环境相对湿度对混凝土碳化的影响

乔永平，陈正，莫林

（1.广西建设工程质量安全监督总站，广西　南宁　530022；2. 广西大学土木建筑工程学院，广西　南宁　530004）

环境相对湿度对混凝土碳化的影响

乔永平1，陈正2，莫林2

（1.广西建设工程质量安全监督总站，广西南宁530022；2. 广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004）

大气环境条件下的混凝土结构、水工混凝土结构和地下混凝土结构的碳化过程存在差异，其原因在于环境相对湿度对混凝土碳化过程的影响。本文总结和分析了环境相对湿度对混凝土孔隙饱和度、混凝土的 CO2扩散系数、碳化化学反应和混凝土碳化评估方法四个方面的影响，对环境相对湿度与混凝土孔隙饱和度和混凝土的 CO2扩散系数的关系模型进行了说明。最后对考虑环境相对湿度的混凝土碳化预测模型进行了综述，在工程应用时，可以根据工程条件选择合适的混凝土碳化模型对不同环境相对湿度条件下混凝土的碳化深度进行预测和分析。

环境相对湿度；混凝土；碳化；扩散系数

0　引言

混凝土碳化是指环境中的二氧化碳进入到混凝土内部，与混凝土中的碱性物质发生中性化反应，生成碳酸钙，造成混凝土碱度下降，破坏混凝土中钢筋表面的钝化膜，引发钢筋锈蚀。环境相对湿度属于碳化影响因子中的环境因素之一，对混凝土碳化有较大影响。混凝土碳化反应需要在液相环境中进行，而这种液相环境正是由环境相对湿度决定的。当环境相对湿度较小时，二氧化碳气体虽然扩散得较快，但在混凝土空隙中，由于湿度小，无法形成有效的碳化场所，所以即使二氧化碳浓度高，碳化反应也较难进行；当环境相对湿度较大时，混凝土孔隙水饱和度较高，二氧化碳在混凝土中的扩散受阻，碳化速率也较慢。因此，大气环境条件下的混凝土结构、水工混凝土结构和地下混凝土结构的碳化过程存在差异。研究环境相对湿度环境条件下混凝土的碳化规律是开展不同环境条件下混凝土结构耐久性分析和设计的基础。

1　环境相对湿度对混凝土碳化机理的影响分析

国内外研究表明[1-3]，环境相对湿度对混凝土碳化机理的影响主要体现在以下四个方面：环境相对湿度对混凝土孔隙饱和度的影响；环境相对湿度对 CO2气体在混凝土中扩散系数的影响；环境相对湿度对碳化化学反应本身的影响；环境相对湿度对混凝土碳化评估方法的影响。

1.1环境相对湿度对孔隙水饱和度的影响

环境相对湿度会对混凝土中的孔隙水饱和度造成影响，从而影响混凝土的碳化。实际上，在这个过程中，孔隙水饱和度会同时影响 CO2的扩散系数而影响混凝土的碳化过程[4]。混凝土孔溶液是混凝土碳化的场所，其液相环境的形成与混凝土所处环境相对湿度直接相关；另外，当环境相对湿度较低时，混凝土内部孔隙水饱和度较小，混凝土处于干燥状态，CO2气体在混凝土中扩散系数就较大，但此时由于反应所需水分不足，碳化反应速率较慢；当环境相对湿度较高时，混凝土内部孔隙水饱和度较大，阻碍 CO2气体的进入，CO2气体在混凝土中扩散系数较小，此时碳化反应速率也较慢。

