混凝土碳化因素探讨及应对措施

2020-12-01冯玉强

商品混凝土 2020年11期

冯玉强

（重庆建研科之杰新材料有限公司，重庆璧山 402760）

0 前言

混凝土浇筑后其工程部位要长期暴露在外界环境中，受到自然界中水汽以及 CO2、SOx等酸性气体侵蚀，使得混凝土结构发生由表及里的反应[1]，生成CaCO3等中性硬化物质，混凝土碱性降低，钢筋钝化膜由于混凝土内部碱性降低发生破坏，进而造成钢筋锈蚀、结构失稳等严重工程问题[2]。碳化后混凝土表层硬度提高[3]，为了综合评价混凝土碳化和强度的关系，在计算回弹强度过程中考虑碳化深度的影响，对于工程参与各方防治碳化起到一定作用。提高混凝土的抗碳化性能，需要对引起混凝土碳化的因素进行梳理，有的放矢，事前预防与事后防治并重。

本文对引起混凝土碳化的原因进行探讨，并提出应对混凝土碳化的相应措施，以期为相关工程从业人员提供参考。

1 混凝土碳化机理

混凝土是多相材料，由胶凝材料、骨料、水、外加剂等组成，其中水泥和矿物掺和料发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石等，在混凝土内部形成碱性环境。当硬化后的混凝土暴露在一定湿度的空气中，空气中的 CO2、SOx等酸性气体会首先与表面的混凝土发生反应，生产碳酸钙，从而使得表面碱度下降。混凝土碳化是由表及里的过程，是缓慢发生的化学反应，主要是 CO2与水泥水化产生的氢氧化钙和水化硅酸钙等发生反应[4]，方程式为：

碳化的本质为酸碱中和反应，使得混凝土体系 pH下降，混凝土内的水化产物要在一定碱度（一般 pH＞12）的环境下保持稳定[5]，当混凝土内部缺陷较多时会加剧碳化速率，使得钢筋保护层遭受破坏，混凝土结构稳定性下降，进而危害工程安全和耐久性。

2 混凝土碳化原因

2.1 原材料因素

混凝土原材料质量的好坏，直接影响到成型后混凝土质量。胶凝材料通过水化反应将骨料紧密结合在一起，因此选用标准稠度低、细度适中的水泥尤为必要。水泥细度增加，需水量增加，且与混凝土外加剂的适应性下降[6]，这就导致水泥水化速率加快，水化产物来不及均匀分布，造成内部孔隙增多，空气中 CO2更容易通过孔隙渗透，破坏混凝土整体结构。粉煤灰和矿粉等火山灰质矿物掺和料加入后会降低单位面积水泥颗粒分布，降低混凝土整体碱度，但适量矿物掺和料的加入又增加了混凝土体系的填充效应[7]，使得混凝土致密度提高。付凯[8]通过试验发现，单掺情况下，矿粉比粉煤灰更能有效抵抗混凝土碳化，矿粉和粉煤灰双掺可以降低混凝土碳化深度。近年来石灰石粉在商品混凝土企业生产掺入日趋增加，石灰石粉可以促进氢氧化钙的消耗，因此石灰石粉增多，混凝土抗碳化能力减弱。

当前机制砂逐步代替天然砂已成为混凝土生产的新特点，机制砂级配、含粉量、MB 值等对混凝土生产有重大影响[9]，机制砂 MB 值过高，对外加剂的吸附增大[10]，且泥粉吸水膨胀，体积稳定性减弱，混凝土极易产生裂缝。含粉量过多会降低混凝土体系碱度[11]，同样对混凝土抗碳化性能带来不利影响。

另外骨料含泥和粒形、外加剂减水率和适应性都会影响混凝土工作性能进而间接影响到混凝土碳化性能。

2.2 混凝土配合比

混凝土配合比设计按照最紧密填充原理进行，在设计配合比时要控制矿物掺和料的用量，注重不同矿物掺和料相互配合产生的协同效应，同时尽量控制混凝土水胶比在合理水平，水胶比低，混凝土浆体粘滞阻力增加，流动性变差，水胶比高时，混凝土极易出现泌水、离析等和易性不良的情况，且水胶比高时，混凝土内部孔隙增多，空气中的 CO2更容易通过渗透进入混凝土内部，从而加速混凝土碳化[12]。设计完配合比后，要进行试配验证，要保证混凝土初始和易性和流动性良好、具有较强的保坍能力，通过选择合适的外加剂适当确保混凝土凝结时间满足要求。

2.3 施工和养护

混凝土出机状态良好是保证混凝土施工性能的第一步，而后续的浇筑、振捣、养护和现场管理等因素对硬化后的混凝土性能至关重要。现场加水是施工现场常见的弊病[13]，这直接导致水胶比增大，混凝土强度下降和内部缺陷增多，要设置合适的振捣频率，过振或欠振都会影响混凝土的均匀分布，尤其是混凝土过振后会导致浆体上浮、骨料下沉，使得碳化通道增多。

养护是浇筑后混凝土质量保证的重要手段，良好的养护能够增加水泥水化产物的生成，提高混凝土密实度，降低混凝土裂缝的发生。良好的养护能够降低混凝土表面与大气的湿度差值，降低 CO2渗透压力[14]。

2.4 环境因素

混凝土发生碳化反应要在适宜的湿度条件下，水中或绝干的环境都不会发生碳化反应。武汉大学马军涛、水中和等人[15]研究发现自然养护条件下混凝土碳化速率加快，欧阳威[16]通过研究发现，在无风潮湿、无风干燥、有风干燥和有风潮湿四种试验条件下，无风潮湿环境条件下混凝土碳化深度最大。

在高温条件下，空气中的 CO2等酸性气体分子运动加快，相应侵入混凝土内部的能力提高，同时混凝土在温度高时内部积聚较多的水化热，易产生微裂纹，这也是促进混凝土碳化速度的原因。

3 混凝土碳化的应对措施

3.1 优选原材料

选择满足要求的原材料是保证混凝土工作性能以及降低混凝土碳化的第一步。当前混凝土生产面临原材料供需矛盾，优质原材料变得昂贵且日趋难以获取，导致劣质砂石等原材料鱼目混珠，用于生产后会带来一系列问题。在机制砂大量应用的地区，混凝土搅拌站要严格控制机制砂的 MB 值、含粉及细度等，以降低原材料波动对外加剂敏感性的影响，降低用水量。

3.2 降低水胶比

水胶比是影响混凝土强度和内部结构性能的重要指标，水胶比过高或过低都会对混凝土的施工性能造成影响。水胶比过低，混凝土料较粘，需要的泵送压力就较大，影响施工进度。水胶比过高，用水量大，混凝土硬化后就会在内部形成较多空隙，水泥水化产物形成较松散堆积，对混凝土强度的支撑减弱。因此，在设计混凝土配合比时，要通过外加剂的辅助作用降低混凝土水胶比。