混凝土碳化分析探讨

胡 胜

混凝土碳化分析探讨

胡 胜

混凝土的碳化程度与对混凝土的破坏作用成正比，因此，掌握混凝土的碳化机理和防控措施在混凝土工程中越来越引起行业内工程技术人员的重视。

一、混凝土碳化概念

混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化、使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜 (钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，导致混凝土中钢筋锈蚀。同时，混凝土的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。

混凝土碳化是在潮湿环境下渗入混凝土体内的CO2与水泥石中的Ca（OH）2发生中和反应,降低混凝土中的碱度的过程。

水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总量的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。

混凝土具有毛细管——孔隙结构的特点，这些毛细管——孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和骨料接触处的孔穴等等。此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8%～10%。

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中，再与各水化产物发生碳化反应，生成碳酸钙等产物。混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙，里面充满着水分和空气，在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。水泥石中各水化产物稳定存在着pH值。

在混凝土的细孔溶液中，存在较多的是 K+、Na+和与之平衡的 OH-、Ca+2的浓度很低。但是，这样的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸盐中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有选择性地首先沉淀，这是为了补充溶液中Ca+2的不足，固相中的Ca（OH）2溶解。有的学者指出水与空气的存在是混凝土发生碳化的先决条件。

根据已碳化完了的试件的孔隙壁及内部的取样，测定其钙化比得知，碳化反应主要发生在孔隙内壁上。水泥的水化产物对CO2具有吸收与缓冲能力，在该能力丧失之前，碳化反应进行，直到缓冲能力丧失，CO2气体再一步向混凝土内部扩散。所以，碳化是呈阶梯状进行的。混凝土的碳化结果，使凝胶孔和部分毛细管可能被碳化产物CaCO3等堵塞，混凝土本身的抗渗性和强度会有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液体中pH值，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锈蚀。钢筋开始锈蚀后，随后钢筋径向膨胀，保护层顺筋开裂，最后钢筋锈蚀加剧直至结构破坏；混凝土碳化破坏了混凝土结构的表面稳定的水化生成物，碳化反应生成的碳酸钙强度较低，从而降低混凝土强度。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土产生裂缝,从而破坏建筑物。

二、混凝土碳化影响因素

由上可知，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中，再与各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气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境温度、湿度等因素影响，所以碳化反应受混凝土内孔隙溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。具体表现在：

（一）内在因素

⒈水泥品种。不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。外加剂（减水剂、引气剂）一般均能提高抗渗性，减弱碳化速度，但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀，应严格控制其用量。

⒉骨料品种和级配。骨料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实，级配较好的骨料的混凝土，其碳化的速度较慢。

⒊磨细矿物掺料的品种和数量。如具有活性水硬性材料的掺料，其不能自行硬化，但能与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶结物质，使混凝土碱度降低。在水灰比不变采用等量取代的条件下，掺料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

⒋水泥用量。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，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。

⒌水灰比。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，空气中的水分及有害化学物质较多地浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。

⒍施工质量。施工质量差表现为振捣不密实，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化。

⒎养护质量。混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。

（二）外界因素

⒈酸性介质。酸性气体（如CO2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致水泥石逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究已证明，混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。

混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子（Cl-）作用。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，使钢筋发生溃灿性锈蚀。

⒉温度和光照。混凝土温度骤降，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。

阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了其化学反应和碳化速度。据检测同一结构的背阳面的碳化速度是阳面的60%～80%。

⒊相对湿度。周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50%～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。

⒋冻融和渗漏。在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。

三、混凝土碳化的防止措施

混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，关键是应采取防止措施。

（一）设计方面

根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素，分别对混凝土的保护层采取不同的厚度，应尽量避免一律采用2～3cm。

（二）施工方面

⒈限制新拌混凝土氯化物含量。拌和混凝土时，有可能从拌和水、水泥、细骨料、粗骨料以及外加剂等材料带进氯离子。对不接触氯离子的混凝土，拌和物中的氯离子含量应不大于引起钢筋锈蚀的临界值。

⒉采用活性掺和料和减水剂技术。国内外大量研究和工程实践证明，掺加适量优质的粉煤灰，在保证强度等级与和易性要求的前提下充分潮湿养护，不仅可以节能、节约水泥，降低工程造价，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、离析带来的质量问题，而且可以以火山灰反应生成的水化硅酸钙凝胶体封堵毛细孔，从而显著提高对钢筋的防护性能。如果适量取代水泥，甚至外加法或同时掺加减水剂，以降低其水胶比，则会取得更好的效果。若以硅粉和硅粉粉煤灰双掺，其效果要优于单掺硅粉剂。

⒊严格控制施工质量。施工质量与混凝土耐久性关系的重要性超过其他因素。从大量混凝土工程出现碳化看，多出在施工质量上，因此，严格标准要求，严格操作规程、严格控制施工质量，是十分必要的。

（作者：黄冈市混凝土协会工程技术专家委员会委员、罗田金罗建材有限公司实验室主任）