混凝土抗碳化性能影响因素及措施浅析

周蓉 王远东 谢超 丁纪壮 吴晓莲

【摘  要】随着大型混凝土建筑物的逐年增加，混凝土耐久性越来越成为人们关注的一项指标。混凝土的碳化会造成混凝土中钢筋被锈蚀，进而造成整个建筑结构的破坏，缩短建筑物的使用寿命。哪些因素会影响混凝土碳化的发展，哪些方法可以降低混凝土碳化的程度以及延缓其发展速度，是论文研究的重点。

【Abstract】With the increase of large-scale concrete buildings， the durability of concrete has become an increasingly concerned index. The carbonization of concrete will cause the steel in the concrete to be corroded， and then cause the destruction of the whole building structure， shorten the service life of the building. Which factors will affect the development of concrete carbonation and which methods can reduce the degree of concrete carbonation and delay its development speed are the focus of this paper.

【关键词】混凝土;碳化;机理;控制

【Keywords】concrete; carbonation; mechanism; control

【中图分类号】TU528                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）09-0179-03

1 引言

水泥混凝土是由水泥作为胶凝材料，石子作为粗骨料，砂子作为细骨料加水按照一定比例拌和而成，经过均匀搅拌、密实成型，养护硬化后形成的具有一定强度、耐久性的人造石材。混凝土作为现代建筑一种非常重要的建筑材料，应用非常广泛，经过多年的研究，混凝土材料已经具有非常高的强度，再通过混凝土包裹其中的钢筋，其抗拉强度也得到了显著提高，这也是现代超高层建筑、超大跨度跨海大桥频频诞生的重要物质支撑。

一直以来，作为混凝土的一个主要质量指标——抗压强度是混凝土发展的主要方向，但是随着建筑物的投入使用，混凝土的耐久性逐渐成为影响混凝土使用品质的另一重要因素，而越来越受到人们的重视。其中，混凝土抗碳化能力就是混凝土耐久性的一个重要指标。

混凝土的碳化是空气中的CO2与水泥石中的水化产物作用而生成碳酸盐的过程。混凝土碳化由表及里缓慢发展，碳化后会在混凝土表层形成一层硬壳，局部强度有所增长，但是却会引起内部钢筋的锈蚀。研究发现，混凝土结构抗碳化能力不足将引起其内部钢筋锈蚀，锈蚀后的钢筋膨胀，导致混凝土开裂，保护层剥落，钢筋断面发生缺损，进而造成混凝土结构耐久性差，缩短建筑物的使用寿命[1]。

2 影响混凝土碳化的因素分析

2.1 材料因素

①水的影响。

水对混凝土碳化性的影响一方面表现在用水量上。在拌合过程中，为保证混凝土的流动性，用水量往往比水泥水化反应时的必须用水量多，这些自由水在后期蒸发散失后在混凝土内部就会留下孔隙，空气中的CO2从这些进入混凝土内部，引起混凝土的碳化，碳化发生后产生的裂缝又使得空气中的CO2进入混凝土更深层次的内部，如此循环就造成了碳化深度的逐渐增加。我们用水胶比来表示就是水胶比越小，混凝土结构的孔隙率就越小，密实度就越大，从而使CO2的扩散速度以及碳化速度减小[2]。

水对混凝土碳化性的另一影响就是水的成分。通过对西安地区自来水的调查发现，西安地区自来水pH在8左右，呈弱碱性，这一成分对于混凝土碳化性的影响是正向的。而某些地区的水呈弱酸性，或者沿海地区水中含有很多盐类，钢筋一旦接触到这类水会加速其锈蚀，为此，提高混凝土密实程度、抗碳化性就成为影响其耐久性的重要指标。

②水泥的影响。

从水泥的用量上来看，一定程度地提高水泥用量并且控制水胶比可以减慢混凝土碳化的速度。

從水泥的品种上来看，不同种类的水泥，其碳化发展的情况也并不相同，矿渣硅酸盐水泥（P·S）、火山灰质硅酸盐水泥（P·P）、粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）抗碳化能力较差，因此，这3种水泥不适用于CO2浓度较高的环境。在相同条件下，不同水泥制成的砂浆按碳化速度由快至慢排序如下：矿渣硅酸盐水泥（P·S）、火山灰质硅酸盐水泥（P·P）、粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）>普通硅酸盐水泥（OPC）>早强水泥[3]。

