混凝土碳化的影响因素及其控制措施

■林爱萍

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

0 引言

混凝土的强度与耐久性长期以来一直为人们所关注,由于混凝土长期暴露在空气中，容易受到自然界一些有害物质的腐蚀，其耐久性会降低，从而导致混凝土出现碳化的现象。近些年由于我国环境的恶化，二氧化碳的浓度逐年增加，暴露的混凝土与空气中的二氧化碳接触，在发生中性化反应的同时降低了混凝土中的碱性物质，使混凝土碳化，从而加快了混凝土内部钢筋的锈蚀；一些研究报告表明：混凝土碳化使钢筋表层的钝化膜会有脱落现象，钝化膜只要被破坏了就会导致钢筋会出现不用程度的锈蚀。钢筋的锈蚀会使得自身膨胀，附着于表面的保护层脱落，最终导致钢筋变小，自身承载力变小，混凝土整体构件失稳，具有一定的安全隐患[1]。混凝土的碳化最终会导致钢筋保护层剥落，将引起混凝土的使用寿命大幅度下降。所以，如何加强混凝土抗碳能力已经成为了工程界探讨的重要问题。

1 混凝土碳化的机理

国内外的学者经过大量的试验研究和理论分析总结出了混凝土碳化的原因。混凝土碳化主要是指混凝土中存在的碱性物质例如Ca（OH）2与空气中的二氧化碳接触发生了中性化反应，生成了碳酸盐等化学物质，改变了混凝土的组成成分的过程。详见图1。

混凝土中水泥水化后的氢氧化钙与水化硅酸钙是碱性物质的主要成分，见表1[2]。

表1 混凝土中水泥水化后的氢氧化钙与水化硅酸钙的稳定PH值

图1 混凝土碳化和钢筋锈蚀机理图

由表1可知，混凝土中可碳化成分主要是Ca（OH）2，其碳化的化学反应式为：

除此之外，混凝土中硅酸钙水化时也会与空气中的二氧化碳发生化学反应：

相关资料显示：当PH在11以上时，混凝土处于强碱的环境下，二氧化碳等酸性气体不易进入混凝土中破坏钢筋的钝化膜，使得钢筋锈蚀，而产生混凝土碳化。当PH在9.5以下时，钢筋的钝化膜会逐渐遭到破坏，混凝土的碳化会持续加重[3]。

2 混凝土碳化的影响因素

由于空气、土壤和地下水中有着各种各样能影响混凝土碳化的物质，所以混凝土碳化的因素是多方面的，但从混凝土的碳化机理可以知道，自身的密实性及其Ca（OH）2等碱性物质的含量是影响混凝土碳化的最主要原因。其中的材料因素和环境因素以及施工的因素等是最为突出的。

2.1 材料因素

2.1.1 水灰比的影响

混凝土的抗碳性不仅仅是依靠Ca（OH）2的量，在Ca（OH）2固定不变的情况下，二氧化碳的量也将影响着混凝土的碳化。这两者对水泥的水化有着重要的意义。所以二氧化碳在混凝土中的扩散能力是混凝土碳化的一项重要指标。在相同条件下，水灰比值越大，二氧化碳扩散的越快，碳化深度也会越快，但是二者其实并不是呈线性的关系，有研究表明它们存在一定的数学函数关系。山东科技院通过室外的实验得出了混凝土碳化深度与水灰比的关系式：

式中，w为水灰比[4]。

当水灰比从0.4增长至0.8时，二氧化碳在混凝土中的扩散能力将达到10倍，当水灰比超过0.65时，其碳化速度将大大加快，水灰比在0.55以下时，碳化速度将受到一定的抑制，抗碳能力有所加强[5]。

2.1.2 水泥品种的影响

水泥品种的不同选择在单位体积相同条件下，混凝土的碳化速度也是不同的。同等强度水泥与早强水泥相比，抗碳化的性能更差。火山灰配置的混凝土比普通的混凝土抗碳化性能更差。

2.1.3 水泥用量的影响

水泥的用量会影响着混凝土中可碳物质的用量。水泥中含碱量越多，孔溶液中的PH值会越高值，使得部分碳化后的混凝土中CaCO3的沉淀浓度会减少，在一定程度上可以改善混凝土的整体密实性。在其他用量不变时，水泥用量的增加会使得混凝土碳化的速度有所减小。在水泥用量增多的同时，混凝土构件的整体密实度也会随着加大，二氧化碳在混凝土内部的渗透能力将逐渐减小，保证钢筋不会因为混凝土的碳化而进一步锈蚀。

