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混凝土碳化研究进展

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混凝土碳化研究进展／何智海等353混凝土碳化研究进展何智海1，刘运华h2，白轲2，刘江红1(1郴州市建设工程质量安全监督管理站，郴州423000；2中南大学土木建筑学院，长沙410075)摘要混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一。

在查阅国内外文献资料的基础上，对混凝土碳化机理、影响因素以及碳化对混凝土品质的影响进行了评述。

另外，就混凝土碳化研究中存在的问题提出了几点看法。

关键词混凝土碳化机理影响因素中图分类号：TU528文献标识码：APr ogr es s i n R e sea r c h on C a r bonat i on of C onc r et eH E Z hi hai l，L I U Y unhual”，B A I K e2，LI U J i anghon91(1St a t i on of I ns pect i on a nd S upe r vi se of Q ual i t y of C o nst r uc t i o n E ngi ne er i ng of C henz h ou C i t y，Chenzhou423000；2C i v i l E ngi nee r i ng and A r c hi t ect ur e C ol l ege，C ent r al Sout h U ni ve r si t y，Changsha410075)A b s t r act C a rbonat i on of co ncr et e i s on e of t he m a i n cau s es i nf l ue nci ng concr et e st r uct ur es’dur abi l i t y．B asedo n t he avai l abl e l i ter at u r e，the m echani s mof ca r bon at i o n of concr et e，f act or s i nf l uenci ng ca r bon at i o n of co ncr et e a nd t he ca r bonat i on ef f ect o n t he con cr e t e qual i t y ar e r evi ew e d．I n addi t i o n，t he i m prove m ent s f or f ur t her s t udy ar e pr opos e d ac—cordi ng t O t he exi s t i ng s it ua t ion．K e y w or ds concr et e，c ar bona t i on，m ec hani sm，i nf l uenci ng f act or s混凝土是当代用量最大的人造材料，也是最重要的建筑材料之一。

随着时间的推移，人们发现混凝土并不是永固的，自浇灌成型开始，就会受到多方面的腐蚀破坏，主要有碳化、碱一集料反应、冻害和盐害，简称“四害”，其中以碳化最为常见，损失也最为严重。

混凝土强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，同一强度指标的混凝土其实际耐久性可能相差很大，混凝土抗碳化能力是衡量混凝土结构耐久性的一项非常重要的指标，越来越受到人们重视。

有资料表明[1]，近100多年来，大气中CQ浓度增加了25％；19世纪中叶，大气中C Q的平均浓度为280X10一，目前已达到了350X10一，预计到2100年将升到540×10一，因此混凝土的碳化问题将越来越严重。

为了更好地做好混凝土碳化防护处理，国内外研究者进行了长期的、大量和系统的研究工作，已进入分子层面[2一]，研究内容主要集中在混凝土碳化机理、碳化模型、碳化影响因素以及碳化深度预测等方面。

本文综述了近年来混凝土碳化的研究成果，同时就混凝土碳化研究中存在的问题提出几点看法。

1混凝土碳化机理空气、土壤或地下水中酸性物质，如C O z、H C I、S02、C12深入混凝土表面，与水泥石中的碱性物质发生反应的过程称为混凝土的中性化。

空气中混凝土的碳化是混凝土中性化最常见的形式，它是水泥石中的水化产物与空气中C02发生分解反应，使混凝土成分、结构和性能发生变化，使用功能下降的一种很复杂的物理化学过程。

1．1碳化反应在充分水化的水泥石中，水化硅酸钙约占70％，氢氧化钙约占20％，钙矾石和单硫型水化铝酸钙约占7％。

根据已有的研究，水泥石中各水化产物稳定存在的pH值如表1所示[4]。

表1水泥石中各水化产物稳定存在的pH值Tabl e1pH val u e of st abl e exi st ence o n c em e nthyd r at i on pr oduct s成分pH值水化硅酸钙水化铝酸钙水化硫铝酸钙氢氧化钙10．411．4310．1712．23混凝土中可碳化成分主要是C a(O H)2，此外还有水化硅酸钙(3C a02Si C h3H：0)以及在有水状态下未水化的硅酸三钙(3C aO S i02)和硅酸二钙(2C aO Si oz)。

有资料显示[5]，硬化水泥石中的Ca(0H)z和C．SH分别与C O z反应的自由焓最小，因此最易碳化，其碳化反应式为：C a(O H)2十H z0+o。

2—，C ao嘎+2H20(△G298=--74．75kJ／m01)3CaO2Si O z3H20+3H2CO一3CaC_&+2S i02+6H20(△G298一--74．7kJ／m oD 混凝土碳化速度主要取决于以下3个方面：①化学反应本身的速度；②C02向混凝土内扩散的速度；③混凝土孔隙中可碳化物质，主要是C a(0H)z的扩散速度。