③粗细骨料及其级配。

粗骨料本身较密实但因其颗粒较大，周围容易出现水泥的离析以及残留气泡，进而引起混凝土碳化，较好的级配可以减弱此项影响;细骨料不会有以上问题，但由于其自身的多孔透气性，也会引起混凝土碳化。

④其他掺合料。

粉煤灰与矿粉。由于其高强、质轻、透水的优点，是混凝土常用的掺合料，尤其随着龄期的增长，粉煤灰内部孔隙由化合物填充，碳化速率明显下降，研究发现粉煤灰混凝土的抗碳化性能随着粉煤灰掺量的增加而下降，复掺粉煤灰和矿渣粉可大大改善混凝土的抗碳化性能[4]。

轻骨料。轻骨料掺入混凝土中能发挥吸返水效应，在材料内部有效形成内养护效果，致使轻骨料周围水泥石日趋密实，阻碍CO2侵入试件内部，且轻骨料混凝土水泥相对用量较高、水胶比小，造成全轻与次轻骨料混凝土抗碳化性优于普通混凝土[5]。

⑤混凝土抗压强度。

混凝土抗压强度越大，结构越致密，碳化反应深度越小。

2.2 环境因素

①环境湿度。

CO2溶于水之后与Ca（OH）2发生化学反应，碳化产生，因此，在潮湿的环境下碳化作用才能进行和发展。研究发现，相对湿度在50%～70%时碳化速率最快。

②环境温度。

化学反应的速度会随温度的升高而加快，随着正午阳光的直射，温度的升高，加快了CO2溶解的速度，碳化反应的速率也随之加快。

③环境中CO2浓度。

环境中CO2浓度越高，碳化速度和深度越大。研究发现，混凝土碳化深度与CO2浓度的平方根成正比[6]。

2.3 施工条件

施工时严格按照设计施工，选用合适的配合比以及正确的施工方法可以减缓碳化的程度。混凝土浇筑之后要进行振捣，以排除空气，增加混凝土密实度，减少混凝土内部与外界连接的通道，隔绝空气进入，减小混凝土碳化深度。工程实践表明，施工质量优良的混凝土产品，密实程度更高，抗碳化性能更好。施工质量差的混凝土产品，尤其产品表面有麻面、裂缝等病害的混凝土结构，空气中的CO2已经具有进入混凝土结构内部的通道，那么在一般的环境条件下，碳化的速度以及深度的发展将会大大增加。

2.4 养护条件

混凝土中水泥水化反应的过程是需要在一定湿度和温度条件下缓慢进行的，其化合物的生成过程特点各有不同，但都伴随着水分的减少而放出热量。为保证这一过程的顺利进行以及防止混凝土干缩裂缝的出现，需要通过一些措施保证环境温度及湿度，就是通常所说的养护工作。养护时为了保证湿度，在施工现场可以给混凝土表面铺覆盖层，通过间断地给覆盖层洒水以保证混凝土表面的潮湿，这一过程一般由经验掌控洒水的间隔时间以及洒水的多少，例如，蒸发量大时1小时洒1次水，蒸发量小时2小时洒1次水。在环境温度比较低时，覆盖层除了可以保持水分，还可以起保温的作用，但效果有限。这是现浇混凝土工程一直都存在的难题，而预制混凝土则可以采用蒸汽养护、养护池养护等措施，就可以将温度、湿度等养护条件控制得更为精确、更为合适，因此，预制混凝土构件的强度更稳定均匀，更能得到保障已经成为共识，现在这一情况也反映在了混凝土碳化性能上，以下实验可以说明此问题。

①试验过程。

课题组经过反复讨论计算，对各种影响混凝土碳化的因素进行了综合的考虑，最后决定进行不同养护条件下混凝土碳化性能试验。

课题组经过反复试验，根据设计强度与坍落度指标设计了配合比、在采用相同的材料、相同的拌和方法制备了100mm×100mm×100mm试样5组，然后采取不同的养护方法进行养护：

试样一：标准养护28天。

试样二：标准养护7天，同条件自然养护至28天。

试样三：标准养护14天，同条件自然养护至28天。

试样四：同条件自然养护28天。

试样五：涂抗碳化剂并同条件自然养护28天。

养护完成后将每组试样进行封蜡处理，只留一个面进行碳化试验。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快速碳化试验，将试样放入混凝土碳化试验箱进行快速碳化，碳化箱中CO2浓度为20%±3%、温度（20±2）℃ 、湿度70%±5%，碳化结束后给试样喷涂酚酞无水乙醇溶液，显色后用游标卡尺精确测量碳化深度值，每个面测定10个点碳化深度。

