影响混凝土碳化的主要因素

影响混凝土碳化的主要因素
摘要：本文分析了钢筋混凝土耐久性的碳化影响机制，研究了钢筋混凝土碳化程度与时间的一维表达式和角隅区二维表达式，对影响混凝土碳化的几个主要因素进行了比较深入细致地分析，可为混凝土耐久性的研究提供了一定参考。

关键词：碳化；耐久性；混凝土；水泥
Abstract: This paper analyzes the durability of reinforced concrete carbonation affect the mechanism of two-dimensional expression of the reinforced concrete carbonation extent and time of the one-dimensional expression and angle District, on several major factors affecting concrete carbonation depth and meticulousto analyze and provide some reference for the durability of concrete.
Keywords: Carbon; durability; concrete; cement
中途分类号：TU528.42文献标识码：A文章编码：
我国的钢筋混凝土结构占有相当的比例，由于钢筋混凝土耐久性引起的结构破坏问题非常严重。

然而迄今为止，这一领域的系统研究进展不大，其原因是该研究所涉及的学科较广、难度较大。

调查表明[1]，在美国1975年各种结构腐蚀造成的损失为700多亿美元，其中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。

公路网56万座桥中，处于严重失效的有9万座。

1987年有25万多座混凝土桥处于不同程度的损伤状态，且每年以3万多座的速度在增加。

1991年用于修复耐久性损坏的桥梁耗资910亿美元。

英国每年为解决海洋环境腐蚀与防护问题就花费将近20万英镑。

日本每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元。

我国“七五”期间维修改造费用占基本建设总投资达54%。

钢筋锈蚀已成为导致我国钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一，而影响钢筋锈蚀的主要原因是钢筋保护层的混凝土碳化问题。

因此，混凝土碳化的研究对结构的耐久性具有极其重要的意义[2]。

1混凝土碳化的一维表达式
混凝土碳化的机理是CO2气体通过混凝土中的裂缝与孔隙扩散至混凝土内部，然后与混凝土中孔隙水形成H2CO3，再与Ca(OH)2反应，硬化水泥浆中的CSH（水化硅酸钙）也可能与CO2反应，造成混凝土本身pH值降低，破坏钝化
膜的过程。

假设混凝土中二氧化碳浓度呈直线分布，混凝土表面二氧化碳浓度为C0，未碳化区浓度为零，单位体积混凝土吸收二氧化碳量为恒定值。

在此假设下，混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定律，根据微分方程
[9](1-1)
式中，dm——在dt时间内碳酸透过试块表面的数量；
D——CO2的有效扩散系数，与混凝土的浓度，混凝土的密实度以及混凝土的强度有关；
F——透过试块的表面积；
C0——试块表面的浓度；
C——吸收区的浓度；
l——混凝土碳化层厚度。

在时间间隔dt内，混凝土吸收碳酸气的数量等于
dm=m0Fdl (1-2)
式中，m0——单位混凝土体积吸收碳酸气的量或结合的体积浓度。

据(1-1)、(1-2)式，积分得微分方程的解：。

由此可见，碳化深度与时间的平方根成正比。

2角隅区混凝土碳化的二维表达式
位于角部的钢筋锈蚀的程度比中间大。

实验表明：在相同条件下，位于构件角部的锈蚀比中间部位的钢筋快50%左右，位于角部的钢筋会受到两个方向的渗透影响，因此混凝土的碳化和钢筋的锈蚀比中间的快。

根据一维公式物理意义对角隅区二维公式采用极坐标进行推导（按90度弧长考虑表面积）
[9]（2-1）
式中，——扩散到达处的半径及表面处的半径。

的意义同式（1-1）中的意义一致。

积分得微分方程的解
（2-2）
显然二维碳化速度不仅与时间有关，而且与表面形状有关，二维碳化与一维碳化的速度的比值不是一个固定的数值，而是一个变化的数值。

3水灰比对混凝土碳化的影响
水灰比是决定混凝土性能的重要参数，对混凝土碳化速度影响极大。

众所周知，水灰比基本上决定了混凝土的孔结构，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率就越大。

混凝土中的气孔主要有胶孔、气孔和毛细孔。

胶孔的半径很小，CO2分子很难自由进出；CO2扩散均在内部的气孔和毛细孔中进行。

因此水灰比一定程度上决定了CO2在混凝土中的扩散速度，水灰比越大，孔隙率越高，CO2的扩散越容易，混凝土碳化速度越快。

国内外进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化速度的关系。

南京水科院通过快速试验，彦承越[3]通过长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关系，此关系大致呈线性关系；山东建科院在济南、青岛、佛山进行了室外长期暴露试验及快速试验，得到碳化速度与水灰比的关系，并根据济南地区暴露试验给出了碳化速度系数与水灰比的表达式[4]
k=12.1w/c－3.2 (3-1)
式中，w/c——混凝土的水灰比。

