混凝土碳化影响因素分析

姬晓龙 张小伟（新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆 乌鲁木齐830011）

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。混凝土的碳化作用是指大气中的二氧化碳在存在水的条件下与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水。因氢氧化钙是碱性的，而碳酸钙是中型，所以碳化又叫中性化。

碳化过程是二氧化碳由混凝土表面向内部逐渐扩散深入。碳化引起水泥石化学组成及组织结构的变化，二氧化碳的作用不仅对水泥石中的氢氧化钙发生反应，而且由于氢氧化钙浓度的降低，将要侵蚀和分解水泥石中所有的水化产物，生成硅胶和铝胶，从而对混凝土的化学性能和物理力学性能产生明显的影响，主要是对混凝土的碱度、强度和收缩产生影响。影响混凝土碳化的因素有很多，先从以下方面进行分析。

1 环境温湿度

混凝土碳化速度受环境相对湿度影响很大。环境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，碳化反应所需水分不足，碳化速度较慢。湿度过大时，混凝土含水率较高，阻碍了CO2在混凝土中的扩散，因此碳化速度也较慢。关于混凝土最快碳化速度的环境相对湿度范围说法不一[1]，一般认为应该在50%~70%之间。我国规范规定的混凝土加速碳化试验的环境相对湿度为70%。

对于混凝土的碳化来说，温度升高将导致CO2气体的扩散速度、离子运动速度和化学反应速度提高，这些都有助于混凝土碳化速度的提高，但同时，温度升高将导致CO2气体溶解度的下降，使混凝土碳化速度下降。同时有人认为[2]，温度变化对混凝土碳化速度的影响并不显著。

2 水灰比

水灰比越大，碳化速度越快。由于CO2的扩散是在混凝土内部的孔隙中进行的，水灰比越大，混凝土内部孔隙率增加，混凝土越不密实，扩散系数提高，加快了碳化速度。颜承越[3]通过长期暴露试验发现混凝土与水灰比之间大致呈线性关系，也有资料表明，碳化深度与水灰比并非呈线性正比关系，而是近似呈指数函数关系。水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量，其吸收量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。增加水泥用量一方面改变混凝土的工作性，提高了混凝土的密实性，另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能大大增强。

施惠生等人对不同水灰比的粉煤灰混凝土进行了研究[4]，结果表明，粉煤灰对于混凝土的抗压强度、气渗性和碳化程度的影响与水灰比有着很大的关系。当低水灰比时，掺加30%粉煤灰的混凝土可以明显改善混凝土的强度，而对气渗性和抗碳化性能没有太大的影响。而当水灰比较高时，粉煤灰混凝土的强度、气渗性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

3 矿物掺合料

普遍认为[5][6]，在混凝土中掺入粉煤灰、矿渣、石灰石粉和硅灰等矿物掺合料具有活性，与Ca(OH)2反应，会降低混凝土的碱度，从而使混凝土抗碳化能力减弱。

P.Sulapha等人分别对掺加矿渣、粉煤灰和硅灰的混凝土进行了实验研究[5]，发现掺加粉煤灰的混凝土比起未掺的混凝土碳化更深。由于掺合料的加入引起的火山灰效应，混凝土中Ca(OH)2量减少，导致碳化速度加快，这在矿渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明显。而掺加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，这是由于硅灰对混凝土的孔结构有密实的作用，而这种作用比起Ca(OH)2含量的降低起到了主导的作用。他同时研究了混凝土抗压强度和碳化性能的关系，发现强度越低，混凝土碳化深度越高，并呈线性关系。

4 养护条件

混凝土早期的养护状况对其碳化过程有较大的影响，养护条件的不同会导致水泥水化程度的不同。一般认为，在早期温度适宜、水分充足的环境下凝固的混凝土，水泥可以得到充分的水化，生成的水泥石更加密实，因早期养护不良而造成水泥水化不充分的混凝土，其表层渗透性增大，更容易碳化。

蔡传国对不同施工条件下混凝土的碳化深度进行了研究[7]，发现在标准养护和薄膜加草袋养护条件下的表面砂浆层由于水化充分，加速碳化后，碳酸钙生成的结晶体发育完整，这将有效堵塞毛细孔，使砂浆层密度加大，延缓碳化速度；而无覆盖养护条件下的表面砂浆层中夹杂着未充分水化的硅酸三钙和硅酸二钙，加速碳化后形成的结晶体有很大一部分是水化硅酸钙水并释放出淡水，这给碳化过程的继续创造了条件。对于混凝土中的大于50nm的毛细孔，大气压力下将产生毛细作用，内部的水离子团可以沿着毛细孔向外蒸发，空气中的CO2则在负压吸力下进入混凝土。同时，室内标准养护和现场薄膜保温保湿试件可以很好地降低50nm以下的毛细孔数量。

5 骨料品种及颗粒级配

一般来说，混凝土中的砂和碎石都不会促进混凝土的碳化，但由于大石子的底部容易产生水泥净浆的离析和沉淀，从而产生细小的裂缝，增加混凝土的渗透性。同时有些硅骨料会与Ca(OH)2发生碱-骨料反应，加快碳化速度。因此，级配良好、大粒径颗粒少及性能稳定、不会发生碱-骨料反应的混凝土骨料对混凝土的抗碳化性能最有利。

骨料的品种和颗粒级配影响混凝土的密实度，从而影响碳化速度。骨料不促进混凝土碳化，在水灰比相同时，使用粒径大的骨料比使用粒径小的骨料容易碳化。这是因为大石子底部容易产生净浆的离析、沉淀，从而增加了渗透性。采用级配合理的集料配制的混凝土，在其成型凝固的过程中更容易紧密结合，有助于提高混凝土的密实度，从而降低碳化速度[8]。

[1]王玉琳.混凝土碳化影响因素研究综述.连云港化工高等专科学校学报.2002,(2).

[2]龚洛书，柳春圃.混凝土的耐久性及其修补[M].北京：中国建筑工业出版社，1990

[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

[4]ShiHui-sheng,XuBi-wan ,ZhouXiao-chen.In uence of mineral admixtures on compressive strength, gas permeability and carbonation of high performance concrete.Construction and Building Materials 23(2009) 1980-1985

[5]P.Sulapha、S.F.Wong、T.H.Wee and S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures.JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING ASCE/ MARCH/APRIL 2003

[6]L.Stevula,J.Madej,J.Kozankova and J.Madejova,Hydration products at the blast furnace slag aggregate–cement paste interface,Cem.Concr.Res.24 (1994),pp.413–423.

[7]蔡传国.混凝土养护方式对碳化深度影响的实验研究.市政技术.第26卷,第2期.2008年3月

[8]何智海,刘运华,白轲,刘江红.混凝土碳化研究进展.材料导报.2008年5月第22卷专辑X.