混凝土碳化機理及預防措施探討

王志勇， 張松捷

洛陽市吉利區建設局（471012）

0 概述

鋼筋混凝土是一種優質的復合材料,它集素混凝土的高抗壓強度與鋼筋的高抗拉強度于一體。鋼筋混凝土的優越性在土木工程中是顯而易見的，但是由于種種原因，混凝土的耐久性能往往不足,導致建筑物結構的部分損壞或全部破壞，造成巨大的經濟損失。影響混凝土耐久性的因素是多方面的,混凝土的碳化就是其中重要的因素之一。混凝土碳化，會引起鋼筋銹蝕，導致其體積膨脹，使混凝土保護層開裂，直至使混凝土剝落，嚴重的影響了混凝土建筑物的耐久性。因此必須采取相應措施,防止混凝土的碳化或降低碳化速度。

1 碳化機理

硬化的混凝土，由于水泥水化生成Ca(OH)2，故顯堿性，pH值在12以上，在這種高堿性的條件下，鋼筋表面會自發生成一層致密的氧化膜，牢固地吸附在鋼筋表面，使鋼筋處于鈍化狀態而免受腐蝕。當混凝土遭受游離CaCO3等物質，導致其堿性逐漸降低，甚至消失，這種化學反應稱為混凝土的碳化。反應主要產物形成過程如下:

當環境處于50%～70%的濕度時碳化速度最快。這個碳化過程是由表及里、由淺入深，逐漸向混凝土內部擴散。表層的混凝土碳化后,侵入的CO2將繼續沿著混凝土中的空隙通道向混凝土的深處擴展，直至到達混凝土里鋼筋的表面。碳化作用降低了混凝土的堿性,對鋼筋的保護膜起破壞作用。當混凝土的pH值＜12時,鋼筋的保護膜就不穩定;當pH值＜11.5時，鋼筋的鈍化膜就會遭到破壞，引起鋼筋銹蝕，導致其體積膨脹至基體的2～4倍,所產生的膨脹力將使混凝土保護層開裂。開裂的混凝土由于CO2不斷的侵入，碳化更加嚴重，鋼筋銹蝕更加厲害，直至使混凝土剝落，嚴重的影響了混凝土的耐久性。

2 影響碳化的因素

2.1 水泥用量

水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量,混凝土吸收CO2的量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積。另外，增加水泥用量一方面可以改變混凝土的和易性,提高混凝土的密實性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備。因此，水泥用量越大，混凝土強度越高，其碳化速度越慢，當然水泥用量大會提高工程造價。

2.2 水泥品種

水泥品種不同意味著化學成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別,直接影響著水泥的活性和混凝土的堿性，對碳化速度有重要影響。在同一試驗條件下砂漿的碳化速度大小順序為:高爐礦渣水泥＞普通硅酸鹽水泥＞早強水泥。

2.3 水灰比

混凝土的水灰比和強度是兩個密切相關的概念。混凝土的水灰比越低，其強度越高，混凝土的密實程度也越高。由于混凝土的碳化是CO2向混凝土內擴散的過程，混凝土的密實程度越高，擴散的阻力越大。混凝土碳化的深度受單位體積的水泥用量或水泥石中的Ca(OH)2含量的影響。水灰比越大,單位水泥用量越小,混凝土單位體積內的Ca(OH)2含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土拌和過程中，水占據一定的空間，即使振搗比較密實，隨著混凝土的凝固，水占據的空間也會變成微孔或毛細管等。因此水灰比對混凝土的孔隙結構影響極大，控制著混凝土的滲透性。在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，碳化速度增大。

2.4 混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度是混凝土基本性能指標之一，也是衡量混凝土品質的綜合性參數,它與混凝土的水灰比有非常密切的關系，并在一定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度。骨料品種摻和劑以及施工質量與養護方法等對混凝土品質的共同影響。一般來說，混凝土強度高，抗碳化能力強。

2.5 施工質量及養護方法對碳化的影響

施工質量差表現為振搗不密實，養護不善，造成混凝土密實低，蜂窩麻面多，為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創造了條件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土養護狀況對碳化也有一定影響。混凝土早期養護不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。

2.6 外界因素

溫度、濕度、光照都是影響碳化的外界因素。混凝土碳化與光照和溫度有直接關系。隨著溫度提高，CO2在空氣中的擴散逐漸增大，為其與Ca(OH)2反應提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學反應，碳化速度加快。CO2溶于水后形成H2CO3才能和Ca(OH)2進行化學反應,所以非常干燥時，混凝土碳化無法進行,但由于混凝土的碳化本身既是一個釋放水的過程，環境相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化進一步進行。相對濕度在50%～70%之間時，混凝土碳化速度最快。

3 混凝土碳化處理措施

3.1 碳化處理方法

對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結構安全的構件應拆除重建；對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優質涂料封閉；對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的,應鑿除碳化層,粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土；對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋，防碳化后的結果,要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內侵蝕，使其內部和鋼筋一直處在高堿性環境中。

3.2 防碳化措施

防碳化處理多采用涂料封閉法，主要使用環氧厚涂料、改性環氧涂料、丙稀酸涂料等。使用涂料時要考慮涂料與混凝土間的粘結力，涂料是否抗凍、抗曬、抗雨水侵蝕，涂料的收縮、膨脹系數是否與混凝土接近。對于混凝土結構變形縫的縫面處理，水上部分的變形縫可嵌縫膏進行表面封閉；對水下部分的變形縫可采用SBS改性瀝青灌注封閉。考慮鋼筋混凝土結構有足夠的保護層厚度是最常用的保護鋼筋不遭銹蝕的一種方法。

4 結語

混凝土的碳化雖然能對混凝土的耐久性產生嚴重的不良影響，但只要科學施工，嚴格管理，采取各種措施，預防混凝土的碳化或減慢碳化速度是完全有可能做到的。

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[3]葛燕，朱錫昶等.混凝土中鋼筋的腐蝕與陰極保護[M].