混凝土碳化机理及防治1

混凝土碳化机理及规避对策研究王文龙（山西水利职业技术学院山西运城044004）摘要：碳化是衡量钢筋混凝土结构物使用寿命的重要指标之一。

混凝土碳化实质上就是砂浆或混凝土中碱性物质吸收或缓冲二氧化碳使混凝土pH值降低的物理化学连续过程。

预防混凝土碳化的主要对策是：正确选择水泥品种，水灰比要尽量的小，采用硅粉、粉煤灰共掺技术，严格控制混凝土裂缝开展宽度，严把混凝土施工质量关，并在混凝土表面涂刷环氧厚浆涂料等。

关键词：混凝土；碳化；耐久性；预防措施Discussion on the Mechanism and Preventive Measures to Avoid Concrete CarbonationWANG Wen-long(Shanxi Water Conservancy Vocational Technical Institute, Yuncheng 044004, Shanxi,China) Abstract: By Analysing the productive conditions,damage mechanism and affecting factors of concrete are analyzed,this paper puts forward some relevant measures to reach or prolong the life-span of projects.Key words: concrete carbonation；mechanism；affecting factors；preventive measures碳化与混凝土结构物的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构物使用寿命的重要指标之一。

目前，大气中二氧化碳浓度约为0.035%，预测到2090年达到0.1%[1]。

此外，工厂排泄的废液、废渣也使二氧化碳浓度呈增加趋势。

所以，混凝土碳化是一个不可忽视的问题。

本文试图通过对混凝土碳化机理、主要影响因素进行深入分析，以便为混凝土耐久性研究提供参考。

1 混凝土碳化的机理混凝土是一个多孔体，其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷。

混凝土的碳化是水泥石中水化产物与环境中二氧化碳相互作用的一个非常复杂的物理化学连续过程。

以普通硅酸盐水泥为例，其主要水化产物有：水化硅酸钙（占60%以上），氢氧化钙（约占25%），水化铝酸钙，水化硫铝酸钙等。

在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等原因，使水泥石成为一个含有固相、液相和气孔的非均质体。

环境中二氧化碳气体首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管，其次溶解于孔隙内的液相并生成碳酸，然后与水泥石中各水化产物发生碳化反应。

水泥石中各水化产物稳定存在pH值，见表１。

表1 水泥石中各水化产物稳定存在的pH值[2]成份pH值成份pH值水化硅酸钙10.4水化硫铝酸钙10.17水化铝酸钙氢氧化钙12.23当混凝土细孔溶液的pH值低于表1中的临界数值时，该物质就开始进行分解，在水化物中的氢氧化钙首先与酸性物质反应。

主要的碳化反应方程式如下[3]：CO2+H2O= H2CO3Ｃa(OH)2+H2CO3 =CaCO3+2H2OC3S2H3+3H2CO3=3CaCO3+2SiO2+6H2O混凝土碳化的机理就是大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质，在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程[4]。

混凝土碳化实质上就是砂浆或混凝土碱性降低的过程。

未碳化区混凝土孔隙溶液的pH值达12.5左右，完全碳化区混凝土孔隙溶液的pH值一般为8~9。

当pH值降至11.5以下时，钢筋周围的致密钝化膜就受到破坏，在水和氧气得到满足的条件下，钢筋就开始锈蚀[2]。

２混凝土碳化的主要影响因素2.1 水灰比对混凝土碳化的影响。

在混凝土拌和物过程中，水占据一定的空间，即使振捣得比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间变成胶孔、气孔或毛细孔，胶孔的半径很小，二氧化碳气体很难自由进出，碳化时二氧化碳气体主要溶解于气孔或毛细孔溶液，生成CO32- (pH值较少时，生成HCO3-)，并与氢氧化钙反应生成碳酸钙晶体沉积于孔壁[8]。

随着碳化反应的进行，孔溶液中钙离子浓度减少，氢氧化钙晶体溶解和补充Ca2+和OH-以保持孔溶液中的pH值不变。

当氢氧化钙晶体完全溶解失去对pH值的缓冲作用时，孔溶液OH-浓度降低，在碳化区与未碳化区之间产生CO32-和OH-的浓度差，致使CO32- (或HCO3-)由碳化区向未碳化区迁移，OH-从未碳化区向碳化区迁移[8]。

因此，水灰比越大，混凝土碳化速度就越快。

碳化速度系数与水灰比的表达式如下[9]：（1）式中：w/c为混凝土的水灰比。

2.2 水泥用量对混凝土碳化的影响增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实度；另一方面可以增加混凝土的碱性储备，直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。

水泥用量对碳化速度的影响，见表２。

表2水泥用量对碳化速度的影响[9]水泥用量／kg碳化速度比值水泥用量／kg碳化速度比值水泥用量／kg碳化速度比值2001.803001.004002501.403400.854500.60根据实验数据及最小二乘法，可以得出如下关系式：（2）式中：Φ为碳化速度；x位单位体积水泥用量。

在水泥用量一定的条件下，水灰比增大，混凝土的孔隙率增加，抗碳化性能减弱。

2.3 水泥品种对混凝土碳化的影响就常用的普通硅酸盐水泥、高炉矿渣水泥硅酸盐水泥、早强硅酸盐水泥而言，在同一试验条件下，碳化速度大小顺序为：高炉矿渣水泥硅酸盐水泥>普通硅酸盐水泥>早强硅酸盐水泥。

