混凝土碳化研究现状_武俊曦

四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第37卷第6期2011年12月

收稿日期：2010-06-10作者简介：武俊曦（1977－），男，陕西西安人，工程师，主要从事建筑施工工作。

E －mail ：wujunxi1977@126．com

混凝土碳化研究现状

武俊曦1

，王

艳

2

（1．陕西建工集团第三建筑工程有限公司，陕西西安710054；2．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055）

摘要：混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程，国内外众多学者分别从碳化机理、影响碳化的因素、碳化深度预测模型

等方面，

对这个问题进行了深入研究。本文对这些成果进行了总结与分类，在此基础上提出了尚存在的问题，并对混凝土碳化研究发展方向进行了展望。

关键词：混凝土；碳化；碳化速度；碳化深度中图分类号：TU528文献标识码：B 文章编号：1008－1933（2011）06－202－03

0前言

Mahta 教授在题为《混凝土耐久性———50年进

展》的主旨报告中指出：“当今世界，混凝土破坏原

因，按重要性递减顺序排列是钢筋腐蚀、寒冷气候下

的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”。因此，钢筋锈

蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一。而混凝土碳化又是引起钢筋锈蚀最主要的原因。20世纪60年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，对混凝土碳化进行了大量的试验研究及理论分析。国内从20世纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋锈蚀问题，通过快速碳化实验、长期暴露实验及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型。经过40多年的研究，国内外对混凝土碳化机理与影响因素已经有了深刻的

认识，

并提出了很多种碳化深度的计算模型。1混凝土碳化机理的研究

混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程，

国内外很多学者从不同的角度对这个问题进行了深入研究。

普通水泥混凝土水泥熟料的主要矿物成分是硅酸三钙C 3S （3CaO ·SiO 2）、硅酸二钙C 2S （2CaO ·SiO 2）、铁铝酸四钙C 4AF （4CaO ·Al 2O 3·Fe 2O 3）和

铝酸三钙C 3A （3CaO ·Al 2O 3），

另外，还有少量的石膏C SH 2（CaSO 4·2H 2O ）等。其水化产物为氢氧化钙（约占25%）、水化硅酸钙（约占60%）、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等，充分水化后，混凝土孔隙水溶液为氢氧化钙饱和溶液，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、自由水蒸发等多种原因，在混凝土内部存在大小不同的毛细

管、

孔隙、气泡等，大气中的二氧化碳通过这些孔隙向混凝土内部扩散，并溶解于孔隙内的液相，在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生碳

化反应，

生成碳酸钙。混凝土碳化的主要化学反应式如下［1］

：Ca （OH ）2+CO 2→CaCO 3+H 2O

3CaO ·2SiO 2·3H 2O +3CO 2→3CaCO 3·2SiO 2

·3H 2O

3CaO ·SiO 2+3CO 2+γH 2O →SiO 2·γH 2O +3CaCO 3

2CaO ·SiO 2+2CO 2+γH 2O →SiO 2·γH 2O +2CaCO 3

文献［2］研究表明，混凝土孔溶液中绝大多数组分为Na +

，

K +和与其保持电性平衡的OH –，Ca 2+含量微乎其微，

Ca （OH ）2大部分是以晶体存在的。当CO 2扩散到混凝土孔溶液，并分别与Na +

，

K +，Ca 2+反应生成Na 2CO 3，K 2CO 3，CaCO 3。由于Na 2CO 3，K 2CO 3溶解度大，孔溶液中的Na +

，K +浓度不会发生变化，除非这些溶液干燥时达到过饱和析

出晶体；而孔溶液中的Ca 2+与CO 2－

3发生反应生成溶解度极低的CaCO 3，并沉积在孔壁表面，导致孔溶

液中Ca 2+

浓度降低，因此Ca （OH ）2晶体继续溶解，并补充孔溶液中失去的Ca 2+

浓度。Ca （OH ）2晶体逐渐溶解而碳化反应过程中CaCO 3晶体逐渐增多，这种循环反应一直进行到Ca （OH ）2晶体完全溶解和消耗为止，此时混凝土pH 值降低，混凝土发生中性化现象。

混凝土孔溶液的pH 值越高，CaCO 3溶解度越小，孔溶液中发生中性化反应之后Ca 2+

的浓度减少

得也越多，

Ca （OH ）2晶体的溶解速度也越快。随着中性化过程的继续，孔溶液的pH 不断降低，

Ca （OH ）2晶体的溶解速度也会减慢，碳化速度相应会有一些降低。

另外，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11.6%［3］

，因

2

02

此，混凝土的毛细孔隙将被碳化产物堵塞，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扩散。另一方面，混凝土碳化使混凝土的pH值降低，完全碳化混凝土的pH 值约为8.5 9.0，使混凝土中的钢筋脱钝。

