混凝土的碳化及碳化收縮分析綜述

張博 河南大學土木建筑學院 河南 開封 475004

引言

混凝土建筑物在長期的使用過程中，不可避免地要和外界環境接觸，容易受到大氣中各種腐蝕性介質的侵蝕，其中CO2作為一種酸性氣體，對混凝土的侵蝕用容易導致混凝土發生中性化（碳化），混凝土的碳化是指混凝土內的水泥水化產物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發生化學反應生成CaCO3的過程。碳化使混凝土的堿度降低，混凝土碳化也成中性化。碳化會使混凝土出現碳化收縮裂縫，強度和堿度降低，還會使混凝土中的鋼筋因失去堿性保護而銹蝕，嚴重時會使混凝土保護層沿鋼筋縱向開裂。但混凝土表層碳化生成的碳酸鈣，可減少水泥石的孔隙，對防止有害介質的侵入具有一定的緩沖作用。混凝土除了應具有設計要求的強度，以保證其能安全的承受設計荷載外，還應在長期使用過程中保持其性能穩定，即混凝土的耐久性（混凝土在使用過程中抵抗外界環境作用保持其性能的能力），混凝土耐久性對延長結構使用壽命，減少維修保養費用等具有重要意義。混凝土的碳化與碳化收縮是影響混凝土耐久性的一項重要指標，對于薄壁構件碳化收縮占總收縮的絕大部分。本文針對混凝土的碳化機理、影響因素及預防措施，碳化引起的收縮以及碳化收縮機理等方面展開論述。

1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土內水泥水化產物Ca(OH)2與空氣中的CO2在一定濕度條件下發生化學反應生成CaCO3的過程。混凝土是一種多孔的結構材料,其內部存在著大量的微孔,這些微孔大多通過直接或間接的方式連通。混凝土暴露在空氣中時,空氣中的CO2滲透入混凝土的表面以及微孔中,在有水存在的情況下,與其中的堿性物質Ca(OH)2和C-S-H 凝膠等發生反應,生成CaCO3和H2O. 這一碳化過程是在氣相、液相和固相中進行的一個復雜的多相連續的物理化學過程. 碳化的結果一方面, 生成的CaCO3等固態物質,會堵塞在混凝土孔隙中, 使混凝土的孔隙率下降,大孔減少, 減弱了后續的CO2的擴散,從而提高混凝土的密實度和強度；另一方面,會降低孔隙水中的Ca(OH)2濃度以及pH值,導致鋼筋鈍化膜破壞,引起鋼筋銹蝕。

2 混凝土碳化的影響因素

混凝土的碳化影響因素有很多, 主要的影響因素可以分為以下幾種。

（1）水灰比。水灰比在一定程度上決定了CO2的擴散系數,會影響到混凝土的碳化速率.水灰比是決定混凝土孔結構與孔隙率的主要因素,一般情況下,水灰比增大,混凝土的孔隙率會增大,CO2的擴散系數增加,混凝土的碳化速率加大。

（2）骨料的品種及粒徑。骨料的粒徑大小對水泥漿粘結有很大的影響，水泥漿的界面有一個過渡層,過渡層內結構疏松,孔隙較多。因此，不同骨料，不同的粒徑對界面層有影響, 自然也會影響CO2的擴散，從而對混凝土的碳化速率造成影響。

（3）混凝土摻合料。把粉煤灰摻入普通水泥混凝土中，由于水泥中的熟料量相應的減少了，混凝土吸附CO2的能力也會降低；同時由于粉煤灰混凝土的早期強度比較低,孔結構差，加速了CO2的擴散速度，從而會加快碳化速度。Pagataki研究了砂漿與混凝土中摻加粉煤灰對碳化的影響, 結果表明,粉煤灰摻量為10%,20%,30%的混凝土的碳化速率與不摻粉煤灰混凝土相比,其碳化速率分別提高了1.06,1.13, 1.2倍。