何智海：男，1981年生，硕士，研究向：高性能混凝土耐久性E-m ai l：zhi hai hel9811020@126．com刘运华：男，1968年生，博士生，高级工程师，研究向：高性能混凝土耐久性354材料导报2008年5月第22卷专辑X1．2碳化过程混凝土是一个多孔体，内部存在许多大小不一的毛细孔、孔隙、气泡，甚至缺陷，形成的水泥石结构是一个含固相、液相和气相的非均匀质体。

空气中的0。

2通过这些固有缺陷渗透到混凝土的孔隙和毛细管中，溶解于孔隙液相中形成H z033后发生碳化反应，由此可以看出，混凝土的碳化是在固相、液相和气相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程。

反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为C a2+和0H一，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进来的C Q反应，一直到孔溶液中的pH 值降为8．5～9．0时，这层毛细孔才不再进行这种中和反应，即所谓“已碳化”[引。

碳化是一个由表及里、缓慢向混凝土内部扩散的过程，在混凝土完全碳化区之后形成部分碳化区和未碳化区。

从理论上讲，未碳化混凝土的pH值约为12．5，完全碳化的混凝土的pH值为7，因此以pH值来划分不同的碳化区域。

pH≥12．5的区段为未碳化区，pH=7的区段为完全碳化区，而7<pH<12．5的过渡区段则为部分碳化区，由此模拟了混凝土碳化过程，如图1所示[7]。

12j型毛图1碳化过程模拟图Fi晷1Si m ul a t i on char t of car boni z at i on pr oces s2影响混凝土碳化的因素影响碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小，即混凝土的渗透性及其C a(O H)z碱性物质含量的大小。

其影响因素十分复杂，各因素间相互作用、相互制约，而且各因素又具有高度不确定性即随机性、灰色性、模糊性及未确知性，难以截然分开，归纳起来主要分为：周围环境因素、材料本身因素和施工因素3大类。

2．1周围环境因素2．1．1环境相对湿度的影响混凝土的碳化速度受环境相对湿度的影响很大[8]。

环境相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，湿度较小时，混凝土处于含水率较低的状态，虽然C02气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，因此碳化速度较慢；湿度较大时，再加上碳化本身也是一个释放水的过程，混凝土的含水率较高，阻碍了c02气体在混凝土中的扩散，因此碳化速度也较慢[9]。

混凝土碳化速度较快的环境相对湿度范围各学者的研究结果不尽相同。

文献[10]认为为65％；文献[2]认为普通混凝土为50％，掺火山灰的混凝土为55％；我国规范[-11]规定的混凝土加速碳化实验的环境相对湿度为70％；文献[12]认为当环境相对湿度在70％以上时，cch浓度在混凝土孔隙中是呈线性下降的，部分碳化现象很不明显，可以忽略不计。

由此可见，导致混凝土最快碳化速度的环境相对湿度范围应该在50％～70％之间。

2．1．2环境温度的影响对于一般化学反应，温度每升高10℃，反应速度增加2～3倍。

但混凝土的碳化过程还受许多其它因素的影响。

温度升高将导致C02气体的扩散速度、离子运动速度和化学反应速度提高，这些都有助于混凝土碳化速度的提高；但温度升高将导致C02气体溶解度的下降，使混凝土碳化速度下降[9]。

各国学者对温度变化对混凝土碳化的影响这一问题的看法尚不统一。

文献[13]认为混凝土碳化速度对温度变化(20～40℃)不敏感，没有C02浓度影响显著；文献[14，15]却认为亚洲的新加坡日平均温度比欧洲的高出近20℃，在相同的时间里比较相似的混凝土建筑物可以发现，新加坡的混凝土碳化深度明显高于欧洲的；而C H．阿列克西耶夫的研究表明，当温度从22℃上升到40℃时，碳化加速，若继续升高温度，整个碳化过程将更为剧烈。

2．1．3C02浓度的影响由于碳化反应是一种化学反应，C02浓度对碳化速度有很大影响。

对于C0z的影响，学者们提出了数十种观点，其理论模式大多数基于菲克(Fi ck)第一扩散(渗透)定律，即：z一、}噬．再z一√彳叫。

其中：z为碳化系数，D为C C h渗透系数，qc为空气中C02浓度，a为单位体积混凝土吸收C02能力的系数。

上式表明混凝土碳化深度与时间的平方根呈正比，C02浓度越高，碳化速度越快。

也有一些学者[13]认为。

由于混凝土的非均质性，并不完全符合菲克定律假定的条件，因此混凝土的碳化速度并不一定与C02浓度的平方根成正比。

谢东升[16]认为，当C02浓度在一定范围内，碳化深度与其平方根呈正比关系，而当C02浓度超过某个值后，碳化深度的发展不再遵循此关系。

2．1．4C l-浓度的影响混凝土的碳化深度随氯离子含量的增加而下降，因为氯离子的存在将使混凝土保持较高的湿度，阻碍混凝土碳化的进行[173；也有资料[18]表明，混凝土中的氯离子会与C3A反应生成Fri edel复盐，同时生成0H一，N aC l含量越高，孔溶液0H一浓度增加，碳化速度加快。