4水泥用量对混凝土碳化的影响
水泥用量直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。

混凝土吸收二氧化碳的量取决于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢，Meryer[5]等人通过试验给出了不同水泥用量的碳化深度比值，如表4-1所示。

同济大学也进行了快速碳化试验，得出了碳化与水泥用量指数的倒数成正比[6]。

表4-1水泥用量对碳化速度的影响
水泥用量/kg 碳化速度比值
200 1.8
250 1.4
300 1.0
340 0.85
400 0.70
450 0.60
由上面的实验数据根据最小二乘法可以拟和水泥用量对碳化速度的影响公式：
其中，为碳化速度；为单位体积水泥用量(T)。

5施工质量对混凝土碳化的影响
混凝土施工对混凝土的质量有很大的影响，混凝土浇筑、振捣和养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实度。

因此，施工质量也是影响混凝土碳化的一个重要方面。

实际调查结果表明，在其他条件相同时，施工质量好，混凝土强度高，密实度好，其抗碳化性能强；施工质量差，混凝土表面不平整，内部有裂缝、蜂窝、孔洞等，增加了在混凝土中的扩散路径，使混凝土的碳化速度加快。

日本学者白山[7]将施工质量划分为优、良、一般、差四个等级，其相应的碳化速度比为0.5:0.7:1.0:1.4。

混凝土养护状况对混凝土的碳化也有一定影响。

混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土碳化渗透性增大，碳化加快。

山东建筑科学院进行了标准养护时间与混凝土碳化速度的快速碳化试验，结果表明，养护时间对碳化速度影响较大[8]。

6环境对混凝土碳化的影响
环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。

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CO2气体
的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢。

湿度较高时，混凝土的含水率较高，阻碍了CO2气体在混凝土中的扩散，故碳化速度也较慢。

当相对湿度为50-60%时，混凝土的碳化速度最快，因为此时混凝土的孔隙尚未充满水份，CO2可以向混凝土内自由扩散，而孔隙中的湿度也为Ca(OH)2向外扩散提供了必要条件，从而使化学反应进行较快；当相对湿度小于25%时，混凝土处于干燥状态，虽然CO2向混凝土内扩散较快，但水份不足，化学反应很慢；当相对湿度大于95%以上时，混凝土孔隙充满水份，CO2向内扩散速度降低，化学反应不能进行。

CO2气体的扩散速度和碳化反应受温度影响较大，因此，随温度升高CO2速度加快，碳化速度也加快。

7结束语
由于碳化反应是一种化学反应，与此有关的物质浓度对碳化速度有很大影响，CO2浓度越高，碳化速度越快。

目前控制混凝土碳化的主要办法是科学地控制水灰比和水泥用量，提高施工质量，控制好养护环境。

另外混凝土本身的强度对碳化程度也有较大影响。

参考文献
[1] 周新刚．混凝土结构的耐久性与损伤防治[M]．北京：中国建材工业出版社，1997．
[2] 卢木．混凝土耐久性研究现状和研究方向[J]．工业建筑，1997，27(5)：1～6．
[3] 颜承越.水灰比-碳化方程与抗压强度-碳化方程的比较[J].混凝土1994(3)：46~49
[4] 徐善华,牛荻涛,王庆霖.钢筋混凝土结构碳化耐久性分析[J].建筑技术开发,2002,29(8) ：16~18
[5] 朱安民.混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性[J].混凝土，1992(6)：18~22
[6] 阿列克谢耶夫著，黄可信，吴兴祖等译.钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保
护[M].北京：中国建筑工业出版社，1983
[7] 鱼本健人，高田良章.ゴユンクリ卜中性化速度に及ほま要因[J].土木学会论文集，1992.8，17(451)：119~128
[8] 蒋利学等.混凝土碳化深度的计算与试验研究[J].混凝土，1996(4)：12~17
[9] 陈建国．钢筋混凝土梁的耐久性分析：[学位论文]，石家庄铁道学院，2005．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。