2.1.4 掺合料的影响

混凝土中掺入矿渣、粉煤灰等活性物质的掺和料，过多的活性物质与水泥水化后的氢氧化碳结合，致使碱性物质在混凝土中总量下降，对混凝土的碳化起了加速的作用。粉煤灰混凝土相对于后期而言，早期有着较好的抗碳化能力，但是随着时间的推移，由于粉煤灰与混凝土中的碱性物质发生了化学反应，所以抗碳能力会不如没有掺杂粉煤灰的混凝土。

混凝土中加入了掺和料有着两种不同的作用：一方面，因为加入的掺和料，取代了水泥的部分用量，使得水泥的用量会有所减少，水用量保持固定的情况下，水灰比也会增大，水泥水化反应后的碱储备量会因此减少，导致混凝土的抗碳性能降低；另一方面，掺和料参与了二次水化反应，混凝土的空隙得到有效的填充，混凝土的整体密实性会因此提高。所以粉煤灰的用量必须控制在一定的范围内，才能发挥出最好的性能。

2.1.5 外加剂的影响

外加剂中的活性物质与混凝土有很好的适应性，但是相同的外加剂掺入不同品种的水泥，配制时对混凝土的抗碳能力也可能有不同的结果。适当合理的外加剂，可以与混凝土很好的相结合，使混凝土构件更具有牢固性。一般来说，选用优质的加气剂和缓凝剂可以加强混凝土的工程质量，使混凝土发挥出更优越的性质，从而使碳化反应大大减低。

2.2 环境因素

环境因素主要包括了自然环境和使用环境两个方面。自然环境包括环境相对湿度，室内外温度、应力以及二氧化碳浓度等；使用环境主要指混凝土构件的所能承受的受力水平，受力水平也是通过二氧化碳浓度的高低和碳化的速度来反应混凝土的碳化。

2.2.1 环境相对湿度的影响

相对湿度较高时，混凝土内部的空隙中水分会阻碍甚至停止二氧化碳的扩散，二氧化碳与混凝土的中性化反应受到抑制，从而混凝土的抗碳化性能会提高；相对湿度较低时，混凝土内部会相对畅通，二氧化碳可以顺利的流通，但是此时混凝土的水分欠缺，使得水化反应的效率将变慢，在一定程度上也可以使混凝土的碳化随之减慢。空气中的二氧化碳浓度可以分为室内浓度与室外浓度。一般来说，室内的二氧化碳的浓度会比室外二氧化碳的浓度高，所以室内的混凝土碳化速度会略快。

2.2.2 环境温度的影响

温度的高低也会影响着混凝土的碳化。温度越高，从物理学知识可以知道，离子运动速度加快，二氧化碳的扩散速度也会加快，因而混凝土的抗碳能力降低。一般来说，只要温度上升了10℃，化学反应的速度将提高2倍。但也有部分学者认为温度升高将使得二氧化碳的溶解率降低，使得混凝土的碳化也降低[6]。所以温度高低的对混凝土碳化的影响因素到目前为止还没有得出一个公认的标准。

2.3 施工因素

搅拌、振捣和养护条件等施工因素也是影响着混凝土抗碳化的能力，混凝土的密实性最能体现出混凝土抗碳能力的优良。工程实践表明：在同样的基础条件下，优越的工程质量，使得混凝土的强度更高，整体密实性更好，抗碳的能力越高；反之，劣性的工程质量，会出现很多的裂缝、孔洞，疏松的混凝土，有利于二氧化碳的扩散，发生的化学反应，将使混凝土的碳化加重。养护条件的不同也会使得水泥的水化反应结果不用，水化的程度对混凝土的孔隙体积有着重要的影响，而且孔隙体积的大小又直接影响了混凝土的密实性，所以养护对混凝土有着极其重要的意义。一般来说，普通混凝土的蒸汽养护比一般自然养护的碳化速度高1.5倍[7]。

3 混凝土碳化的预防措施

3.1 严格控制混凝土的制备材料

3.1.1 水灰比的控制

水灰比对混凝土的强度有着重要的影响。一般情况下，用水量参与水泥水化的比例只占了15%左右，多余的水会在水泥硬化后，以蒸汽的形式散发出去，导致混凝土表面会产生许许多多的小孔，通过这些小孔，混凝土的整体密实性会大大降低，导致了混凝土的抗碳性也要降低。但从另一方面来看，不可盲目为提高水泥的强度，而将用水量控制在制备标准以下，这样不仅浪费了水泥，用水量的减少对混凝土的整体和易性也会有影响。保证最优的水灰比，在施工质量方便时，将水灰比控制在0.75以下，水泥水化后的水泥浆浓度不至于过低，胶体与骨料的结合面积不会因为水灰比过大而减小，整体粘结能力下降[8]。所以优化的水灰比能混凝土的抗碳性能有较显著的提升。