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混凝土碳化的机理及影响要素

混凝土碳化的机理及影响要素

杨 斌 ｆ 湖南省湘筑工程有限公司。湖南 长沙 ４０ ０ ） １０ ４ Βιβλιοθήκη 一、概述
由于碳化反应 的主要产物碳酸钙属非 溶解性 钙盐 ，比原反 应物的体积膨胀 约 １ 菇 ，因此 ，混凝土 的凝胶 孔隙和部分毛细 ７
（ 一）混凝土碳化定义和机理
混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中二氧化碳作 用，生成碳酸钙或其他物质的现象，这是一个极其复杂的多相
率、Ｃ Ｏ的扩散速率和碳化过程中孔结构的变化。通过建立一个 三维的有限元计算模型来实现对混凝土结构的耐久性的估计和
对任 意胶凝材料和 结构 在不同环境条件 下的数值分析 。 （ ）Ｃ 三 Ｏ 的迁移 、平衡和反应模型 溶解在 孔隙水 中的 Ｃ ０和气态 Ｃ 多孔介质中的质量平衡 ０在 条件可 由下式表示 ：
物理化学过程。
孔隙被碳化产物堵塞 ，使混凝土的密实度和强度有所提高，一 定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝土内部的扩散。另外一 方面，混凝土碳化使混凝土的 ｐ 值降低 ，完全碳化混凝土的 Ｈ
Ｄ 值 约为 ８５９ ，使混凝土 中的钢筋脱 钝锈蚀 。而混凝 土 中 Ｈ ．－． ０
普通硅酸盐水泥混凝土中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸 三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙及石膏等，其水化产
一
件，因此，研究混凝土碳化及其预测模型对混凝土结构耐久性
评估具有重要的意义。
国内外学者对混凝土碳化进行了大量深入研究，内容涉及
碳化机理 、碳化 影响要素 、检测方 法、预测模型 、碳化 对钢 筋 锈蚀的影响等 。前 期的研究主要集 中在宏观层次上 ，研究影 响 要素与预测模型等主要采用以实验 为基础 的经验法 ；２ 世纪 ８ ０ Ｏ 年代末，希腊学者 Ｐｐｄｋ 从分子层次上研究 混凝土碳化的机 ａａａｉ ｓ 理， 使混凝土碳化研究前进了一大步 。 （ ）理论模型 二 按建 立模型 的方法看 ，混凝 土碳化数 学模型可 分为两 类 ： 类侧重从理 论上推 导 ；一类侧 重从试验 研究分析 影响要 素 ，
混凝土碳化机理及时间效应模型研究

混凝土碳化机理及时间效应模型研究

混凝土碳化机理及时间效应模型研究混凝土碳化的时间效应是土木工程中一个重要的研究课题。

首先，从内部因素、环境因素、施工因素等三方面分析了混凝土碳化的主要影响因素。

接着，分析了混凝土碳化时间效应的传统数学模型，并对其进行了归纳总结，建立了广义碳化模型。

最后，通过实验室试验数据模拟和误差分析，指出了广义碳化模型的适用范围。

标签：混凝土；碳化深度；时间效应；经验模型1 前言混凝土碳化（concrete carbonation）是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳发生作用，生成碳酸钙或其他物质的物理化学过程[1-2]。

其碳化深度随着时间的发展逐渐增大，通常称之为碳化时间效应。

随着碳化深度的增加，混凝土构件的有效截面将逐渐减小，混凝土中的钢筋将会逐渐锈蚀，进而削弱结构的安全性和耐久性，缩短混凝土工程的使用寿命[3-4]。

因此，建立混凝土碳化模型，预测碳化深度的发展过程，对于结构或构件耐久性的分析和结构剩余寿命的预测有重要意义。

2 混凝土碳化影响因素2.1 内部因素混凝土中增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备。

因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢。

另外，水泥品种对碳化速度也有重要影响，试验表明[2]，在相同条件下高炉矿渣水泥碳化速度最快，早强水泥对应的速度最慢。

2.2 环境因素温度、湿度、光照都是影响碳化的外界因素。

混凝土碳化与光照和温度有直接关系。

随着温度提高，二氧化碳在空气中的扩散逐渐增大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件。

阳光的直射，加速了其化学反应，碳化速度加快。

二氧化碳溶于水后形成碳酸才能和氢氧化钙进行化学反应，所以非常干燥时，混凝土碳化无法进行。

由于混凝土的碳化本身是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。

试验表明，相对湿度在50%～70%之间时，混凝土碳化速度最快。

2.3 施工因素施工质量差表现为振捣不密实、养护不善，造成混凝土密实低、蜂窝麻面多，为大气中的二氧化碳、氧和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化速度。