②试验结果与讨论。

通过试验结果可以看出：

第一，不同的养护条件下混凝土碳化的发展情况并不相同，其中标准养护后的混凝土碳化较非标准养护的混凝土碳化发展缓慢。

第二，混凝土碳化发生时间较集中于养护中后期，因此，标准养护7天、14天后的混凝土碳化发展较为相近。

第三，涂抗碳化剂可以很好地抑制混凝土碳化作用的发展。

第四，标准养护试样碳化后强度最高，涂抗碳化剂也可以很好地保持强度，而同条件养护后强度下降最快。

3 减小混凝土碳化性的措施

3.1 控制用水量

选用合适的配合比以及加减水剂以降低拌和用水量，降低用水量之后，混凝土中的自由水减少，混凝土更密实，空气中的CO2不易进入从而防止混凝土的碳化发展，提高混凝土的耐久性。

3.2 选用合适的水泥品种

不同建筑物所处的位置不同，甚至同一建筑物的不同部位其环境温度、湿度、空气中CO2的含量情况差异很大，必须根据建筑物使用环境来选用合适的水泥标号、品种。另外，各地在拌合混凝土时一般选用当地生产的水泥，水泥生产的原料一般也在当地选取，所以各地生产的水泥在成分上会略有不同，在选用水泥时也应把此变量考虑在内，以排除水泥成分变化对碳化性的不利影响。

3.3 选用合适的骨料以及掺合料

在骨料的选用上，為减小粗骨料四周的孔隙，应控制骨料的级配以获得较大的密实度，减小混凝土碳化的发展，而对于细骨料则可以考虑选用中砂加一定量的页岩陶粒类的轻骨料来改善细骨料内部孔隙多的问题，从而阻止混凝土碳化的发展。而在掺合料方面，研究表明，混凝土中仅仅添加粉煤灰对其抗碳化性的正向影响较小，而粉煤灰与矿渣按一定比例复掺则可大大改善混凝土碳化性能。

3.4 采用科学合理的施工方法

在配合比设计时充分考虑混凝土耐久性指标，减小设计用水量以提高混凝土抗碳化性。施工时严格按照配合比施工，规范施工过程，充分振捣排除气泡。

3.5 加强养护

上述试验已经说明混凝土碳化的发展与养护有着非常紧密的关系，在实际工程中，由于养护不合理而造成混凝土开裂后CO2从裂缝进入混凝土内部后造成：碳化发生—强度降低—混凝土开裂—碳化发展—结构破坏这样恶性循环的案例比比皆是。因而在工程中应该重视养护工作，为混凝土硬化提供合适的温度以及湿度，必要时可以延长养护时间，推迟拆模。

3.6 抗碳化剂的使用以及钢筋表面涂层

上述试验表明抗碳化剂的使用可以有效降低混凝土表面碳化的深度，另外，在钢筋表面涂防锈层，延长钢筋锈蚀时间，也间接抵抗了混凝土碳化带来的危害。

综上，影响混凝土碳化的因素有材料因素、环境因素、施工条件、养护条件及其他因素，如表2所示。

4 结语

混凝土碳化作为混凝土耐久性的一项重要指标，已经在工程建设中产生了长远的影响，作为一个不利因素，应该通过各种措施来控制碳化在深度以及时间上的发展，但混凝土碳化后，早期会在混凝土表层形成一个硬壳，表现出来混凝土强度的局部增加，因此，碳化性对混凝土强度的影响在一定程度上来说是正向的。

【参考文献】

【1】候忠.混凝土碳化的影响因素及其控制措施[J].四川水利发电，2011（12）：184-188.

【2】池永，姜国华.混凝土碳化的影响因素及应对措施[J].建筑材料及应用，2009（8）：178-179.

【3】王春芬，牛荻涛，董振平.保护层混凝土的耐久性研究[J].工业建筑，2006，36（4）：65-68.

【4】朱艳芳，王培铭.大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究[J].建筑材料学报，1999，2（4）：319-323.

【5】姚韦靖，庞建勇，刘雨姗.轻骨料混凝土抗碳化性能及微结构分析[J].长江科学院院报，2021，38（4）：138-143.

【6】龚洛书.混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京：中国建筑工业出版社，1990.