混凝土碳化的机理

混凝土的碳化及其对钢筋腐蚀的影响摘要：本文分析了大气环境中CO2、SO 2 等物质使混凝土发生碳化的作用机理及影响混凝土碳化的主要因素，阐述了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学过程，运用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化对钢筋蚀的影响。关键词：混凝土；碳化；钝化膜；钢筋腐蚀自从1824 年波特兰水泥（又称之为硅酸盐水泥）问世以来，混凝土材料就以其性能优越、施工方便和经济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CO 2、SO2 等外部介质作用下，混凝土结构会逐渐发生碳化，从而导致钢筋腐蚀（锈蚀），其性能产生衰减，混凝土结构的使用寿命往往也没有人们所预想的那样长。根据煤碳部1996 年对部分矿区生产系统的钢筋混凝土结构建筑的调查报告，显示因混凝土碳化造成混凝土中钢筋锈蚀，其钢筋锈蚀深度达20% 以上，结构的可靠度大大降低。因此混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响逐渐引起了结构工程界的重视。

1混凝土的碳化1．1混凝土碳化的作用机理混凝土的碳化是指空气中的CO 2、SO 2 等酸性气体与混凝土中液相的Ca （OH）2作用，生成CaCO和HO的中性化过程。此外水泥石中水化硅酸钙（CSH和未水化的硅酸三钙（GS）及硅酸二钙（GS）也要消耗一定的CO 2气体。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Ca （OH 2和水化硅酸钙（CSH 等物质相互作用，形成CaCQ

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，从而使混凝土碳化。

经过大量的研究表明，混凝土的碳化过程是CO2 气体由表及里向混凝土内部逐渐扩散、反应复杂的物理化学过程，主要的碳化反应方程如下：

Ca （OH ） 2 + H 2O + CC2 ~CaCO3 + 2 H 2O

3CaO・2S iS02 ・3H O2 + 3 CQ —3CaCO a • S iO 2 ・3H 2O

3CaO・2 S iSO 2 H O 2 + nH2O — 3 CaCO ・2 S iO 2 • nH 2O

3CaO-2 S iSO 2 H O 2 + nH2O —2 CaCQ • S iO2 • nH 2O

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，必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH值可以用下式表示：

3

PH = 14 + log 10 [2 X 10 x Ca (OH ) 2 (aq)]

式中Ca (OH ) 2 (aq)―― 表示混凝土内部毛细孔中液态Ca (OH 2的含量。

混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构，对混凝土的化学性能和物理力学性能有着明显的影响。

1．2混凝土碳化的影响因素从混凝土碳化作用机理的阐述中可知，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，即混凝土的渗透性及其Ca (OH) 2 碱性物

质含量的大小。可以说，如果混凝土的孔隙率越小、渗透性越低、密实性越高、Ca (OH )

2 含量越大，则混凝土的抗碳化性能越好；反之，则越差。影响

混凝土密实性及其碱性储备的因素十分复杂，与多种因素有关，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、水泥品种及其用量、混凝土强度等级、骨料级配、外加剂等；环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及CO 2 气体浓度等”施工因素包括混凝土搅拌、振捣和养护条件等。

1．2．1 水灰比的影响。水灰比增加，混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残留在混凝土中，会提高混凝土内部毛细孔的含量，渗透性提高，因此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。

对于普通混凝土，水灰比大小对混凝土碳化的影响可以用下式表述：n = 4.15x W /C-1.03

式中n ——水灰比对混凝土碳化影响系数；

W /C ――混凝土水灰比大小。

图1为几种不同水灰比下的混凝土制作成标准试件，进行混凝土快速碳化试验(快速碳化试验条件：CO 2的浓度为20± 5°C,水泥为普通硅酸盐水泥)，从试验结果中可以看出增加混凝土的水灰比，可以加快混凝土的碳化速度。

1.2.2水泥品种的影响。矿不渣水泥、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SiS2的含量高，水泥水化时，SiO 2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CQ气体的渗透速度有关。经过大量实践可以证明：在相同湿度

情况下，火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CQ气体的渗透速度要比硅酸盐水泥混凝土的渗透速度大。

0 12 3

图2为在水灰比相同、CO2气体浓度相同、空气相对温度和温度相同情况下，几

种混凝土碳化深度的比较, 可见硅酸盐水泥混凝土的碳化深度为最小

123空气相对湿度的影响。混凝土的碳化与混凝土环境的相对湿度有着重要关系。Ca (OH

2与CO 2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，CO 2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%寸，混凝土中的孔

隙被水蒸气的冷凝水所充满，反应产生的水向外扩散和CQ向内渗透的速度大

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CO 2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，因此碳

化反应实际上也无法进行。有资料表明，在相对温度为50%- 70%的条件下，

最有利于促进混凝土的碳化。这就是为何我国内陆地区较沿海地区碳化明显的原因。

图3给出了水灰为0.65，浓度为50%，碳化时间为5天，在不同湿度环境下，混凝土的碳

化深度。

1.2.4空气中CO 2浓度的影响。通常认为，CO2在混凝土中的碳化深度可按下式计算：

Z) = i

式中D ――混凝土碳化深度；

K―― CO 2扩散系数；

C――混凝土表面CO 2的浓度；

t ——混凝土碳化持续时间；