混凝土的碳化及其控制措施

徐展，陸新，王龍生

（蘇州鼎恩建材科技有限公司，江蘇 蘇州 215003）

混凝土的碳化及其控制措施

徐展，陸新，王龍生

（蘇州鼎恩建材科技有限公司，江蘇 蘇州 215003）

本文介紹了混凝土碳化的原因、條件以及碳化的危害，并介紹了幾種控制混凝土碳化的手段，特別推出一種以水溶性高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）溶液作為混凝土碳化抑制劑。通過試驗確定了 PVA 具有良好的控制混凝土碳化的效果。

混凝土；碳化；聚乙烯醇

1 混凝土碳化的原因

混凝土是由水泥、粉煤灰、礦粉等作為膠凝材料，與水反應后膠結砂、石子而形成具有一定機械性能的人造材料。

通常而言，混凝土具有較高的力學性能，完全可以滿足設計性能的要求。混凝土保持性能穩定的前提是必須保證混凝土體系的堿環境（pH 約為 12～13），如果混凝土在服役過程中，由于外界原因，可能導致混凝土體系的 pH 值下降，即混凝土發生“中性化”。

混凝土碳化又叫混凝土碳酸化，屬于混凝土“中性化”的一種。從廣義上講，任何酸性氣體都可以與氫氧化鈣反應而降低混凝土體系的 pH 值，從而導致混凝土中性化的發生，但在正常的環境中，二氧化碳濃度遠大于其他酸性氣體的含量，在通常情況下主要考慮二氧化碳導致的混凝土中性化，即常說的碳化[1,2]。

總之，混凝土碳化的主要原因是環境中的二氧化碳與混凝土體系的氫氧化鈣反應，導致混凝土體系的 pH 值下降所致。

2 混凝土碳化的條件

2.1 外部條件

混凝土所處的外界環境具有一定的二氧化碳濃度是混凝土發生碳化的前提條件。只有二氧化碳達到一定的濃度（二氧化碳分壓），才能自發向混凝土內部擴散。而在通常的環境下，尤其是城市建筑、路面以及停車場等場所，其空氣中的二氧化碳濃度通常較高，較易導致混凝土發生碳化。

2.2 內部條件

混凝土發生碳化的內部條件是指混凝土結構自身的密實度和濕度條件?；炷磷陨碇旅苄栽礁?，則二氧化碳向內部擴散越困難，體系難以發生碳化?；炷恋闹旅苄耘c配合比有密切的關系，目前的商品混凝土通常大量摻加礦粉、粉煤灰等早期活性相對較低的摻合料，導致混凝土的相對有效水灰比較大，早期混凝土內容易形成大量的空隙，為二氧化碳向內部擴散提供了通道。研究表明，混凝土的相對濕度達到50% 以上足以導致混凝土碳化，而混凝土的毛細孔內的相對濕度通常在 70% 以上，完全滿足混凝土發生碳化的條件[3,4]。

綜上，酸性氣體二氧化碳的存在只是混凝土發生碳化的前提條件，通常情況下，混凝土發生碳化必須同時具備外部和內部條件。外部的二氧化碳濃度在通常情況下是不可控的，即使在現代商品混凝土常用的配合比下，混凝土的早期碳化也難以避免，只有采取其他處理措施，才能有效控制混凝土的碳化。

3 混凝土碳化的危害

混凝土碳化的危害主要表現在以下幾個方面：

（1）降低混凝土體系的 pH 值，使硬化水泥石逐漸發生解體（C-S-H 分解），導致混凝土的力學性能下降，甚至達不到設計的強度等級，損害混凝土的質量。

（2）對于鋼筋混凝土而言，由于碳化使得鋼筋保護膜被破壞，同時碳化也容易使氧氣等易于到達鋼筋表面，而造成鋼筋的電化學腐蝕，嚴重降低鋼筋混凝土的性能[3-5]。

為了保證混凝土的質量，必須采取必要措施，有效防止混凝土碳化的發生。

4 控制混凝土碳化的技術措施

對于混凝土碳化的控制，已經引起混凝土公司技術部門的高度重視，目前采取的措施主要有：在混凝土表面涂抹市售的聚合物乳液或硅酸鈉溶液，或者組織專門人員對早齡期的混凝土柱采用人工包裹塑料薄膜的方法來抑制混凝土的碳化。由于市售的聚合物乳液價格較高，硅酸鈉溶液抑制碳化的效果有限，所以目前采取的最常用手段還是人工包裹熟料薄膜。

