基于工程檢測中的混凝土碳化分析

摘要：通過工程檢測過程中發現的混凝土碳化問題，分析碳化酸堿中和反應的機理，突破以前強調CO2作用的定義局限，重新定義混凝土碳化定義；按來源的不同把混凝土碳化影響因素歸納為混凝土實體自身因素、混凝土所處環境以及混凝土結構的受力情況三大類，并對每種影響因素進行分析；最后通過簡述混凝土碳化深度的測定方法，提出了工程檢測中關于混凝土碳化的常見注意事項和影響因素。

關鍵詞：混凝土；碳化；新定義；影響因素

Abstract：Throughthedetectionofengineeringtesttofoundconcretecarbonization，analysisthemechanismoftheacidandalkalineutralizationreactionforconcretecarbonization，breakthroughthelimitationsofthebeforedefinition，toredefinethecarbonationofconcretedefinition.Accordingtothedifferentsources，Summarizedtheconcretecarbonizationinfluencefactorsas：concreteentityitself，theenvironmentandthestressoftheconcretestructure，analyzeeachinfluencefactor.Atlonglast，theconcretecarbonationdepthcanbedeterminedthroughastraightforwardapproach，whichtakesintoaccounttheusualfactorsandconsiderations.

Keywords：concrete；carbide；newdefinition；affectingfactors

隨著經濟發展，大氣污染和土地污染隨即加劇，空氣中CO2和SO2等酸性氣體的增加，暴露在大氣中的建筑物碳化越來越嚴重。2013年，全球二氧化碳日均濃度超過400ppt［9］，這使得混凝土的碳化成為一個嚴峻的挑戰，它不僅嚴重損傷了混凝土的強度，而且也嚴重降低了它的使用壽命，外加溫差的變化，混凝土的碳化變得越來越嚴峻，成為衡量其抗壓能力和抗腐蝕能力的一個關鍵因素。

1混凝土碳化的機理及重新定義

通常來說，混凝土的碳化反應可以被視作一種化學或物理損傷。CO2在進入水泥時會被吸收，并在“酸堿中和反應”條件下分解。伴隨時光的推移，pH會下降，8.5以上，表明水泥的pH值處于中性狀態。當pH=9.88，鋼筋混凝土的表層就會出現鈍化膜［3］，而當pH=11.5，則會出現更多的鈍化膜，但它們的穩定性還未到達預期的水平。

在混凝土中［3］，CO2的存在會導致其中的化學組分的中性化，從而引起其中的化學反應，從而導致其中的堿性減弱，這就是所謂的碳化。

按照以前的定義，混凝土的碳化只強調了大氣中CO2的重要性，而忽略了其他酸性物質的影響，混凝土的碳化機理為“酸堿中和反應”，根據混凝土碳化的定義，能與混凝土中的堿性物質發生反應的酸性物質很多，不只限定于空氣中的CO2。如在酸性土壤地區的水pH≤7，它與空氣中的CO2對混凝土的碳化一樣，如若土壤酸性較強，結果更是超過空氣中的CO2等作用。

因此，我們將混凝土的碳化概念改變，即將可溶于其中的酸性物質轉化為可滲透于其中的中性化反應，從而改變其中的化學組成，提高其耐久性。

2混凝土碳化影響因素

混凝土碳化的影響因素有很多，按影響的來源不同可以歸納為三大類：混凝土實體自身因素、環境、結構受力情況。

2.1混凝土實體自身因素

混凝土自身因素即為影響混凝土實體的因素，分為混凝土所用材料和施工養護兩方面。

影響混凝土材料的主要包括以下因素：水泥用量與水泥品種，主要決定混凝土中能被碳化成分的量。研究表明［1］，早強水泥和同標號的其他水泥相比其碳化較小。水灰比越大，混凝土孔隙就越多，有利于酸性物質的擴散，并且多余的水分還參與了碳化反應。

適當添加劑到混凝土中會產生兩種不同的效果［7］：首先，當水泥的使用量增加時，會導致水化反應產生的可溶解化學物質增多，從而使得堿的含量下降，削弱了其耐腐蝕性；其次，添加劑的二次水化填充效應會明顯地改變混凝土的孔隙率，從而增強其密實度。添加劑會顯著提高混凝土的耐碳化特性，通過增添氣孔數來提高其耐磨性。

2.2混凝土所處環境

混凝土所處環境主要指自然環境，其對碳化的影響因素分為環境溫度、濕度及酸性物質的濃度。

環境溫度對混凝土碳化的影響體現在酸性物質的擴散和化學反應速度上，溫度越高酸性物質擴散越快，酸堿反應速率也越快，所以混凝土碳化也越快。

徐道富［9］的實驗結果顯示，環境溫度與混凝土碳化速度之間存在著顯著的正相關性。研究發現，當溫度介于10～60℃之間時，混凝土碳化速度會顯著增加。當相對濕度升高時，碳化反應的進程受到限制；而當相對濕度減少，導致其碳化反應的進程受到阻礙。因此，碳的轉變過程比較緩慢。

經過碳化數據分析，李果等發現，碳化的進程受到RH0的影響，即40%～60%的空氣中，碳化的進程會變得更加迅猛，50%的空氣中，碳化的進程會達到頂峰。徐道富［9］的實驗結果表明［10］，在一定的條件下，混凝土中的鋼筋的腐蝕率較低，而且隨著環境的改變，它們的碳化速率也會有所降低。

