混凝土碳化的影响因素及其控制措施

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[摘　要] 　混凝土碳化是影响温凝土结构耐久性的重要原因之一，通过对混凝土碳化机理以及影响因素的分析，我们可以采取更好的相关控制措施来减少碳化的危害。

[关键词] 　混凝土；碳化；影响因素；控制措施

空气、土壤或地下水中酸性物质，如CO2 、HCl 、SO2 、Cl2 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。混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用很复杂的一种物理化学过程。在某些条件下，混凝土的碳化会增加其密实性，提高温凝土的抗化学腐蚀能力， 但由于碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜， 使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响。同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。由此可见，混凝土的碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响。因此， 混凝土碳化机理、影响因素及其控制的分析很重要。

1 　混凝土的碳化机理

1. 1 　碳化反应[1 ]

混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石) ， 同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。混凝土的碳化，是指水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用，生成碳酸盐或其他的物质的现象。碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷等。空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。所以，混凝土碳化也可用下列化学反应表示:

CO2 + H2O H2CO3

Ca (OH) 2 + H2CO3 CaCO3 + 2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O + 3H2CO3 3CaCO3 + 2SiO2 + 6H2O

2CaO·SiO2·4H2O + 2H2CO3 2CaCO3 + SiO2 + 6H2O

可以看出，混凝土的碳化是在气相、液相、和固相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程。

1. 2 　碳化反应进展模式[8 ]

在混凝土的细孔溶液中，存在着较多的K+ 、Na + 和与之平衡的OH- ，Ca + + 的浓度很低。CO2 与细孔溶液中的H2O 反应进而转化为H+ 和CO2 - 3 ，然后H+ 与固相Ca (OH) 2 中OH- 结合生成H2O ，从而Ca (OH) 2 溶解；CO2 - 3 选择性地与少量Ca + + 结合生成CaCO3 沉淀。如图1 所示。

2 　影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着CO2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。所以，混凝土的碳化速度取决于CO2 的扩散速度及CO2 与混凝土成分的反应性。而CO2 的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2 的浓度、环境温度、试件的含水率等因素影响，所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素主要可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境有关的外部因素，当然，除此之外还存在一些其他因素。

2. 1 　内部因素

2. 1. 1 　水泥用量

水泥用量直接影响混凝土吸收CO2 的量，混凝土吸收CO2 的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。另外，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。

2. 1. 2 　水泥品种

水泥品种不同意味着其中所包含的塑料的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱性，对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下砂浆的碳化速度大小顺序为，高炉矿渣水泥(BFC) > 普通硅酸盐水泥(OPC) > 早强水泥(HEC) 。文献[2 ] 认为，高铝水泥混凝土的碳化规律同普通硅酸盐水泥混凝土的碳化规律基本相似。

2. 1. 3 　水灰比

混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。混凝土的水灰比越低，其强度越高，混凝土的密实程度也越高；反之亦然。由于混凝土的碳化是CO2 向混凝土内扩散的过程， 混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。混凝土碳化的深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca (OH) 2 含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的Ca (OH) 2 含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土拌和过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。因此水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，碳化速度增大。

2. 1. 4 　混凝土抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土基本性能指标之一，也是衡量混凝土品质的综合性参数，它与混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在—定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度，骨料品种掺和剂，以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。据有关资料表明，混凝土强度高，抗碳能力强。

2. 1. 5 　集料品种和级配

集料的品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。试验说明，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然轻骨科混凝土的0.56 倍。

2. 1. 6 　施工质量及养护方法对碳化的影响

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，烽窝麻面多，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。除此之外，混凝土养护状况对碳化也有一定影响。混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土渗透性增大，碳化加快。施工中常用自然和蒸汽养护法。试验表明，普通混凝土采用蒸汽养护的碳化速度比自然养护提高1.5 倍。

2. 2 　外部因素

2. 2. 1 　光照和温度

混凝土碳化与光照和温度有直接关系。随着温度提高， CO2 在空气中的扩散逐渐增大，为其与Ca (OH) 2 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。

2. 2. 2 　相对湿度

CO2 溶于水后形成H2CO3 方能和Ca (OH) 2 进行化学反应，所以非常干燥时，混凝土碳化无法进行，但由于混凝土的碳化本身既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。试验结果表明，相对湿度在50 %～70 %之间时，混凝土碳化速度最快。

2. 2. 3 　CO2 的浓度

对于CO2 的影响，学者们提出了多达几十种观点，其理论模式大多数基于菲克(Fick) 第一扩散(渗透) 定律，即：

x = 2Dqc a · t (1)

其中， x 为碳化系数， D 为CO2 渗透系数； qc 为空气中CO2 浓度； a 为单位体积混凝土吸收CO2 能力的系数。(1) 式表明CO2 浓度越高，碳化速度越快。

2. 2. 4 　氯离子浓度的影响

氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙。氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃烂性锈蚀[3 ] 。

2. 3 　其他因素

2. 3. 1 　不同应力状态对混凝土碳化的影响[4 ]

