混凝土抗碳化性能影響因素及措施淺析

周蓉 王遠東 謝超 丁紀壯 吳曉蓮

【摘? 要】隨著大型混凝土建筑物的逐年增加，混凝土耐久性越來越成為人們關注的一項指標。混凝土的碳化會造成混凝土中鋼筋被銹蝕，進而造成整個建筑結構的破壞，縮短建筑物的使用壽命。哪些因素會影響混凝土碳化的發展，哪些方法可以降低混凝土碳化的程度以及延緩其發展速度，是論文研究的重點。

【Abstract】With the increase of large-scale concrete buildings， the durability of concrete has become an increasingly concerned index. The carbonization of concrete will cause the steel in the concrete to be corroded， and then cause the destruction of the whole building structure， shorten the service life of the building. Which factors will affect the development of concrete carbonation and which methods can reduce the degree of concrete carbonation and delay its development speed are the focus of this paper.

【關鍵詞】混凝土;碳化;機理;控制

【Keywords】concrete; carbonation; mechanism; control

【中圖分類號】TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）09-0179-03

1 引言

水泥混凝土是由水泥作為膠凝材料，石子作為粗骨料，砂子作為細骨料加水按照一定比例拌和而成，經過均勻攪拌、密實成型，養護硬化后形成的具有一定強度、耐久性的人造石材。混凝土作為現代建筑一種非常重要的建筑材料，應用非常廣泛，經過多年的研究，混凝土材料已經具有非常高的強度，再通過混凝土包裹其中的鋼筋，其抗拉強度也得到了顯著提高，這也是現代超高層建筑、超大跨度跨海大橋頻頻誕生的重要物質支撐。

一直以來，作為混凝土的一個主要質量指標——抗壓強度是混凝土發展的主要方向，但是隨著建筑物的投入使用，混凝土的耐久性逐漸成為影響混凝土使用品質的另一重要因素，而越來越受到人們的重視。其中，混凝土抗碳化能力就是混凝土耐久性的一個重要指標。

混凝土的碳化是空氣中的CO2與水泥石中的水化產物作用而生成碳酸鹽的過程。混凝土碳化由表及里緩慢發展，碳化后會在混凝土表層形成一層硬殼，局部強度有所增長，但是卻會引起內部鋼筋的銹蝕。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，縮短建筑物的使用壽命[1]。

2 影響混凝土碳化的因素分析

2.1 材料因素

①水的影響。

水對混凝土碳化性的影響一方面表現在用水量上。在拌合過程中，為保證混凝土的流動性，用水量往往比水泥水化反應時的必須用水量多，這些自由水在后期蒸發散失后在混凝土內部就會留下孔隙，空氣中的CO2從這些進入混凝土內部，引起混凝土的碳化，碳化發生后產生的裂縫又使得空氣中的CO2進入混凝土更深層次的內部，如此循環就造成了碳化深度的逐漸增加。我們用水膠比來表示就是水膠比越小，混凝土結構的孔隙率就越小，密實度就越大，從而使CO2的擴散速度以及碳化速度減小[2]。

水對混凝土碳化性的另一影響就是水的成分。通過對西安地區自來水的調查發現，西安地區自來水pH在8左右，呈弱堿性，這一成分對于混凝土碳化性的影響是正向的。而某些地區的水呈弱酸性，或者沿海地區水中含有很多鹽類，鋼筋一旦接觸到這類水會加速其銹蝕，為此，提高混凝土密實程度、抗碳化性就成為影響其耐久性的重要指標。

②水泥的影響。

從水泥的用量上來看，一定程度地提高水泥用量并且控制水膠比可以減慢混凝土碳化的速度。

從水泥的品種上來看，不同種類的水泥，其碳化發展的情況也并不相同，礦渣硅酸鹽水泥（P·S）、火山灰質硅酸鹽水泥（P·P）、粉煤灰硅酸鹽水泥（P·F）抗碳化能力較差，因此，這3種水泥不適用于CO2濃度較高的環境。在相同條件下，不同水泥制成的砂漿按碳化速度由快至慢排序如下：礦渣硅酸鹽水泥（P·S）、火山灰質硅酸鹽水泥（P·P）、粉煤灰硅酸鹽水泥（P·F）>普通硅酸鹽水泥（OPC）>早強水泥[3]。