Steffens[5]提出混凝土的孔溶液中水含量和环境相对湿度RH 的关系如下：

式中：

w——混凝土孔溶液中水含量，kg/m3；

ρw——水的密度，ρw取 1000kg/m3；

ω——20℃ 水的表面张力，mN/m；

ws——混凝土的孔隙饱和时的水含量，kg/m3；

wm、a、b、c、n——材料常数，可利用Levenberg-Marquardt 算法求得。

Bahador 等[6]通过试验研究并建立了混凝土的孔隙饱和度Sf与水灰比 w/c 和环境相对湿度 RH 的关系如下：

基于上述模型，可以计算得到不同环境相对湿度条件下混凝土中的孔隙水饱和度相关参数。

1.2环境相对湿度对混凝土的 CO2扩散系数的影响

Papadakis[7,8]考虑了混凝土孔隙率 εc和相对湿度 RH 两个因素，建立了二氧化碳在混凝土中扩散系数 De，CO2的模型如下：

式中：

εc——已碳化混凝土的孔隙率；

C——混凝土单方水泥用量；

P——单方掺合料用量；

W——单方水用量；

ρc、ρp、ρw——分别为水泥、掺合材料和水的密度。

Khunthongkeaw[9,10]考虑了环境相对湿度，总体孔隙率和平均孔径分布，孔饱和度等因素对二氧化碳传输系数的影响，通过碳化深度测试结果反演算分析得出混凝土内部二氧化碳扩散系数 Dci和暴露面的二氧化碳扩散系数 Dc0：

式中：

n(t)——混凝土总孔隙率 n 和平均孔径 d 随扩散时间 t 的变化情况；

d(t)——平均孔径 d 随扩散时间 t 的变化情况；

η——混凝土骨料影响系数，其值为混凝土中浆体体积占混凝土总体积的比例；

RH(x,t)——不同扩散时间 t 和不同深度 x 处混凝土的环境相对湿度；

Cw(x,t)——不同扩散时间 t 和不同深度 x 处混凝土的孔隙水饱和度。

基于上述模型，可以计算得到不同环境相对湿度条件下混凝土的 CO2扩散系数。

1.3环境相对湿度对碳化化学反应本身的影响

混凝土碳化在物质层面上的体现为混凝土内部的碱性物质和扩散到混凝土内部的二氧化碳气体在有水参与的情况下发生酸碱反应，其化学反应方程[11,12]如下：

从以上反应方程可以看出，混凝土碳化须在有水的环境下才能进行，并且碳化反应本身也会生成水。研究表明[13,14]，当环境相对湿度较小时，混凝土较干燥，无法在孔隙中形成液相环境，碳化反应无法进行；当环境相对湿度较大时，由于碳化反应本身会生成水并释放到混凝土孔隙中，空隙中水含量增大，反应无法继续向右进行，碳化反应变慢；从理论上来说，当环境相对湿度为 50% 时，混凝土碳化反应速率达到最快。

1.4相对湿度对混凝土碳化评估方法的影响

我国测量混凝土碳化深度最常用的方法是酚酞指示剂法[15]，然而，混凝土发生碳化时，其内部存在部分碳化区[16]，酚酞指示剂在混凝土断面上的变色界限存在一个模糊的区域，从而无法精确地评价混凝土碳化程度。环境相对湿度对部分碳化区有决定性的影响，进而影响到碳化的评价。

万朝均等[17]通过对部分碳化区的分析及定义，并开展试验研究了多个因素对混凝土部分碳化区长度的影响，其研究表明，碳化相对湿度越小，部分碳化区越宽。

蒋利学研究表明[18]，当 RH 在 80% 以上时，混凝土基本不出现部分碳化区；当 RH 降至 70% 时，混凝土部分碳化区很小，可以忽略不计；当 RH 降至 60% 时，部分碳化区在整个碳化区中占有一定比例，此时应考虑部分碳化区的影响；当 RH 在 50% 左右时，部分碳化区长度已经超过完全碳化区长度。

相对湿度对部分碳化区造成影响是由碳化反应快慢引起的。当环境相对湿度较高时，混凝土空隙中含水量大，CO2浓度相对降低，碳化反应能及时将扩散进来的 CO2完全反应，部分碳化区也就不明显；当环境相对湿度较低时，CO2浓度相对升高，扩散速度加快，碳化反应无法及时消耗完扩散进来的 CO2而继续向未碳化区扩散，同时，碳化反应区域的碱性物质也没有完全消耗，造成部分碳化区的出现。

