学文网摘要：混凝土碳化是影响混凝土耐久性的一个重要因素。本文对混凝土碳化的影响因素及其预防措施进行了总结。从混凝土本身的密实度和碱性大小的角度考虑，混凝土的碳化受材料、环境和施工等因素的影响。降低水灰比、优化配合比设计、加强养护和增加保护层厚度可以提高混凝土的抗碳化能力。
关键词：混凝土，碳化，钢筋锈蚀，预防措施
中***分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
空气中CO2渗透到混凝土内，与其碱性物质发生化学反应生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，也可称为中性化[1]，其化学反应为：
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和Ca(OH)2溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜[2]。
碳化本身对混凝土没有破坏作用，其主要危害是由于碳化会降低混凝土的碱度。当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气同时存在的条件下，钢筋开始生锈。钢筋锈蚀产生的体积膨胀将导致钢筋长度方向出现纵向裂缝，并使保护层脱落，进而使得构件的截面减小、承载能力降低，最终将使结构构件破损或者失效[3]。
2 影响混凝土碳化的因素
影响混凝土碳化最主要的因素是混凝土本身的密实度和碱性大小，即混凝土的渗透性及其Ca(OH)2含量。影响混凝土碳化的因素主要分为三个方面：材料因素、环境因素和施工因素。
2.1 材料因素
材料因素包括水灰比、水泥品种与用量、掺合料、外加剂、骨料品种与级配、混凝土表面覆盖层等等，主要通过影响混凝土的碱度和密实性来影响混凝土的碳化速度。
2.1.1 水灰比
水灰比在一定程度上决定了CO2的扩散系数，对混凝土碳化速度影响极大。在水泥用量不变的情况下，水灰比越大，混凝土的内部孔隙率也越大，能够促进CO2的扩散，加速混凝土的碳化。另外，水灰比大会使混凝土孔隙中的游离水增多，一定程度上也有利于碳化反应。研究结果表明[5,6]：当水灰比大于0.65时，碳化深度会急剧加大。
2.1.2 水泥品种与用量的影响
水泥品种决定了单位体积混凝土中可碳化物质的含量。研究表明[6,7]：在相同的试验条件下，不同水泥配置的混凝土的碳化速度大小顺序为：硅酸盐水泥
水泥用量也直接影响到混凝土中可碳化物质的含量。马文海的研究表明[8]：随着水泥用量的增加，混凝土密实度增加，CO2不易向混凝土内部渗透，可以减缓钢筋的锈蚀速度。
2.1.3 掺合料的影响
混凝土中掺入的粉煤灰、矿渣等掺合料与水泥水化后的Ca(OH)2结合，降低混凝土的碱性，进而减弱了混凝土的抗碳化能力。相关研究表明[9]，粉煤灰等量取代水泥越多，混凝土的抗碳化能力下降越大。但是采用超量取代技术，可提高混凝土的抗碳化能力。
2.1.4 外加剂的影响
高效减水剂能够降低混凝土的用水量，改善其和易性，降低混凝土的孔隙率，可以提高混凝土的抗碳化能力。引气剂在混凝土中引入大量的微细气泡。初期引气剂能够使混凝土中的毛细孔形成封闭的气孔，切断毛细管通道，可以在一定程度上抑制混凝土的碳化。但是随着碳化的延续，引气剂在混凝土内部留下的孔隙成为CO2扩散的通道。
2.1.5 骨料的影响
骨料的粒径大小对骨料-水泥浆粘结由很大的影响，而骨料-水泥浆的界面有一个过渡层，过渡层的结构较为疏松、孔隙较多。因此，不同骨料对骨料-水泥浆的过渡层由影响，也会影响CO2的扩散，进而影响混凝土的碳化速率。
2.1.6 混凝土覆盖层的影响
混凝土覆盖层的种类与厚度对混凝土的碳化有着不同程度的影响。气密性覆盖使CO2渗入混凝土的数量减少，可以提高混凝土的抗碳化能力。增加覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度是有效延缓混凝土碳化的手段。
2.2 环境因素