3.1.2 优化水泥用量

在水泥选择方面，主要是通过水泥用量以及水泥品种两方面来衡量。水泥用量在我国最小采用的是300kg/m3。水泥的用量涉及到了水灰比的值，目前不同地区不同工程对水灰比的用量也是不尽相同，但有一点是公认的，混凝土自身的强度越高，水灰比就会越低。在混凝土强度等级固定的情况下，选择水泥品种要与之相对应，不可选用强度过高的水泥来减少水泥用量，这样既不符合经济效益也会导致水灰比过高，影响混凝土的抗碳化能力[9]。

3.1.3 优化水泥品种

在水泥品种的选择上，优先选择保水性好，沁水性小的水泥。通过工程的实例证明了，水泥品种标号的选择必须根据不同的工程环境和混凝土的强度指标来判断。其中对于工程环境来说，在相对干燥的环境中优先选择硅酸盐水泥，水泥水化后不易产生裂缝，能较好适应干燥的工程环境。对于相对湿热的环境，则采用粉煤灰矿渣水泥，它不仅保证了水泥早期的水化的强度，对后期水泥的整体密实性也大有帮助。对于需要高强度的混凝土的制备，应选择硅酸盐水泥，虽然硅酸盐水泥的价格较高，但它的标号强度能很好的适应混凝土强度的要求。地下环境中的混凝土，由于地下的酸性物质长期与混凝土紧密接触，影响混凝土的腐蚀，因此需要选择较高的抗腐蚀能力的水泥，火山灰水泥就成为较好的选择。

3.1.4 掺和料的使用

目前我国在工程项目中，混凝土的制备在搅拌时都会有加入一定量的掺和料。掺和料的加入可以适当的减少混凝土中水泥的用量，提高经济效益还可以促进混凝土的优化，提高混凝土的各种性能，例如密实性，和易性和强度等级，防止混凝土到了后期因为内部的腐蚀和开裂，而导致混凝土碳化和坍塌等工程质量问题[10]。混凝土中掺和料根据用途大致可以分为两种，一种是活性的，另外一种是非活性的。对于活性的掺和料来说，它主要是在掺与水泥水化后，能产生一种胶凝材料，胶凝材料会在混凝土中通过水硬性来提高黏结能力，从而提高混凝土的密实性。非活性的掺和料来说，是较为直接的通过增强和易性来保证混凝土的强度。但是其实二者并不是各自执行自己的性能，他们往往都是相辅相成的。在一定的条件下，可以通过转化的形式来增强混凝土的强度等级。大量的实验研究表明：在混凝土中掺入矿渣粉和粉煤灰，可以有效提高混凝土抗氯离子的渗透性。在水胶比较低的情况下，混凝土的密实性得到了显著的提升，混凝土的碳化也会降低[11]。

3.1.5 外加剂的使用

为了适应新型结构的使用要求，提高混凝土的抗碳化能力，人们在混凝土工程中会选择掺入一些外加剂。外加剂并不是以单独一种功能而存在，而是以一种复合型的外加剂共同参与混凝土的工作。混凝土中因为水灰比过大而使混凝土产生碳化的情况下，往往可以通过使用减水剂来加以控制。减水剂是一种活性的材料，在参与混凝土制备的同时，会吸附在其水泥表面，使得水泥颗粒能够因为静电作用而扩散开来，并使混凝土中多余的游离水排除。在保证混凝土质量不变的情况下，减少水灰比，使得混凝土内部不会因为水分的流失而产生过多的孔隙，对混凝土抗碳化能力起了重要作用。在一些特殊的工程环境中，例如在寒冷的条件下，混凝土容易因为冻结而开裂，此时采用一些亚硝酸钠等抗冻剂，可以有效降低冰点，还可以使混凝土更快凝结，但抗冻剂不可以使用太多，太多了会产生离析现象，对结构的美观效果会有所影响。

3.2 提高施工质量

3.2.1 搅拌机的选择

搅拌机可以选用强制式混凝土搅拌机，它的主要优点就是搅拌的效率高、质量好、动力消耗较小。在使用强制式搅拌机时，机械内部的转速不宜过大，否则在磨损的同时，也会使混凝土不能搅拌充分而产生离析现象。但是为了混凝土拌合物的优质均匀，仅仅依靠搅拌机是不够的，还应该有合理的搅拌过程。

3.2.2 搅拌的过程

首先，搅拌时间的长短是影响混凝土密实性的关键因素，在一般情况下，搅拌时间太短，混凝土没有达到充分的反应，内部粘结力降低，强度也降低，对混凝土后期的抗碳性造成很大的影响；反之，搅拌时间太长，不仅跟不上生产的工作效率，而且混凝土容易分层而产生离析现象，对混凝土的和易性也有影响。其次，从投料的顺序来看，在使用强制式搅拌机时，先倒进砂子，而后倒水泥，最后再倒石子，一般先将粗细骨料和水泥先搅拌，再加水一起搅拌，搅拌的过程中，要时刻监督和检查混凝土的质量问题，保证施工的质量。