混凝土试件在不同应力状态下其碳化速度有所不同(如表1 所示) 。通过对混凝土施加荷载后进行快速碳化试验研究，我们可以在实际工程中对不同受力构件采取不同的防碳化措施，提高混凝土的耐久性。

混凝土施加应力之后对内部的微细裂缝起到了抑制或扩散作用。微细裂缝的存在使CO2 容易渗透，引起碳化速度加快，但施加了压应力之后，使混凝土的大量微细裂缝闭合或宽度减小，CO2 的渗透速度减慢，从而减弱了混凝土的碳化速度。当然，混凝土中的压应力过大时，也可使是混凝土产生微观裂缝，加速碳化过程；相反，施加拉应力后，混凝土的微裂缝扩展，加快了混凝土的碳化速度。另外，碳化速度随时间的增长也越来越慢。

2. 3. 2 　裂缝对混凝土碳化的影响[5 ]

混凝土机构的劣化破坏过程，多是由于各种有害物质从外部向内部的渗透或迁移作用。因而混凝土结构的抗渗性是反应其耐久性的一个综合性指标。裂缝的存在将直接影响到混凝土的渗透性与耐久性，并且由于碳化能够通过裂缝较快的渗入到混凝土内部，因而裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处。

3 　工程实例[ 6 ，7]

a) 淮北焦化厂的钢筋混凝土煤炭运输支架，由于水泥用量较低，混凝土强度较低(水灰比较大) ，又因为焦化厂生产过程中支架周围的CO2 浓度特别大，根据混凝土碳化影响的因素，水泥用量越小，混凝土强度越低，水灰比越大，CO2 浓度越高，碳化速度越快。所以该结构仅仅使用四五年，混凝土即遭受严重碳化，保护层开裂，剥落，纵筋暴露，锈蚀严重。另外，可以发现梁比柱、受拉区比受压区碳化程度明显严重。

b) 北京酒仙桥某污水厂水泵房，由于施工期间在混凝土内部与外部温差大于20 ℃的情况下过早拆模，引起温度裂缝，并且由于拆模次序不对(先拆了外模，后拆了内模) ，造成了池壁两侧均出现通长裂缝。根据混凝土碳化影响因素，温度越高，碳化速度越快以及裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处等。我们可以发现该建筑受到严重碳化破坏，后经对混凝土碳化深度的检测，发现碳化深度均在35 mm 以上， 已经超过了混凝土保护层厚度，混凝土的碳化导致钢筋的锈蚀，进而使裂缝发展加剧，结构耐久性失效。对此，将采取相应措施进行修复。

4 　混凝土碳化处理措施

4. 1 　碳化处理方法

对碳化深度过大，钢筋锈蚀明显，危及结构安全的构件应拆除重建；对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化浓度虽较小但碳化层疏松剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；对钢筋锈蚀严重的， 应在修补前除锈，并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋，防碳化后的结果，要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中。

4. 2 　防碳化措施

目前，防碳化处理多采用涂料封闭法，主要使用环氧厚涂料，呋喃改性环氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料时要考虑涂料与混凝土间的粘结力；涂料是否抗冻、抗晒、抗雨水侵蚀；涂料的收缩、膨胀系数是否与混凝土接近。对与混凝土结构变形缝的缝面处理，水上部分的变形缝可用华东水利设计研究院研制的SR 嵌缝膏进行表面封闭；对水下部分的变形缝，可采用南京水利科学研究院制的SBS 改性沥青灌注封闭。另外，考虑钢筋混凝土结构有足够的保护层厚度是最常用的保护钢筋不遭锈蚀的一种方法。

设计时应合理设计混凝土配合比，施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固， 拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行；施工中混凝土应用机械震捣，以保护混凝土密实性；混凝土浇注完毕后，应用草料等加以覆盖，并根据情况及时浇水养护混凝土。

参考文献

1 　龚洛书等. 混凝土的耐久性及其防护修补. 北京:中国建筑工业出版社，1990.

2 　A. M. Dunster. D. J . Bigland L. R. Holton. Rates of carbornation and reinforce corrososion in high alumina cement concrece [J ] . Magazine of concrete Research ，2002 ，52(6)

3 　吴胜兴，汪基伟. 正常极限状态的耐久性指标. 混凝土结构基本理论及应用第二届学术讨论会论文集，1990 ，10

4 　袁承斌等. 混凝土在不同应力状态下的碳化. 建筑结构，2004 ， (4)

5 　魏艳芳，王天稳. 裂缝对混凝土结构耐久性的影响. 建筑技术开发，2004 ， (6)

6 　王玉琳. 混凝土碳化影响因素研究综述. 连云港化工高等专科学校学报，2002 ， (2)

7 　王军民等. 市政构筑物混凝土耐久性及改进措施. 市政科技， 2001 ， (4)

8 　杨静. 混凝土的碳化机理及其影响因素. 混凝土，1995 ， (6)

9 　王博. 混凝土碳化机理及其影响因素. 水利水电技术，1995 ， (11)

10 　刘军等. 混凝土碳化现象的检测与控制. 山东煤灰科技，1999 ，(1)