环境因素包括自然环境和使用环境两个方面。其中，自然环境包括环境相对湿度、环境温度、环境应力及CO2浓度等；使用环境主要指混凝土构件的受力状态及应力水平。环境因素主要通过影响CO2的扩散速度及碳化反应速率来影响混凝土碳化速度。
2.2.1 CO2的浓度
根据菲克第一扩散定律可知，CO2的浓度梯度越大，其向混凝土内部扩散的动力也就越大，越容易向混凝土孔隙中扩散。另外，CO2的浓度越大，碳化的反应速率就越大。
2.2.2 相对湿度
环境湿度对混凝土的碳化速率有着较大的影响。湿度较高时，混凝土的含水率较高，孔隙中充满了水，阻碍CO2在混凝土中的扩散，混凝土的碳化速率较慢。湿度较小时，虽然CO2的扩散速度快，但是由于提供反应的溶液较少，碳化速率仍较慢。
2.2.3 温度
对于一般的化学反应而言，温度每升高10℃，反应速率加快2~3倍。随着温度的升高，CO2在混凝土的扩散速度加快，且碳化反应速度加快，加快了混凝土的碳化速度。
2.3 施工因素
施工因素主要是指混凝土的搅拌、振捣和养护条件等，主要通过影响混凝土的密实性来影响混凝土的碳化速度。在实际施工中，混凝土的碳化深度往往比实验室大很多。调查结果表明，施工质量好，混凝土强度较高，密实度就好，其抗碳化能力也较强。相反地，施工质量差，造成混凝土表面不平整，内部有裂缝、蜂窝和空洞等缺陷，增加了混凝土总的扩散路径，加快了混凝土的碳化速度。养护方法和龄期也对混凝土的碳化速度产生一定的影响。
3 混凝土碳化的预防措施
混凝土的密实程度是决定碳化速度的关键因素，提高抗碳化能力主要依靠降低水灰比、加强养护、配合比设计和增加保护层厚度。
（1）在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品种；对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部位宜选高强度水泥。
（2）分析骨料的性质，如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有一定的延缓作用。
（3）选用合适的配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输，及时的养护等各项严格的工艺手段，以减少渗流水量和其它有害物的侵蚀，以确保混凝土的密实性。
（4）增加保护层厚度，可以改善构件的受力钢筋粘结锚固性能、耐久性和防火性能越好。但是，过大的保护层厚度会使构件受力后产生的裂缝宽度过大，就会影响其使用性能。保护层厚度的设计应符合《混凝土结构设计规范》。
若建筑物一旦发生了混凝土碳化，最好采用环氧材料修补。若碳化深度较大，可凿除混凝土松散部分，洗净进入的有害物质，将混凝土衔接面凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填补，最后以环氧基液做涂基保护。
4 结束语
本文着重讨论了混凝土碳化的影响因素及其预防措施，并简述了混凝土碳化的处理方法。影响混凝土碳化的因素包括材料因素、环境因素和施工因素等三个方面。优化混凝土配合比、选用合适的原材料、采用恰当的外加剂，加强混凝土的养护和增加保护层厚度都可以预防混凝土的碳化。
参考文献
[1] 陈数亮. 混凝土碳化机理、影响因素及预测模型[J]. 华北水利水电学院学报,2010,3: 13-23
[2] V G Papadakis, C G Vayenas, M N Fardis. Fundamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation[J]. ACI Material Journal, 1991, 88(4): 363-373
[3] 陈益民, 郭随华, 管宗甫. 高胶凝性水泥熟料[J]. 硅酸盐学报, 2004, 7: 873-879
[4] 蒋利学, 张誉, 刘亚芹, 张雄, 谢华芳, 王劲. 混凝土碳化深度的计算与实验研究[J]. 混凝土, 1994, 4: 12-17
转载请注明出处学文网 » 混凝土碳化的影响因素及其预防措施