑行業刻不容緩的事情，例如降低水泥的水灰比、提高水泥品質和用量、摻入摻和料和外加劑以及施工時加強對混凝土的養護都可以有效控制混凝土碳化。但如何研究出更加出色的防碳化材料和方法依然是工程界的熱門問題。

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