2　考虑环境相对湿度影响的混凝土碳化预测模型

希腊学者 Papadakis[19]通过研究混凝土碳化反应方程中各物质的平衡，利用化学动力学的理论研究碳化速率，并提出了物理意义明确的碳化分析模型：

式中：

xc——混凝土的碳化深度，mm；

De——混凝土的二氧化碳扩散系数；

[CO2]0——环境中 CO2的摩尔浓度，mol/m3；

[Ca(OH)2]0、[CSH]0、[C3S]0和[C2S]0——分别为可碳化物质氢氧化钙、水化硅酸钙、硅酸三钙和硅酸二钙的初始摩尔浓度，mol/m3。

牛荻涛[20,21]模型考虑了二氧化碳浓度，环境温度，相对湿度，混凝土抗压强度等多个碳化影响因素，通过试验研究提出了碳化经验模型：

式中：

Kmc——计算模式不定性随机变量；

Kj、KCO2、Kp、Ks——分别为角部、CO2浓度、浇筑面和工作应力修正系数；

T——环境年平均温度，℃；

RH——环境年平均相对湿度，%；

fcu——混凝土立方体抗压强度，是随机变量，MPa；

mc——为混凝土立方体抗压强度平均值与标准值之比值。

张海燕[22]通过试验研究，设定了不同湿度的碳化条件，建立了多因素的碳化模型：

式中：

Kw——室内外混凝土影响系数，室外取 1.0，室内取1.87；

T——环境温度，℃；

RH——环境相对湿度，40%～95% 适用，%；

fcuk——混凝土抗压强度，MPa；

C0——二氧化碳浓度，%。

李果[23]通过开展不同湿度下混凝土碳化试验研究，采用线性回归方法建立了碳化预测模型，该模型考虑了45%～95%环境湿度对混凝土碳化的影响：

式中：

RH——环境相对湿度，45%～95% 适用，%；

T——环境温度，10℃～60℃ 适用，℃；

w/c——混凝土的水灰比；

qCO2——环境二氧化碳浓度，mg/L；

t——碳化时间，h。

从上述模型中可以看出，环境相对湿度 RH 对混凝土的碳化深度有直接影响。在工程应用时，可以根据工程条件选择合适的混凝土碳化模型对不同环境相对湿度条件下混凝土的碳化深度进行预测和分析。

3　结论

环境相对湿度是影响混凝土碳化的关键因素之一，对碳化环境下混凝土的耐久性分析和设计有重要影响。本文总结和分析了环境相对湿度对混凝土孔隙饱和度、混凝土的 CO2扩散系数、碳化化学反应和混凝土碳化评估方法四个方面的影响，对环境相对湿度与混凝土孔隙饱和度和混凝土的 CO2扩散系数的关系模型进行了说明，并对考虑环境相对湿度的混凝土碳化预测模型进行了综述，综述表明，环境相对湿度RH 对混凝土的碳化深度有直接影响。在工程应用时，可以根据工程条件选择合适的混凝土碳化模型对不同环境相对湿度条件下混凝土的碳化深度进行预测和分析。

[1] 刘亚芹，张誉．表面覆盖层对混凝土碳化的影响与计算[J]．工业建筑，1997，27(8)：41-45．

[2] CAHYADI J H．Effect of Carbonation on Pore Structure and Strength Characteristics of Mortar[J]．A dissertation of the University of Tokyo, 1995．

[3] 蒋利学，张誉．混凝土部分碳化区长度的分析与计算[J]．工业建筑，1999，29(1)：4-7．

[4] PAPADAKIS V G，VAYENAS C G，FARDIS M．A reaction engineering approach to the problem of concrete carbonation[J]．AIChE Journal，1989，35(10)：1639-1650．

[5] STEFFENS A，DINKLER D，AHRENS H．Modeling carbonation for corrosion risk prediction of concrete structures [J]．Cement and Concrete Research，2002，32(6)：935-941．

