混凝土碳化机理及预防措施探讨

王志勇， 张松捷

洛阳市吉利区建设局（471012）

0 概述

钢筋混凝土是一种优质的复合材料,它集素混凝土的高抗压强度与钢筋的高抗拉强度于一体。钢筋混凝土的优越性在土木工程中是显而易见的，但是由于种种原因，混凝土的耐久性能往往不足,导致建筑物结构的部分损坏或全部破坏，造成巨大的经济损失。影响混凝土耐久性的因素是多方面的,混凝土的碳化就是其中重要的因素之一。混凝土碳化，会引起钢筋锈蚀，导致其体积膨胀，使混凝土保护层开裂，直至使混凝土剥落，严重的影响了混凝土建筑物的耐久性。因此必须采取相应措施,防止混凝土的碳化或降低碳化速度。

1 碳化机理

硬化的混凝土，由于水泥水化生成Ca(OH)2，故显碱性，pH值在12以上，在这种高碱性的条件下，钢筋表面会自发生成一层致密的氧化膜，牢固地吸附在钢筋表面，使钢筋处于钝化状态而免受腐蚀。当混凝土遭受游离CaCO3等物质，导致其碱性逐渐降低，甚至消失，这种化学反应称为混凝土的碳化。反应主要产物形成过程如下:

当环境处于50%～70%的湿度时碳化速度最快。这个碳化过程是由表及里、由浅入深，逐渐向混凝土内部扩散。表层的混凝土碳化后,侵入的CO2将继续沿着混凝土中的空隙通道向混凝土的深处扩展，直至到达混凝土里钢筋的表面。碳化作用降低了混凝土的碱性,对钢筋的保护膜起破坏作用。当混凝土的pH值＜12时,钢筋的保护膜就不稳定;当pH值＜11.5时，钢筋的钝化膜就会遭到破坏，引起钢筋锈蚀，导致其体积膨胀至基体的2～4倍,所产生的膨胀力将使混凝土保护层开裂。开裂的混凝土由于CO2不断的侵入，碳化更加严重，钢筋锈蚀更加厉害，直至使混凝土剥落，严重的影响了混凝土的耐久性。

2 影响碳化的因素

2.1 水泥用量

水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量,混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。另外，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。因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢，当然水泥用量大会提高工程造价。

2.2 水泥品种

水泥品种不同意味着化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别,直接影响着水泥的活性和混凝土的碱性，对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下砂浆的碳化速度大小顺序为:高炉矿渣水泥＞普通硅酸盐水泥＞早强水泥。

2.3 水灰比

混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。混凝土的水灰比越低，其强度越高，混凝土的密实程度也越高。由于混凝土的碳化是CO2向混凝土内扩散的过程，混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。混凝土碳化的深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca(OH)2含量的影响。水灰比越大,单位水泥用量越小,混凝土单位体积内的Ca(OH)2含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土拌和过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。因此水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。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，碳化速度增大。

2.4 混凝土抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土基本性能指标之一，也是衡量混凝土品质的综合性参数,它与混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在一定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度。骨料品种掺和剂以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。一般来说，混凝土强度高，抗碳化能力强。

2.5 施工质量及养护方法对碳化的影响

施工质量差表现为振捣不密实，养护不善，造成混凝土密实低，蜂窝麻面多，为大气中的二氧化碳、氧和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土养护状况对碳化也有一定影响。混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土渗透性增大，碳化加快。

2.6 外界因素

温度、湿度、光照都是影响碳化的外界因素。混凝土碳化与光照和温度有直接关系。随着温度提高，CO2在空气中的扩散逐渐增大，为其与Ca(OH)2反应提供了有利条件。阳光的直射，加速了其化学反应，碳化速度加快。CO2溶于水后形成H2CO3才能和Ca(OH)2进行化学反应,所以非常干燥时，混凝土碳化无法进行,但由于混凝土的碳化本身既是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。相对湿度在50%～70%之间时，混凝土碳化速度最快。

3 混凝土碳化处理措施

3.1 碳化处理方法

对碳化深度过大，钢筋锈蚀明显，危及结构安全的构件应拆除重建；对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的,应凿除碳化层,粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；对钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈，并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋，防碳化后的结果,要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中。

3.2 防碳化措施

防碳化处理多采用涂料封闭法，主要使用环氧厚涂料、改性环氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料时要考虑涂料与混凝土间的粘结力，涂料是否抗冻、抗晒、抗雨水侵蚀，涂料的收缩、膨胀系数是否与混凝土接近。对于混凝土结构变形缝的缝面处理，水上部分的变形缝可嵌缝膏进行表面封闭；对水下部分的变形缝可采用SBS改性沥青灌注封闭。考虑钢筋混凝土结构有足够的保护层厚度是最常用的保护钢筋不遭锈蚀的一种方法。

4 结语

混凝土的碳化虽然能对混凝土的耐久性产生严重的不良影响，但只要科学施工，严格管理，采取各种措施，预防混凝土的碳化或减慢碳化速度是完全有可能做到的。

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[3]葛燕，朱锡昶等.混凝土中钢筋的腐蚀与阴极保护[M].