但采用人工包裹塑料薄膜的方法也存在一定的弊端：

（1）勞動強度相對較大，包裹一根混凝土柱至少 2 人同時操作，消耗的人力成本較大，同時受條件限制，超出人身高的部分難以進行操作，且效率較低。

（2）塑料薄膜必須緊貼混凝土柱的表面，但在實際操作過程中，尤其風力較大時，塑料薄膜容易起鼓，甚至被風吹破，大大降低對二氧化碳的阻隔作用。

（3）塑料薄膜屬于耗材，無法循環利用，不僅造成浪費，而且造成一定的“白色污染”。

5 成膜型高分子聚合物基混凝土表面碳化抑制劑

我公司嘗試采用一種易成膜的水溶性高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）溶液作為混凝土碳化抑制劑。其基本的作用原理是：PVA 屬于兩親型的水溶性聚合物，對于特定分子鏈段的 PVA 分子，其水溶液具有較大的粘度，將其涂覆到混凝土表面后，隨著水份的蒸發，將在混凝土表面形成一層膜，從而有效阻隔氣體和水份進入混凝土內部，提高混凝土的抗碳化能力，同時能防止其他腐蝕性介質進入混凝土，從而提高混凝土的耐久性。

聚乙烯醇形成的膜具有如下優點：

（1）操作更方便，只要在實驗室配制一定濃度的 PVA溶液，一個人用滾筒或毛刷即可操作，亦可用噴霧器直接噴涂，勞動強度小，且工作效率較高。

（2）聚乙烯醇形成的膜比塑料薄膜更耐久，其在操作階段以溶液形式粘附在混凝土表面，待水份蒸發后，就會在混凝土表面形成一層聚乙烯醇膜，由于此膜是高分子相互作用形成的，具有較好的機械強度，能夠抵擋風吹日曬，而塑料薄膜在風吹日曬環境下容易老化。

（3）此膜可以長期存在于混凝土表面，起到長期的保護效果，且不會對混凝土外觀產生任何影響。

6 控制碳化效果對比

在同等條件下，采用 C30 混凝土試塊進行室外自然條件放置，60 天碳化情況如圖 1～4 所示。對于沒有表面涂覆的混凝土試塊，其碳化深化為 3.0 左右，表面采用硅酸鈉處理的碳化深度為 2.0 左右，表面采用聚合物乳液處理的碳化深度為0.5 左右，而表面采用 PVA 處理的混凝土試塊碳化深度為 0。

圖 1 表面未處理 碳化深度 3.0

圖 2 表面硅酸鈉處理 碳化 2.0

7 成本估算

目前市場上的 PVA，價格約為 10000 元/噸，按照 5% 濃度配制，則一噸 PVA 可配制 20 噸水劑，則一噸制劑的成本為5000 元，即 0.5 元/千克，而市售的聚合物乳液售價為 100 元/千克左右，遠高于 PVA 碳化抑制劑。按照每根混凝土柱使用5 公斤計算，則 PVA 碳化抑制劑原料成本僅為 2.5 元。由于操作勞動強度小，一個人即可操作，效率較高、人工成本低于包裹塑料薄膜，因此采用 PVA 作為混凝土的碳化抑制劑技術效果顯著，具有良好的經濟效益。

圖 3 表面聚合物乳液處理 碳化深度 0.5

圖 4 表面 PVA 處理 碳化深度 0

[1] 石亮，劉建忠，劉加平．聚合物涂層對混凝土碳化的影響及作用機理[J]．東南大學學報，2010,(40): 208-212．

[2] 柳俊哲．混凝土碳化研究與進展(Ⅰ)——碳化機理及碳化程度評價[ J]．混凝土，2005(11): 10-14．

[3] 鄒濤，李珍，韓煒，等．混凝土表面保護材料的研究進展[J]．混凝土，2008( 12): 66-68．

[4] 柳俊哲，呂麗華，李玉順．混凝土碳化研究與進展(Ⅱ)——碳化速度的影響因素及碳化對混凝土品質的影響[J]．混凝土， 2005(12): 10-14．

[5] 殷順湖，許強．混凝土碳化防護材料的研究[J]．建筑石膏與膠凝材料， 2004(11): 54-55．

［通訊地址］江蘇省蘇州市齊門外新豐路 16 號（215003）

徐展（1977—），男，工程師，從事新型建筑材料的生產與研究。