混凝土碳化研究综述

混凝土碳化研究综述

·40·
和液，其 pH 值约为 12~13，呈强碱性。 在水泥水化过程中，由于化学收缩，自由水蒸发等诸多原
因，在混凝土内部形成了许多大小各异的孔隙，大气中的二氧 化碳便通过这些孔隙向混凝土内部扩散，并在水的参与下形成 碳酸。碳酸与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生反应，生 成碳酸钙和其他物质。
由于碳化作用，氢氧化钙变成了碳酸钙，水泥石的原有强 碱性逐渐降低，pH 值降至 8.5 左右，称这种现象为中性化。国内 外研究表明[6]，对于混凝土中的钢筋，存在两个临界 pH 值，其一 是 pH=9.88，这时钢筋表面的钝化膜开始生成，或者说低于此临 界值时钢筋表面不可能有钝化膜的存在，即完全处于活化状态； 其二是 pH=11.5，这时钢筋表面才能形成完整的钝化膜，或者说 低于此临界值时钢筋表面的钝化膜仍是不稳定的。因此，要使混 凝土中的钢筋不锈蚀，则混凝土的 pH 值必须大于 11.5。
Ove rvie w o f th e re s e a rch fo r co n cre te ca rb o n a tio n
XIAO Jia，GOU Cheng-fu （School of Civil Engineering and Architecture，Central South University，Changsha 410075，China）
0 引言
混凝土的碳化是指空气中的酸性气体 CO2 与混凝土中的 液相碱性物质发生反应，使得混凝土碱性下降和混凝土中化学 成分改变的中性化反应过程。当中性化深度大于混凝土的保护 层厚度，就会破坏保护层下钢筋表面的钝化膜，在钝化膜被破 坏后，伴随着水和空气的共同作用，钢筋就会出现锈蚀。锈蚀产 生的体积膨胀将导致钢筋长度方向出现纵向裂缝，并使保护层 剥落，继而使得构件的截面减小、承载能力降低，最终将使结构 构件破损或者失效[1]。
国内外混凝土应用技术研究现状及发展趋势分析的另一角度

国内外混凝土应用技术研究现状及发展趋势分析的另一角度

《国内外混凝土应用技术研究现状及发展趋势分析的另一角度》混凝土作为一种广泛应用于建筑、基础设施等领域的重要建筑材料，其应用技术的研究一直备受关注。

从传统的角度对国内外混凝土应用技术的研究现状及发展趋势进行分析已较为常见，然而，若从一个独特的角度切入，或许能带来更深入、更具启发性的见解。

在当今全球化的背景下，混凝土应用技术的研究呈现出多元化和跨学科的特点。

各国在混凝土原材料的选择与优化方面不断探索，致力于寻找性能更优异、成本更低廉的原材料组合。

高性能混凝土的研究与应用就是一个典型的例子。

高性能混凝土通过选用特殊的水泥品种、高效减水剂、优质骨料以及掺入特定的掺和料等手段，显著提高了混凝土的强度、耐久性、工作性等性能指标。

在发达国家，高性能混凝土已经广泛应用于高层建筑、桥梁、隧道等重要工程中，取得了显著的经济效益和社会效益。

各国也在积极研究开发新型的混凝土原材料，如矿物掺合料的开发与利用，如粉煤灰、矿渣粉、硅灰等，它们不仅能有效改善混凝土的性能，还能减少对自然资源的消耗，实现可持续发展。

另混凝土的配合比设计技术也在不断创新和完善。

传统的配合比设计方法主要基于经验和试验，但随着计算机技术的飞速发展，基于数值模拟和人工智能的配合比设计方法逐渐崭露头角。

通过建立混凝土性能与材料组成、工艺参数之间的数学模型，利用计算机强大的计算能力进行模拟和优化，可以快速得出最优的配合比方案，提高设计效率和准确性。

一些研究机构和企业开发了基于神经网络、遗传算法等智能算法的混凝土配合比设计软件，能够根据工程要求和原材料特性自动生成合理的配合比，为工程实践提供了有力的技术支持。

在混凝土施工技术方面，国内外也取得了诸多进展。

泵送混凝土技术的成熟应用极大地提高了混凝土的浇筑效率和施工质量。

随着泵送高度和距离的不断增加，泵送混凝土的性能要求也越来越高，因此对混凝土的流动性、可泵性、稳定性等方面的研究不断深入。

混凝土的自密实技术也得到了广泛关注和研究。