2影响碳化的主要因素研究

混凝土碳化是一个非常复杂的过程，影响混凝土碳化的因素非常多，这方面的研究主要是围绕环境因素（包括环境相对湿度、温度、空气中CO

2

的浓度等）、混凝土品质（包括水胶比、水泥品种、水泥用量、骨料品种与粒径、外加剂、混凝土强度、施工因素等）两方面来开展的。

对碳化速度产生影响的环境条件主要是环境相

对湿度、温度、空气中CO

2

的浓度。日本学者给出

了CO

2

浓度对碳化速度的影响曲线，并通过快速试

验方法回归给出了CO

2

浓度影响系数。Pa-padakis［4-5］曾通过试验研究得到相对湿度对扩散系数的影响。李果［6］和徐道富［7］对环境温度、相对湿度对混凝土碳化速度的影响进行了试验研究，并建立了考虑环境温、湿度气候条件的混凝土碳化速度预测模型。蒋清野在分析了1981 1996年间国内外碳化资料后认为，碳化速度与相对湿度的关系呈抛物线状。朱安民［8］通过试验研究得出不同相对湿度下混凝土碳化速度的平均比率。

水灰比是影响碳化速度的主要因素之一，很多学者研究了水灰比对混凝土碳化的影响。日本学者岸谷［9］提出了以水灰比为主要参数确定碳化速度的计算公式。Skijolsvold［10］，Ho D．W．S．［11］，Dhir R．K．［12］，方暻等［13］通过试验研究了水灰比对碳化深度（速度）的影响。朱安民［8］、颜承越［14］等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。

水泥品种与用量是影响混凝土碳化速度的另一个主要因素。Dhir R．K．［12］、岸谷［9］、方暻［13］、颜承越［14］等人做过不同水泥品种的混凝土碳化对比试验。Ho D．W．S．［11］，Thomas M．D．A．［15］，Hobbs D．W．［16］，牛建刚［17］等人专门研究过粉煤灰（火山灰）水泥混凝土的碳化问题。Ceukelaire L．D．［18］研究过矿渣水泥混凝土的碳化问题。Sakai E．等人［19］也比较过膨胀水泥混凝土与普通水泥混凝土碳化的异同。龚洛书［1］、Meyer［20］、马文海［21］、张誉等［22］研究过不同水泥用量对碳化深度的影响。

混凝土抗压强度是混凝土最基本的性能指标，Lewis，Smolczyk［23］及前苏联学者［20］通过研究得出碳化深度与抗压强度平方根的倒数成正比的结论。日本学者和泉、中国建筑科学研究院的邸小坛、颜承越［14］得出混凝土碳化深度与抗压强度的倒数成正比。

混凝土施工质量对混凝土的品质有很大影响，混凝土浇筑、振捣不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实性，因此，施工质量对混凝土碳化有很大影响。Dhir［24］，Fattuhi［25］的研究结果表明，养护时间对混凝土碳化速度的影响很大。Na-gatakis［26］，Ewertson［27］等研究了养护方法对混凝土碳化的影响。邸小坛对养护时间对混凝土碳化速度的影响进行了研究并给出修正系数。刘亚芹［28］研究了覆盖层对混凝土碳化速度的影响。

3碳化深度预测模型研究

混凝土碳化深度预测模型一直是结构工程领域研究的热点问题，国内外学者已提出了很多碳化深度预测模型，基本上可以归纳为三种类型。

3．1基于扩散理论的理论模型

前苏联的学者阿列克谢耶夫等人［20］深入研究了混凝土碳化这个多相物理化学过程，得到碳化过程由CO

2

在混凝土孔隙中扩散控制的结论，并由Fick第一扩散定律推导得到了混凝土碳化理论模

型。希腊学者Papadakis等人［5］根据CO

2

及各可碳化物质在碳化过程中的质量平衡条件建立偏微分方程组，经简化求解给出另一种理论模型。两者所用方法不同，但模型最后形式均表明混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。理论模型的优点在于模型的物理意义明确，有理论基础，但其不足之处是模型参数不易确定，不便于工程应用。

3．2基于碳化试验的经验模型

由于理论模型中许多参数很难确定，不便与实际工程应用，因此出现了基于试验和工程实测的经验模型。经验模型大多数是以混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比的基础上，对碳化系数进行研究。由于不同学者考虑的影响因素不同，因此往往得到的计算模型形式是不同的。比较有代表的是日本学者岸谷孝一［9］基于水灰比提出的经验模型，黄士元等［29］考虑水灰比和水泥用量回归给出的碳化深度计算公式，牛荻涛［30］考虑混凝土碳化的随机性，建立的基于混凝土抗压强度的碳化深度预测模型，山东建科院的朱安民［8］给出的考虑水泥品种、粉煤灰、气象条件影响的混凝土碳化深度经验公式，中国建筑科学研究院的邸小坛［31］提出的以混凝土抗压强度标准值为主要参数，考虑环境修正、养护条件修正和水泥品种修正的碳化计算公式等。

3．3基于扩散理论和碳化试验的碳化模型

同济大学张誉等［32］在全面分析混凝土碳化机理和影响因素之后，基于碳化理论分析与试验结果建立了混凝土碳化实用数学模型。蒋利学［33］在数值计算的基础上，提出了混凝土部分碳化区的概念，分析了影响部分碳化区长度的因素，并给出了部分碳化区长度的计算模型。西安建筑科技大学牛建刚等［17］在阿列克谢耶夫模型基础上，考虑粉煤灰对碳化的影响，建立了粉煤灰混凝土碳化深度预测模型。

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2011No.6武俊曦，等：混凝土碳化研究现状