混凝土碳化機理研究及控制措施分析

李星

摘 要 本文簡要介紹了混凝土的碳化機理以及相關影響因素，并闡述了一些預防和控制措施。

關鍵詞 混凝土;碳化;影響因素;控制措施

前言

在混凝土周圍的介質（空氣、土壤、地下水）中含有酸性物質，如CO2，SO2，Cl2等，會滲透到混凝土內部與混凝土中的堿性物質發生反應，使混凝土的pH下降的過程稱為混凝土的中性化過程，其中由CO2引起的中性化過程稱為混凝土的碳化。

1混凝土碳化作用機理

混凝土的碳化是一個多相的物理化學過程，主要的碳化反應過程如下：

（1）Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O

（2）3CaO2SiO23H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

（3）3CaOAl2O33CaSO432H2O+3H2CO3→3CaCO3+2Al（OH）3+3CaSO4+32H2O

（4）CaOAl2O3CaSO412H2O+3H2CO3→3CaCO3+2Al（OH）3+CaSO4+12H2O

混凝土孔溶液中的主要成分是Na+、K+、Ca2+、OH-，Ca2+含量較少。CO2溶解于孔隙水溶液后形成H2CO3，并離解出H+離子和CO2-3離子，然后CO2-3+2Na+→Na2CO3;CO2-3+2K+→K2CO3，

由前述反應生成的Na2CO3、K2CO3易溶于水，只要孔溶液未達到飽和狀態，Na+、K+濃度就會比較穩定。由于CO2-3+Ca2+→CaCO3，

且碳酸鈣很難溶于水，反應生成的碳酸鈣基本都沉積在孔壁表面，所以孔溶液中的鈣離子濃度會下降，與此同時，Ca（OH）2晶體溶解加快，以維持原溶液中的Ca2+濃度，此循環過程中Ca（OH）2晶體逐漸減少，CaCO3晶體逐漸增多，孔溶液pH值逐漸降低，混凝土漸趨中性化。C-S-H和AFt、AFm等物質同時也在固-液界面上發生碳化反應[1]。

2混凝土碳化的影響因素

從上述混凝土碳化過程的分析中可知，影響混凝土碳化快慢的具體因素有很多，大概可以分為混凝土材料本身的因素、周圍環境因素和施工因素等。

2.1 混凝土材料因素

（1）水泥品種和用量。水泥品種決定著水泥中的各種礦物含量。水泥中混合材料含量越多，碳化速度越快。一般認為，普通硅酸鹽水泥混凝土的抗碳化能力強于粉煤灰水泥和礦渣水泥。水泥用量越大，則水泥水化生成Ca（OH）2的量就越多，混凝土的抗碳化性能就越好。

（2）水灰比。水灰比對混凝土的抗碳化性能影響很大，水灰比越大，則混凝土硬化后的孔隙率越大。因為混凝土內部的氣孔和毛細孔是CO2的主要擴散通道，孔隙率越大則CO2擴散通道就越多，CO2擴散起來就越容易，碳化也就越快。

（3）骨料品種和級配。由不同骨料和級配配制的混凝土，其內部孔隙結構差別很大，碳化速度有明顯差異。連續級配、顆粒粒徑小的骨料，會使混凝土碳化速率降低。

（4）摻和料。粉煤灰、粒化高爐礦渣等活性摻合料能與水泥水化生成的氫氧化鈣起反應，消耗了混凝土的堿儲備，降低了混凝土的抗碳化能力。

（5）外加劑。一般而言，使用外加劑，不改變水灰比，但減少水泥用量，大多數外加劑摻入后會降低混凝土的抗碳化能力。當外加劑用于減小水灰比時，則會提高混凝土的抗碳化能力。總之，適當的外加劑品種，可以促進混凝土抗碳化性能的改善。

（6）混凝土強度。混凝土強度是其密實度和孔隙率的宏觀反應，因此與混凝土的抗碳化性能密切相關。通常情況下，混凝土強度越高，碳化速度越慢。反之，碳化速度則加快。

2.2 周圍環境因素

（1）周圍環境的相對濕度。混凝土的碳化作用只有在適中的濕度下（50%～70%），才會較快的進行。環境相對濕度大于80%甚至達100%時，可使混凝土孔隙水處于飽和狀態，反應附加水分無法向外擴散，CO2的擴散滲透速度將降低或終止，從而使混凝土碳化速度大大降低。而過低的濕度（25%以下），則孔隙中沒有足夠的水使CO2生成碳酸，碳化作用也無法進行。

（2） CO2濃度。環境中CO2濃度越大，CO2越容易擴散進入孔隙，碳化反應速度就越快，一般情況下可認為混凝土的碳化速度與CO2濃度的平方根近似成正比。

（3）環境溫度。溫度的升高，導致混凝土內部孔溶液飽和蒸汽壓越高，水分越易蒸發形成通孔，客觀上加速了CO2的擴散，并加速了碳化反應。

（4）混凝土的應力狀態。混凝土中微細裂縫的存在為CO2滲透創造了有利條件，并加快了碳化速度。混凝土的內應力使混凝土內部的微細裂縫受到了抑制或者使其加重，從而延緩或加快了混凝土的碳化速度。所以，必須使混凝土構件在合理的應力狀態下工作，才能延緩混凝土的碳化。

2.3 施工因素

（1）混凝土密實程度。混凝土密實度低，孔隙率大，蜂窩麻面多，使大氣中的CO2和水分更容易滲入其中，從而加快了混凝土的碳化。

（2）養護方法與齡期。養護方法與養護齡期的不同，使水泥水化程度有所不同，混凝土早期養護不良，水泥水化不充分，碳化就會加快。試驗證明，采用蒸養法養護的混凝土比采用潮濕自然養護的混凝土，碳化速度降低約1.5倍左右。

（3）混凝土覆蓋層。覆蓋層可以對混凝土起到美化保護作用，另外也可以延緩混凝土的碳化。如果覆蓋層氣密性良好，可使擴散進入混凝土的CO2數量大量減少，從而使混凝土的碳化速度大幅降低[2]。

3預防和控制碳化影響的措施

（1）確定合理的混凝土保護層厚度，確保在設計使用年限內，混凝土碳化層未達到鋼筋表面。

（2）在工程施工過程中優先選擇抗碳化能力較強的水泥品種，如快硬早強硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。嚴格控制混凝土的水灰比，可以考慮摻入能降低用水量和提高混凝土密實度的外加劑。

（3）提高混凝土的施工質量，加強混凝土振搗及早期養護，這樣就可以增強混凝土的抗碳化能力。

（4）可以使用防護涂料對混凝土表面進行封閉，防止CO2氣體的侵入，減緩混凝土的碳化作用。另外，對混凝土進行聚合物浸漬也是使其免受CO2氣體作用的有效方法。

4結束語

混凝土碳化問題已經成為混凝土耐久性研究中非常重要的課題之一，通過對混凝土碳化機理的深入分析和研究，我們就可以有的放矢的采取更加有效的措施來減少碳化作用對混凝土結構帶來的危害。

參考文獻

[1] 肖爭鳴.水泥工藝技術[M].北京：化學工業出版社，2006：53.

[2] 葛新亞.混凝土材料技術[M]. 北京：化學工業出版社，2006：79.