[6] BAHADOR S D，CAHYADI J H．Modelling of carbonation of PC and blended cement concrete[J]．The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering，2009，2(1)：59-67．

[7] PAPADAKIS V G，VAYENAS C G, FARDIS M N．Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation[J]．ACI Materials Journal，1991， 88(4)．

[8] PAPADAKIS V G．Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress[J]．Cement and Concrete Research，2000，30(2)：291-299．

[9] KHUNTHONGKEAW J，TANGTERMSIRIKUL S．Model for simulating carbonation of fly ash concrete[J]．Journal of materials in civil engineering，2005，17(5)：570-578．

[10] KHUNTHONGKEAW J T S，LEELAWAT T．Experimental investigation on carbonation of fly ash concrete[M]．Proceeding 1st National Concrete Conference, Thailand，2003：1-7．

[11] TALUKDAR S，BANTHIA N，GRACE J．Carbonation in concrete infrastructure in the context of global climate change–Part 1: Experimental results and model development [J]．Cement and Concrete Composites，2012，34(8)：924-930．

[12] BURKAN ISGOR O，RAZAQPUR A G．Finite element modeling of coupled heat transfer, moisture transport and carbonation processes in concrete structures [J]．Cement and Concrete Composites，2004，26(1)：57-73．

[13] 蒋清野，王洪深，路新瀛．混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析[R]．攀登计划一钢筋锈蚀与混凝土冻融破坏的预测模型 1997 年度研究报告，1997，12．

[14] PAPADAKIS V，FARDIS M，VAYENAS C．Effect of composition, environmental factors and cement-lime mortar coating on concrete carbonation [J]．Materials and Structures, 1992，25(5)： 293-304．

[15] GB/T 50082－2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[16] 姬永生，张领雷，马会荣，等．混凝土碳化反应区域界定的试验研究及机理分析[J]．建筑材料学报，2012，15(5)：624-628.

[17] 万朝均，张廷雷，陈璐圆，等．粉煤灰水泥石碳化性能的化学分析[J]. 硅酸盐学报, 2012, 40(8): 1102-1111.

[18] 蒋利学，贡春成．混凝土部分碳化区长度的初步分析与计算[J]．工程力学，1997，A02)：103-7．

[19] PAPADAKIS V G．Effect of fly ash on Portland cement systems：Part II．High-calcium fly ash[J]．Cement and Concrete Research，2000，30(10)：1647-1654．

[20] 牛荻涛．混凝土结构耐久性与寿命预测[M]．科学出版社，2003．

[21] 牛荻涛，董振平．预测混凝土碳化深度的随机模型[J]．工业建筑，1999，29(9)：41-45．

[22] 张海燕．混凝土碳化深度的试验研究及其数学模型建立[D]．西北农林科技大学，2006．

[23] 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．2005(11)：49-51．

［通讯地址］广西南宁东葛路 30 号 618 室（530022）

Effect of environmental relative humidity on concrete carbonation

Qiao YongPing1, Chen Zheng2, Mo Lin2
(1.Construction Engineering Quality Supervision Head Station of Guangxi, Nanning530022; 2.School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University, Nanning530004)

There are some differences among concrete structure under atmospheric environment, hydraulic concrete structure, and underground concrete structure for carbonization process，which is due to the influence of the environmental relative humidity on carbonization process. Summarizing and analyzing the impacts of environmental relative humidity on pore saturation in concrete, carbon dioxide diffusion coefficient, chemistry reaction concrete and method of carbonization assessment for concrete, this paper explains the model among environmental relative humidity, pore saturation in concrete, carbon dioxide diffusion coefficient. Lastly, the paper makes a review on the prediction model of concrete carbonation about considering environmental relative humidity. In the process of engineering application, we can choose the appropriate the model of concrete carbonation based on the conditions of engineering, and predict and analyze carbonation depth under the different levels of environmental relevant humidity.

environmental relative humidity; concrete; carbonation; diffusion coefficient

乔永平，高级工程师，工学博士，就职于广西建设工程质量安全监督总站。