3.2.3 自然养护

混凝土产生碳化的一部分原因是在于混凝土配制时没有加强养护作用。一般来说，养护作用可以分为自然养护和蒸汽养护。混凝土浇筑完毕后，会因为强度还没有达到充分，水分蒸发得太快，而出现裂缝变形，影响混凝土的强度。采用自然养护中的覆盖浇水，在混凝土浇筑完成之后的10h，对混凝土表面喷洒浇水，浇水的时间间隔一般可以保持在3h一次，如果出现较为干燥的天气，可以适当增加浇水的次数，保持一定的水分，使混凝土不至于在后期充分凝结后出现水分不足。

3.2.4 蒸汽养护

如果在冬季施工，由于温度较低，水泥水化的速度会减慢，这时采用蒸汽养护。升高一定的温度来加快混凝土反应的速度，在混凝土成型后，可以将混凝土放在室内的静停4h后再升温。升温的速度不宜过快，以免以为水分蒸发太多，影响混凝土的密实性，后期再将温度调为恒温，待混凝土达到满足的强度等级，便可以取出使用。经过加强养护后的混凝土在后期会增强强度，混凝土抗碳性也会有一定的保证。

4 混凝土碳化的工程实例

在桥梁、码头和水利工程中，混凝土的碳化尤其常见。据调查，在华南地区的18座海港码头中因碳化而引起的工程破损率高达89%，湛江25万吨级的油码头，仅仅建了7年就因为混凝土的碳化而遭到破坏；对于水利工程来说，据相关调查沧州地区沿海在60至70年代建的大小型水闸和桥梁都无一幸免地承受混凝土碳化带来的破坏。

混凝土碳化的工程实例如图2、图3所示。

图2中，可以看到混凝土碳化非常严重，导致混凝土保护层大面积剥落，混凝土内部的钢筋暴露在空气中，在钝化膜遭到破坏以后，钢筋的锈蚀程度进一步加重，已经危及结构的耐久性和稳定性。

图3中，抗碳化能力较为突出的混凝土，它们都具有一个共同的特点，就是混凝土使用的水泥是硅酸盐水泥，在配置混凝土时水泥的用量也较为富裕，水灰比较低，还掺入了减水剂和引气剂。在施工和养护工程中，保证了混凝土质量良好。

碳化速度很快的工程，需要及时进行防碳化处理，减缓碳化的进一步加重。对于碳化破坏很严重的工程，应及早采取针对性的加固措施，或者拆除碳化部分的混凝土，重新修建，以确保工程的安全运行。

图2 混凝土碳化导致钢筋锈蚀以及混凝土开裂保护层剥落

图3 抗碳化能力较好的混凝土

5 结论

目前混凝土已经是建筑行业最为广泛的使用材料。国内外学者通过了几十年来的精心研究，也对混凝土碳化有了全新的认识，其中材料因素、环境因素和施工因素仍然是公认的影响混凝土碳化的主要因素，混凝土碳化不仅仅为施工带来了难题，最主要的是会给工程埋下安全的隐患，因而，处理混凝土碳化是当前建筑行业刻不容缓的事情，例如降低水泥的水灰比、提高水泥品质和用量、掺入掺和料和外加剂以及施工时加强对混凝土的养护都可以有效控制混凝土碳化。但如何研究出更加出色的防碳化材料和方法依然是工程界的热门问题。

[1]裴雪君.混凝土碳化影响因素分析[J].中国建材科技，2016（01）.

[2]陈树亮.混凝土碳化机理、影响因素及预测模型[J].华北水利水电学院学报，2010（03）.

[3]肖佳,勾成福.混凝土碳化研究综述[J].混凝土,2010,01:40-44+52.

[4]马宝成.碳化对水泥混凝土抗冻耐久性的影响研究[D].北京工业大学,2015.

[5]黄海斌.混凝土碳化的影响因素及其控制措施[J].广东建材,2015,01:22-24.

[6]李果,袁迎曙,耿欧.气候条件对混凝土碳化速度的影响[J].混凝土,2004,11:49-51+53.

[7]罗果.养护条件对复掺矿物掺合料混凝土碳化性能的影响[D].中南大学,2014.

[8]冯浩.混凝土碳化的影响因素及其控制措施[J].中外建筑,2015,08:143-145.

[9]何晓宇,杨超.混凝土碳化的影响因素及其控制措施[J].四川水泥,2015,02:118.

[10]阮炯正,宋晨晓.混凝土掺和料技术[J].中国包装科技博览:混凝土技术,2010（10）:59-61.

[11]欧阳东,吴亭亭.双掺海砂混凝土的性能研究.混凝土,2012,9（275）:123-125.