混凝土的碳化分析

混凝土的碳化分析
混凝土材料以其性能优越、施工方便和成本低等方面的显著优势在土木工程领域内得到广泛的应用。

然而在大气中的CO2、SO2等外部介质作用下，混凝土结构会逐渐发生碳化，从而导致钢筋锈蚀，混凝土耐久性降低。

因此，掌握混凝土的碳化机理和防控措施逐渐引起了工程技术人员的重视。

2 混凝土的碳化作用机理
混凝土的碳化是指空气中的CO2与混凝土中碱性物质相互作用，生成CaCO3和H2O的中性化过程。

由于混凝土是一种多孔性材料，在其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷,具有一定的透气性。

空气中的CO2首先渗透到混凝土内部的孔隙和毛细管中，与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2和水化硅酸钙等物质相互作用，形成CaCO3 。

Ca(OH)2是水泥的主要水化产物之一，对于普通硅酸盐水泥而言，水化生成的Ca(OH)2可达10～15%。

Ca(OH)2一方面是混凝土高碱度的主要提供者，另一方面又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反应，使混凝土碳化。

随着混凝土碳化过程的进行，混凝土毛细孔中Ca(OH)2的含量会逐渐减少，必然会使混凝土PH值降低，改变了混凝土的化学成分和组织结构，对混凝土结构的力学性能有着明显的影响。

碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而发生锈蚀现象，一方面钢筋径向膨胀，导致混凝土保护层顺受力钢筋开裂；另外一方面因钢筋的锈蚀，致使结构强度明显降低，安全性下降；与此同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，引起混凝土产生裂缝，影响结构物的使用。

3 影响混凝土碳化的因素
大量的研究表明，混凝土的碳化过程是伴随着CO2气体由表及
里向混凝土内部逐渐扩散、反应的复杂的物理化学过程。

影响混凝土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。

混凝土的孔隙率越小、渗透性越低、Ca(OH)2含量越大，混凝土的抗碳化性能越好；反之，则越差。

然而影响混凝土密实性及其碱性储备的因素十分复杂，具体来说有材料因素、环境因素和施工因素三大方面。

材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品种、混凝土强度等级、骨料级配、矿物掺合料的数量等；环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及CO2气体浓度等；施工因素包括混凝土搅拌、振捣和养护条件等。

3.1 水灰比的影响
在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土硬化后会提高混凝土内部毛细孔的含量，密实度降低，渗透性增大，因此空气中的CO2气体在混凝土毛细孔中的扩散速度加快，从而将加快混凝土的碳化速度，使混凝土碳化区的碳化深度提高。

3.2 水泥品种的影响
不同品种的水泥，其矿物组成、混合材料的种类与掺量不同，将直接影响着水泥的活性和混凝土内部碱含量大小，对混凝土的碳化速度有着重要影响。

研究表明：矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸盐水泥混凝土的碳化速度快。

这是因为火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO含量低而SiO2的含量高，水泥水化时，SiO2和CaO发生反应大量生成水化硅酸钙，而生成的Ca(OH)2含量较少，混凝土的碱性低；而硅酸盐水泥中CaO的含量高，能生成较多的Ca(OH)2，碱性高。

另外，混凝土的碳化还与CO2气体的渗透速度有关。

试验证明：火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO2气体的渗透速度要比硅酸盐水泥混凝土的渗透速度大。

3.3 水泥用量的影响
研究表明：混凝土的碳化速度随着水泥用量的增大而降低。

增加水泥用量，既可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土结构的密实度，还可以增加混凝土内部的碱性储备，从而使混凝土结构的抗碳
化能力提高。

3.4 CO2浓度的影响
试验研究表明：混凝土的碳化速度与CO2气体浓度的平方根成正比。

即在其他条件不变的情况下，周围环境中CO2气体的浓度越高，则在一定使用期内混凝土碳化速度越快，碳化深度越大。

3.5 骨料级配的影响
骨料级配不同，混凝土结构内部的密实度也不同，从而直接影响空气中CO2气体在混凝土内部的渗透速度。

选用材质致密坚实、级配较好的骨料配制而成的混凝土，其碳化速度较低。

3.6 矿物掺合料数量的影响
掺入具有活性的矿物掺合料，其自身不能发生硬化，但能够与水泥水化析出的Ca(OH)2作用生成具有一定强度的胶结物质，导致混凝土内部碱度降低，混凝土碳化速度加快。

试验证明：掺合料掺入量越高，碳化速度越快。

3.7 空气相对湿度的影响
混凝土的碳化速度与混凝土周围环境的相对湿度有着重要关系。

Ca(OH)2与CO2反应生成的水要向外扩散，以保持混凝土内部与大气之间的湿度平衡。

如果水向外的扩散速度由于环境湿度大而被减慢，混凝土内部的水蒸气压力将增大，CO2气体向混凝土内部扩散渗透的速度将降低乃至终止，混凝土的碳化反应也随之减慢。

在相对湿度接近100% 时，混凝土中的孔隙被水充满，CO2的渗透速度大幅度降低，碳化将终止。

而当相对湿度小于25% 时，虽然CO2的扩散渗透速度很快，但混凝土毛细孔中没有足够的水，空气中的CO2无法溶解于混凝土毛细管水中，或其溶解量非常有限，使之不能与碱性溶液发生反应，碳化反应也无法进行。

研究表明：在相对湿度为50～70% 的条件下，最有利于混凝土的碳化。

3.8 混凝土强度等级的影响
混凝土强度等级越高,混凝土越密实, CO2的扩散速度则降低,混凝土的碳化速度随之降低，抗碳化能力得到提高。

3.9 混凝土振捣、养护的影响
混凝土施工操作过程中加强振捣和养护，则混凝土硬化后密实度较高，能阻止大气中CO2气体和水分的侵入，延缓混凝土的碳化。

如果混凝土在施工初期养护不良，混凝土中的水分蒸发过快，混凝土渗透性增大，则可加快混凝土的碳化。

3.10 冻融的影响
由于外界温度交替变化，在混凝土浸水饱和或水位升降变化部位，致使混凝土内部孔隙发生冻结膨胀，造成混凝土结构物表面出现疏松剥落和产生裂缝，加快混凝土的碳化。

4 预防混凝土碳化的技术措施
通过对上述各种影响因素的分析可知，材料因素主要是通过影响混凝土的碱度来影响混凝土的碳化；环境因素主要是通过影响碳化反应的发生条件来影响混凝土的碳化速度；施工因素主要是通过影响混凝土的密实性来影响混凝土碳化。

为预防混凝土的碳化，提高钢筋抗锈蚀能力，保护混凝土结构物的耐久性，应采取以下技术措施：(1)保持混凝土内部具有一定的碱度。

保持混凝土内部具有一定的碱度，不仅是保护钢筋免遭腐蚀的前提条件，而且还是维持混凝土自身化学稳定性必要条件，因此凡是能使混凝土碱性降低的一切因素（不论是先天因素还是环境因素），均对钢筋的腐蚀会产生不利影响。

在工业污染严重的今天，应特别重视混凝土的碳化对钢筋混凝土结构物中钢筋的腐蚀破坏。

(2)适当增加混凝土结构物保护层的厚度。

(3)改进混凝土施工工艺，提高混凝土结构物的密实度，严格控制混凝土施工质量。

(4)在混凝土结构物的外表面涂刷聚合物保护层。