（4）外加劑。混凝土中加了減水劑或者摻引氣劑均能大大降低混凝土的碳化速率。因為減水劑能直接減少用水量；引氣劑能使混凝土中的毛細孔形成封閉的互不連通的氣孔，切斷毛細管的通路，兩者都能使CO2的擴散系數顯著減小。

（5）CO2的濃度。環境中的CO2濃度越大，混凝土內外CO2的濃度梯度就越大，CO2向混凝土內部擴散的動力也就越大，越容易擴散進混凝土孔隙中；同時,CO2的濃度越大,發生碳化的各個反應的反應速度就越大.因此，CO2的濃度也是決定混凝土碳化速率的一個重要因素。一般來講，大氣中的CO2濃度較低，鄉村約為0.03%，城市約為0.04%。碳化速度近似與CO2的平方根成正比。

(6）相對濕度。環境濕度對混凝土的碳化速率有著比較大的影響。濕度較高時，混凝土的含水率較高，微孔中充滿了水，阻礙了CO2氣體在混凝土中的擴散，碳化速率也較慢。在濕度較小即很干燥而CO2濃度又較大的情況下，雖然CO2的擴散較快,但由于提供反應的溶液較少，碳化速率還是較慢。研究表明，相對濕度在70%~80%左右的中等濕度時，碳化速率最快。

3 混凝土的碳化收縮

水泥水化產物Ca(OH)2和C-S-H凝膠與CO2濃度為0.04%的空氣接觸，可以發生不可逆的化學反應，形成CaCO3，釋放出水，并伴隨固相體積減小、質量增加，稱為混凝土的碳化收縮。碳化收縮主要發生在混凝土表層，對于薄壁構件碳化收縮將占總收縮的絕大部分。

4 影響混凝土碳化收縮的因素

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

(2）水灰比。在水泥用量一定的情況下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學物質較多的浸入混凝土體內，加快混凝土碳化。

(3）濕度。碳化作用只在適中的濕度(約為50%)才會較快地進行。這是因為過高的濕度(100%)使混凝土孔隙中充滿了水，CO2不易擴散到水泥石中去，或水泥石中的鈣離子通過水擴散到混凝土表面，碳化生成的CaCO3把表面孔隙堵塞，碳化作用不易進行，故碳化收縮更小；相反，過低的濕度(如25%)，孔隙中沒有足夠的水使CO2形成碳酸，碳化作用也不易進行，碳化收縮相應也很小。

此外，混凝土的碳化收縮還取決于水泥品種、集料品種和級配、CO2濃度和養護質量等。

5 預防混凝土碳化的措施

如何防止混凝土的碳化，下面介紹幾種方法。

(1）提高混凝土的抗滲性。由以上所知，混凝土的碳化與其抗滲性有直接關系。一般說來，混凝土的抗滲性能越好，則混凝土的碳化速度越慢。因此為防止混凝土的碳化，必須提高混凝土的抗滲性。

(2）適當增加鋼筋混凝土保護層的厚度，以延緩二氧化碳等到達鋼筋表面的時間。

(3）表面涂刷防滲層。為防止滲透在混凝土結構表面涂刷抗滲性和耐久性好的有機防滲層材料，在一定程度上可以阻滯空氣的滲透而減慢混凝土的碳化。

(4）在混凝土里摻阻銹劑，這樣也可以防止由于混凝土的碳化而引起的鋼筋銹蝕。

6 結語

對混凝土碳化現象進行分析，掌握其發生所引起的材料的變化規律，有利于解決混凝土的碳化問題，選擇更加合理的材料，采取必要和有效的防護措施，消除或延緩混凝土碳化進程，以保證建筑物在設計基準期內滿足良好的安全和使用要求。同時，通過對混凝土碳化規律以及碳化收縮的研究，能夠為準確預測已有建筑物的剩余使用年限提供必要的理論依據。由此可見，展開混凝土碳化的研究是一項刻不容緩而又具有長遠意義的工作。