矿渣水泥混凝土，之所以碳化速度较快，主要是因为矿渣水泥的水化过程存在二次水化反应，导致氢氧化钙含量进一步减少。

2.4 施工质量对混凝土碳化的影响调查研究发现，施工时混凝土原材料选用不当、混凝土配合比计量不准、振捣不密实、拆模过早使混凝土表面掉皮及棱角剥落、拆模后不养护或养护不足等问题，直接影响混凝土的密实度，降低混凝土的抗碳化性能。

如果将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级，则相应的碳化速度分别为0.5:0.7:1.0:1.4[9]。

2.5 环境对混凝土碳化的影响所谓环境因素，主要是指二氧化碳浓度、环境湿度、环境温度和覆盖层。

二氧化碳等酸性气体渗入混凝土孔隙溶解在混凝土液相中形成碳酸，是引起混凝土碳化的直接原因。

混凝土碳化深度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随着二氧化碳浓度的增加而增大[3]。

环境湿度对混凝土碳化速度也有影响，当相对湿度在50%~60%时，混凝土碳化速度最快[10]。

３分析与讨论3.1 混凝土碳化的动力学扩散模式随着表层碳化破坏层的形成，碳化继续在气体与多孔体之间向深层发展，碳化动力学扩散遵循下式[5]：t=L2/(2D) （3）式中：t为迁移时间，h；L扩散路径长度，cm；D为扩散系数，在25℃时，DCa(OH)2 ＝1.4×10-5，cm2/h。

二氧化钙扩散路径长度等于湿膜厚度。

假定把毛细管半径作为湿膜厚度，则在直径为2微米毛细管中，设湿膜为1μm，则据式(3)得知：二氧化钙通过湿膜的扩散时间为3.6×10-4h。

若混凝土中存在着直径大于1mm的孔隙、蜂窝、麻眼等结构缺陷，则二氧化碳的渗透深度可达545mm [5]。

3.2 混凝土碳化深度计算公式混凝土碳化深度数学模型可以分为两大类[10]：一类是理论模型，如前苏联学者阿列克谢耶夫考虑二氧化碳在混凝土孔隙中扩散和吸收特点建立的碳化数学模型；另一类是经验模型，具体又可细分为：以水灰比为主要参数、以水灰比和水泥用量为主要参数、以混凝土抗压强度为主要参数。

理论模型的优点在于模型的物理意义明确，但不便工程应用，且与试验结果误差较大；在经验模型中，最具代表性的是以水灰比为主要参数的情况，但不足之处在于：水灰比不能全面反映混凝土的质量、在实际中水灰比往往很难确切得到。

在实际工程中，可利用下述公式推算应力状态下混凝土的碳化深度。

（1）在无应力状态下[6]：X(t)=K （4）式中：X(t) 为混凝土碳化深度，mm；K为混凝土碳化综合系数，mm/d0.5；t为混凝土碳化的时间，d。

（2）在有应力状态下：Xc(t)＝(1.01362-0.01386) （5）式中：Xc(t) 为压应力状态下混凝土碳化深度，mm；为名义压应力，Pa。

Xt(t)＝（0.99261+0.07911）（6）式中：Xt为拉应力状态下混凝土碳化深度，mm；为名义拉应力，MPa。

3.3 混凝土碳化的二维、三维研究过去对碳化的研究都是在一维状态下进行，而实际工程中位于边角部位的结构混凝土是在二维、三维状态下进行碳化。

其实，混凝土的二维、三维碳化与一维碳化相似，也服从时间t的指数函数；随着水灰比的增大，二维、三维碳化深度变大，其中，水灰比对二维的影响最大，一维次之，三维最小；粉煤灰掺量小于15%时，对三维的影响最大，二维次之，一维最小；粉煤灰掺量大于15%时，对二维、三维的影响与对一维的影响相似[7]。

4 规避措施（1）选用抗碳化能力强的水泥品种。

由矿渣水泥325＃形成普通混凝土的碳化速度系数比由普通硅酸盐水泥425#形成普通混凝土的碳化速度系数提高1.5倍[8]。

525＃水泥配制混凝土的抗碳化性能比425＃水泥配制的要好。

同标号早强型水泥比普通型水泥的抗碳化性能要好。

（2）在施工条件允许的情况下，尽可能采用较小的水灰比。

水灰比是影响混凝土碳化的关键因素。

混凝土吸收二氧化碳的量主要取决于水泥用量。

当水灰比大于0.65时，其抗碳化能力急剧下降；当水灰比小于0.55时，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。

（3）选用能够提高混凝土抗碳化能力的外加剂。

如：羟基羧酸盐复合性高性能减水剂等。

（4）采用优质粉煤灰和超掺系数。

在混凝土中掺入优质粉煤灰，可提高混凝土抗碳化能力；采用超量取代水泥方式时，只要选择配合比适中，混凝土抗碳化能力一般可得到保证。

（5）采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术。

在混凝土中采用适量硅粉、粉煤灰共掺技术，可以大大增强混凝土密实性，提高混凝土抗碳化能力。

（6）严格控制混凝土裂缝宽度。

按照现行《规范》，计算和选择配筋率，保证结构断面有足够的构造钢筋，符合混凝土保护层最小厚度等要求。

（7）严把混凝土施工质量关。

混凝土施工质量优、强度高、密实度好，则其抗碳化性能就较强。

（8）采用涂料防护法。

在混凝土表面涂刷环氧厚浆涂料、丙稀酸涂料、丙乳水泥涂料等，可以阻止环境中二氧化碳气体向混凝土内部孔隙扩散，从而提高混凝土抗碳化能力。

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