酸性物質濃度對混凝土碳化的影響主要是為碳化反應提供與混凝土中堿性物質反應的酸根，酸性物質濃度越大，說明能發生反應的酸根越多，碳化反應就越徹底，所以碳化也就越嚴重。

2.3混凝土結構的受力

基于以往的碳化深度預測模型，我們構建了一個新的數學模型［1314］，以更好地描述應力狀態下的碳化深度變化情況：

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·Xσt

涂永明［13］等人經過試驗，采用代數學上廣義逆的概念，最后得到：

在受到拉伸壓縮的情況下，我們可以使用

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·

（1-0.112581σct+0.129026σ2ct-0.012642σ3ct）t

在受到外加壓力的情況下，我們可以通過

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·

（1+0.0045235σcp+0.00354674σ2cp-0.00014676σ3cp）t

可以通過以上參數來估測混凝土的碳化深度。

式中：η為模型調節常數，采用無應力狀態下的回歸常數，η=1.6175；kRh為環境相對濕度影響系數，kRh=Rh（100-Rh）Rh0（100-Rh0），其中Rh為碳化環境下的相對濕度，Rh0為標準環境相對濕度，取Rh0=50；kT為環境溫度影響系數，kT=4TTO，T為環境溫度，TO為標準環境溫度，取TO=20℃；kco2為CO2體積分數影響系數，kco2=co；kwc為混凝土質量及水灰比影響系數，該系數反映混凝土的澆筑及養護狀況。

經過實驗證明［12］，拉應力會顯著提升混凝土的碳化過程，隨著拉應力的增加，其碳化過程也會相應增強；相比之下，壓應力則會有效地降低混凝土的碳化過程，隨著壓應力的增加，其碳化過程也會相應降低。

3混凝土碳化在工程檢測中的注意事項

因為碳化對混凝土實體的危害作用很大，所以在中混凝土碳化是工程檢測主要的檢測項目之一。

通過使用1%的酚酞試劑，可以準確地測定出混凝土的碳化程度。先要使用合適的工具，將測點的表面切割出一個直徑約15mm的小坑，將坑里的灰塵、雜質清理掉，然后將一定比例的1%的酚酞酒精溶液滴入坑的邊緣，從而使酚酞試劑從紅色轉換到無色，這就是所謂的酞碳化酞區。測量頻率最低要求為3次，并將測量結果的平均值保持在0.5mm以內。

在工程檢測中，關于混凝土的碳化作用，我們應當注意以下幾點：

（1）混凝土的碳化是一種酸堿中和反應，發生化學反應后生成難溶性的CaCO3等鹽，在混凝土表面形成一層堅硬的“保護層”，我們在用回彈等方法測定混凝土強度時，會形成混凝土的“高強假象”。

（2）在工程檢測時，易把混凝土的碳化、風蝕、水蝕、鋼筋保護層太薄及鹽漬堿等不同原因造成的鋼筋銹脹，結構表面混凝土剝落而混淆。當鋼筋保護層太薄時，外加風蝕和水蝕作用，也會造成鋼筋銹脹，結構表面混凝土剝落。

（3）在具體的工程檢測中，按照現行規范，我們測定混凝土碳化時（特別對于新生混凝土，即混凝土齡期不長），常遇到酚酞在新鑿開的混凝土孔洞不變紅或只有微弱的變色，在檢測中容易造成誤判（如圖2），但在混凝土表面輕微打磨后，混凝土顏色變化更為明顯（如圖3）。造成這種現象自己理解為：按照規范要求測定混凝土碳化時，鑿開的孔洞周圍表面主要是石子和沙子較多，水泥漿較少，一般工程所用石子和沙子使用之前碳化比較嚴重或已受到不同程度的腐蝕，所以遇到酚酞溶液色變不明顯，混凝土表面水泥漿較多，堿性環境更為強烈，若混凝土沒有碳化，打磨表面之后，混凝土碳化色變化較為明顯（結論有待論證）。

不同原因造成的混凝土耐久性降低有不同的處理方法，如果不能及時弄清原因，會造成維修加固的浪費，而結構的性能并沒有得到改善。

4實驗結論

（1）經“酸堿中和反應”的研究，我們將CO2的影響從傳統的概念中解放出來，將混凝土的碳化概念提升到一個新的層次，即CO2在混凝土中的化學反應，改變了混凝土的性質，從而提高了它的耐久性。然而，這一結論仍有待進一步的論證。

（2）通過總結混凝土碳化的影響因素，按來源的不同把混凝土碳化影響因素歸納為混凝土實體自身因素、混凝土所處環境以及混凝土結構的受力情況三大類，并對每種影響因素細分描述。

（3）通過簡述混凝土碳化深度的測定方法，總結了在工程檢測中關于混凝土碳化的注意事項，分析碳化、風蝕、水蝕、鋼筋保護層太薄及鹽漬堿等不同原因下造成的鋼筋銹脹，導致結構表面混凝土剝落，針對具體原因，采取補救措施。

（4）在實際工程中，由于按現行規范測定混凝土碳化深度時混凝土碳化色變不明顯，在實際測定中容易誤導結果，而采用首先表面打磨測定混凝土是否碳化，若已碳化，再鑿開15mm孔洞測量是否準確，更符合實際需要（有待論證）。

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基金項目：混凝土表面缺陷智能識別和快速修復技術研究（GJJ2023059）

作者簡介：趙元科（1980—），男，漢族，甘肅武威人，工程碩士，高級職稱，研究方向：工程檢測。