③粗細骨料及其級配。

粗骨料本身較密實但因其顆粒較大，周圍容易出現水泥的離析以及殘留氣泡，進而引起混凝土碳化，較好的級配可以減弱此項影響;細骨料不會有以上問題，但由于其自身的多孔透氣性，也會引起混凝土碳化。

④其他摻合料。

粉煤灰與礦粉。由于其高強、質輕、透水的優點，是混凝土常用的摻合料，尤其隨著齡期的增長，粉煤灰內部孔隙由化合物填充，碳化速率明顯下降，研究發現粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨著粉煤灰摻量的增加而下降，復摻粉煤灰和礦渣粉可大大改善混凝土的抗碳化性能[4]。

輕骨料。輕骨料摻入混凝土中能發揮吸返水效應，在材料內部有效形成內養護效果，致使輕骨料周圍水泥石日趨密實，阻礙CO2侵入試件內部，且輕骨料混凝土水泥相對用量較高、水膠比小，造成全輕與次輕骨料混凝土抗碳化性優于普通混凝土[5]。

⑤混凝土抗壓強度。

混凝土抗壓強度越大，結構越致密，碳化反應深度越小。

2.2 環境因素

①環境濕度。

CO2溶于水之后與Ca（OH）2發生化學反應，碳化產生，因此，在潮濕的環境下碳化作用才能進行和發展。研究發現，相對濕度在50%～70%時碳化速率最快。

②環境溫度。

化學反應的速度會隨溫度的升高而加快，隨著正午陽光的直射，溫度的升高，加快了CO2溶解的速度，碳化反應的速率也隨之加快。

③環境中CO2濃度。

環境中CO2濃度越高，碳化速度和深度越大。研究發現，混凝土碳化深度與CO2濃度的平方根成正比[6]。

2.3 施工條件

施工時嚴格按照設計施工，選用合適的配合比以及正確的施工方法可以減緩碳化的程度。混凝土澆筑之后要進行振搗，以排除空氣，增加混凝土密實度，減少混凝土內部與外界連接的通道，隔絕空氣進入，減小混凝土碳化深度。工程實踐表明，施工質量優良的混凝土產品，密實程度更高，抗碳化性能更好。施工質量差的混凝土產品，尤其產品表面有麻面、裂縫等病害的混凝土結構，空氣中的CO2已經具有進入混凝土結構內部的通道，那么在一般的環境條件下，碳化的速度以及深度的發展將會大大增加。

2.4 養護條件

混凝土中水泥水化反應的過程是需要在一定濕度和溫度條件下緩慢進行的，其化合物的生成過程特點各有不同，但都伴隨著水分的減少而放出熱量。為保證這一過程的順利進行以及防止混凝土干縮裂縫的出現，需要通過一些措施保證環境溫度及濕度，就是通常所說的養護工作。養護時為了保證濕度，在施工現場可以給混凝土表面鋪覆蓋層，通過間斷地給覆蓋層灑水以保證混凝土表面的潮濕，這一過程一般由經驗掌控灑水的間隔時間以及灑水的多少，例如，蒸發量大時1小時灑1次水，蒸發量小時2小時灑1次水。在環境溫度比較低時，覆蓋層除了可以保持水分，還可以起保溫的作用，但效果有限。這是現澆混凝土工程一直都存在的難題，而預制混凝土則可以采用蒸汽養護、養護池養護等措施，就可以將溫度、濕度等養護條件控制得更為精確、更為合適，因此，預制混凝土構件的強度更穩定均勻，更能得到保障已經成為共識，現在這一情況也反映在了混凝土碳化性能上，以下實驗可以說明此問題。

①試驗過程。

課題組經過反復討論計算，對各種影響混凝土碳化的因素進行了綜合的考慮，最后決定進行不同養護條件下混凝土碳化性能試驗。

課題組經過反復試驗，根據設計強度與坍落度指標設計了配合比、在采用相同的材料、相同的拌和方法制備了100mm×100mm×100mm試樣5組，然后采取不同的養護方法進行養護：

試樣一：標準養護28天。

試樣二：標準養護7天，同條件自然養護至28天。

試樣三：標準養護14天，同條件自然養護至28天。

試樣四：同條件自然養護28天。

試樣五：涂抗碳化劑并同條件自然養護28天。

養護完成后將每組試樣進行封蠟處理，只留一個面進行碳化試驗。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快速碳化試驗，將試樣放入混凝土碳化試驗箱進行快速碳化，碳化箱中CO2濃度為20%±3%、溫度（20±2）℃ 、濕度70%±5%，碳化結束后給試樣噴涂酚酞無水乙醇溶液，顯色后用游標卡尺精確測量碳化深度值，每個面測定10個點碳化深度。

