混凝土的碳化及碳化收缩分析综述

张博 河南大学土木建筑学院 河南 开封 475004

引言

混凝土建筑物在长期的使用过程中，不可避免地要和外界环境接触，容易受到大气中各种腐蚀性介质的侵蚀，其中CO2作为一种酸性气体，对混凝土的侵蚀用容易导致混凝土发生中性化（碳化），混凝土的碳化是指混凝土内的水泥水化产物Ca(OH)2与空气中的CO2在一定湿度条件下发生化学反应生成CaCO3的过程。碳化使混凝土的碱度降低，混凝土碳化也成中性化。碳化会使混凝土出现碳化收缩裂缝，强度和碱度降低，还会使混凝土中的钢筋因失去碱性保护而锈蚀，严重时会使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂。但混凝土表层碳化生成的碳酸钙，可减少水泥石的孔隙，对防止有害介质的侵入具有一定的缓冲作用。混凝土除了应具有设计要求的强度，以保证其能安全的承受设计荷载外，还应在长期使用过程中保持其性能稳定，即混凝土的耐久性（混凝土在使用过程中抵抗外界环境作用保持其性能的能力），混凝土耐久性对延长结构使用寿命，减少维修保养费用等具有重要意义。混凝土的碳化与碳化收缩是影响混凝土耐久性的一项重要指标，对于薄壁构件碳化收缩占总收缩的绝大部分。本文针对混凝土的碳化机理、影响因素及预防措施，碳化引起的收缩以及碳化收缩机理等方面展开论述。

1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土内水泥水化产物Ca(OH)2与空气中的CO2在一定湿度条件下发生化学反应生成CaCO3的过程。混凝土是一种多孔的结构材料,其内部存在着大量的微孔,这些微孔大多通过直接或间接的方式连通。混凝土暴露在空气中时,空气中的CO2渗透入混凝土的表面以及微孔中,在有水存在的情况下,与其中的碱性物质Ca(OH)2和C-S-H 凝胶等发生反应,生成CaCO3和H2O. 这一碳化过程是在气相、液相和固相中进行的一个复杂的多相连续的物理化学过程. 碳化的结果一方面, 生成的CaCO3等固态物质,会堵塞在混凝土孔隙中, 使混凝土的孔隙率下降,大孔减少, 减弱了后续的CO2的扩散,从而提高混凝土的密实度和强度；另一方面,会降低孔隙水中的Ca(OH)2浓度以及pH值,导致钢筋钝化膜破坏,引起钢筋锈蚀。

2 混凝土碳化的影响因素

混凝土的碳化影响因素有很多, 主要的影响因素可以分为以下几种。

（1）水灰比。水灰比在一定程度上决定了CO2的扩散系数,会影响到混凝土的碳化速率.水灰比是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素,一般情况下,水灰比增大,混凝土的孔隙率会增大,CO2的扩散系数增加,混凝土的碳化速率加大。

（2）骨料的品种及粒径。骨料的粒径大小对水泥浆粘结有很大的影响，水泥浆的界面有一个过渡层,过渡层内结构疏松,孔隙较多。因此，不同骨料，不同的粒径对界面层有影响, 自然也会影响CO2的扩散，从而对混凝土的碳化速率造成影响。

（3）混凝土掺合料。把粉煤灰掺入普通水泥混凝土中，由于水泥中的熟料量相应的减少了，混凝土吸附CO2的能力也会降低；同时由于粉煤灰混凝土的早期强度比较低,孔结构差，加速了CO2的扩散速度，从而会加快碳化速度。Pagataki研究了砂浆与混凝土中掺加粉煤灰对碳化的影响, 结果表明,粉煤灰掺量为10%,20%,30%的混凝土的碳化速率与不掺粉煤灰混凝土相比,其碳化速率分别提高了1.06,1.13, 1.2倍。

（4）外加剂。混凝土中加了减水剂或者掺引气剂均能大大降低混凝土的碳化速率。因为减水剂能直接减少用水量；引气剂能使混凝土中的毛细孔形成封闭的互不连通的气孔，切断毛细管的通路，两者都能使CO2的扩散系数显著减小。

（5）CO2的浓度。环境中的CO2浓度越大，混凝土内外CO2的浓度梯度就越大，CO2向混凝土内部扩散的动力也就越大，越容易扩散进混凝土孔隙中；同时,CO2的浓度越大,发生碳化的各个反应的反应速度就越大.因此，CO2的浓度也是决定混凝土碳化速率的一个重要因素。一般来讲，大气中的CO2浓度较低，乡村约为0.03%，城市约为0.04%。碳化速度近似与CO2的平方根成正比。

(6）相对湿度。环境湿度对混凝土的碳化速率有着比较大的影响。湿度较高时，混凝土的含水率较高，微孔中充满了水，阻碍了CO2气体在混凝土中的扩散，碳化速率也较慢。在湿度较小即很干燥而CO2浓度又较大的情况下，虽然CO2的扩散较快,但由于提供反应的溶液较少，碳化速率还是较慢。研究表明，相对湿度在70%~80%左右的中等湿度时，碳化速率最快。

3 混凝土的碳化收缩

水泥水化产物Ca(OH)2和C-S-H凝胶与CO2浓度为0.04%的空气接触，可以发生不可逆的化学反应，形成CaCO3，释放出水，并伴随固相体积减小、质量增加，称为混凝土的碳化收缩。碳化收缩主要发生在混凝土表层，对于薄壁构件碳化收缩将占总收缩的绝大部分。

4 影响混凝土碳化收缩的因素

(1）水泥用量。增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的工作性，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，使其抗碳化性能增强。

(2）水灰比。在水泥用量一定的情况下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。

(3）湿度。碳化作用只在适中的湿度(约为50%)才会较快地进行。这是因为过高的湿度(100%)使混凝土孔隙中充满了水，CO2不易扩散到水泥石中去，或水泥石中的钙离子通过水扩散到混凝土表面，碳化生成的CaCO3把表面孔隙堵塞，碳化作用不易进行，故碳化收缩更小；相反，过低的湿度(如25%)，孔隙中没有足够的水使CO2形成碳酸，碳化作用也不易进行，碳化收缩相应也很小。

此外，混凝土的碳化收缩还取决于水泥品种、集料品种和级配、CO2浓度和养护质量等。

5 预防混凝土碳化的措施

如何防止混凝土的碳化，下面介绍几种方法。

(1）提高混凝土的抗渗性。由以上所知，混凝土的碳化与其抗渗性有直接关系。一般说来，混凝土的抗渗性能越好，则混凝土的碳化速度越慢。因此为防止混凝土的碳化，必须提高混凝土的抗渗性。

(2）适当增加钢筋混凝土保护层的厚度，以延缓二氧化碳等到达钢筋表面的时间。

(3）表面涂刷防渗层。为防止渗透在混凝土结构表面涂刷抗渗性和耐久性好的有机防渗层材料，在一定程度上可以阻滞空气的渗透而减慢混凝土的碳化。

(4）在混凝土里掺阻锈剂，这样也可以防止由于混凝土的碳化而引起的钢筋锈蚀。

6 结语

对混凝土碳化现象进行分析，掌握其发生所引起的材料的变化规律，有利于解决混凝土的碳化问题，选择更加合理的材料，采取必要和有效的防护措施，消除或延缓混凝土碳化进程，以保证建筑物在设计基准期内满足良好的安全和使用要求。同时，通过对混凝土碳化规律以及碳化收缩的研究，能够为准确预测已有建筑物的剩余使用年限提供必要的理论依据。由此可见，展开混凝土碳化的研究是一项刻不容缓而又具有长远意义的工作。