②試驗結果與討論。

通過試驗結果可以看出：

第一，不同的養護條件下混凝土碳化的發展情況并不相同，其中標準養護后的混凝土碳化較非標準養護的混凝土碳化發展緩慢。

第二，混凝土碳化發生時間較集中于養護中后期，因此，標準養護7天、14天后的混凝土碳化發展較為相近。

第三，涂抗碳化劑可以很好地抑制混凝土碳化作用的發展。

第四，標準養護試樣碳化后強度最高，涂抗碳化劑也可以很好地保持強度，而同條件養護后強度下降最快。

3 減小混凝土碳化性的措施

3.1 控制用水量

選用合適的配合比以及加減水劑以降低拌和用水量，降低用水量之后，混凝土中的自由水減少，混凝土更密實，空氣中的CO2不易進入從而防止混凝土的碳化發展，提高混凝土的耐久性。

3.2 選用合適的水泥品種

不同建筑物所處的位置不同，甚至同一建筑物的不同部位其環境溫度、濕度、空氣中CO2的含量情況差異很大，必須根據建筑物使用環境來選用合適的水泥標號、品種。另外，各地在拌合混凝土時一般選用當地生產的水泥，水泥生產的原料一般也在當地選取，所以各地生產的水泥在成分上會略有不同，在選用水泥時也應把此變量考慮在內，以排除水泥成分變化對碳化性的不利影響。

3.3 選用合適的骨料以及摻合料

在骨料的選用上，為減小粗骨料四周的孔隙，應控制骨料的級配以獲得較大的密實度，減小混凝土碳化的發展，而對于細骨料則可以考慮選用中砂加一定量的頁巖陶粒類的輕骨料來改善細骨料內部孔隙多的問題，從而阻止混凝土碳化的發展。而在摻合料方面，研究表明，混凝土中僅僅添加粉煤灰對其抗碳化性的正向影響較小，而粉煤灰與礦渣按一定比例復摻則可大大改善混凝土碳化性能。

3.4 采用科學合理的施工方法

在配合比設計時充分考慮混凝土耐久性指標，減小設計用水量以提高混凝土抗碳化性。施工時嚴格按照配合比施工，規范施工過程，充分振搗排除氣泡。

3.5 加強養護

上述試驗已經說明混凝土碳化的發展與養護有著非常緊密的關系，在實際工程中，由于養護不合理而造成混凝土開裂后CO2從裂縫進入混凝土內部后造成：碳化發生—強度降低—混凝土開裂—碳化發展—結構破壞這樣惡性循環的案例比比皆是。因而在工程中應該重視養護工作，為混凝土硬化提供合適的溫度以及濕度，必要時可以延長養護時間，推遲拆模。

3.6 抗碳化劑的使用以及鋼筋表面涂層

上述試驗表明抗碳化劑的使用可以有效降低混凝土表面碳化的深度，另外，在鋼筋表面涂防銹層，延長鋼筋銹蝕時間，也間接抵抗了混凝土碳化帶來的危害。

綜上，影響混凝土碳化的因素有材料因素、環境因素、施工條件、養護條件及其他因素，如表2所示。

4 結語

混凝土碳化作為混凝土耐久性的一項重要指標，已經在工程建設中產生了長遠的影響，作為一個不利因素，應該通過各種措施來控制碳化在深度以及時間上的發展，但混凝土碳化后，早期會在混凝土表層形成一個硬殼，表現出來混凝土強度的局部增加，因此，碳化性對混凝土強度的影響在一定程度上來說是正向的。

【參考文獻】

【1】候忠.混凝土碳化的影響因素及其控制措施[J].四川水利發電，2011（12）：184-188.

【2】池永，姜國華.混凝土碳化的影響因素及應對措施[J].建筑材料及應用，2009（8）：178-179.

【3】王春芬，牛荻濤，董振平.保護層混凝土的耐久性研究[J].工業建筑，2006，36（4）：65-68.

【4】朱艷芳，王培銘.大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究[J].建筑材料學報，1999，2（4）：319-323.

【5】姚韋靖，龐建勇，劉雨姍.輕骨料混凝土抗碳化性能及微結構分析[J].長江科學院院報，2021，38（4）：138-143.

【6】龔洛書.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.