混凝土碳化分析探討

胡 勝

混凝土碳化分析探討

胡 勝

混凝土的碳化程度與對(duì)混凝土的破壞作用成正比，因此，掌握混凝土的碳化機(jī)理和防控措施在混凝土工程中越來(lái)越引起行業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員的重視。

一、混凝土碳化概念

混凝土的碳化又稱為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過(guò)程中。它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化、使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。混凝土碳化本身對(duì)混凝土并無(wú)破壞作用，其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對(duì)鋼筋起保護(hù)作用的致密氧化膜 (鈍化膜)遭到破壞，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，導(dǎo)致混凝土中鋼筋銹蝕。同時(shí)，混凝土的碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。

混凝土碳化是在潮濕環(huán)境下滲入混凝土體內(nèi)的CO2與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng),降低混凝土中的堿度的過(guò)程。

水泥中的礦物以硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，約占總量的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸鈣凝膠約占總體積的50%，氫氧化鈣約占25%，水泥石的強(qiáng)度主要取決于水化硅酸鈣，在混凝土中水泥石的含量占總體積的25%。

混凝土具有毛細(xì)管——孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這些毛細(xì)管——孔隙包括混凝土成型時(shí)殘留下來(lái)的氣泡，水泥石中的毛細(xì)孔和凝膠孔，以及水泥石和骨料接觸處的孔穴等等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率一般不少于8%～10%。

混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)，生成碳酸鈣等產(chǎn)物。混凝土碳化是由于混凝土存在著孔隙，里面充滿著水分和空氣，在混凝土的氣相、液相、固相中進(jìn)行著一個(gè)十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)連續(xù)過(guò)程。水泥石中各水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在著pH值。

在混凝土的細(xì)孔溶液中，存在較多的是 K+、Na+和與之平衡的 OH-、Ca+2的濃度很低。但是，這樣的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸鹽中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有選擇性地首先沉淀，這是為了補(bǔ)充溶液中Ca+2的不足，固相中的Ca（OH）2溶解。有的學(xué)者指出水與空氣的存在是混凝土發(fā)生碳化的先決條件。

根據(jù)已碳化完了的試件的孔隙壁及內(nèi)部的取樣，測(cè)定其鈣化比得知，碳化反應(yīng)主要發(fā)生在孔隙內(nèi)壁上。水泥的水化產(chǎn)物對(duì)CO2具有吸收與緩沖能力，在該能力喪失之前，碳化反應(yīng)進(jìn)行，直到緩沖能力喪失，CO2氣體再一步向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。所以，碳化是呈階梯狀進(jìn)行的?；炷恋奶蓟Y(jié)果，使凝膠孔和部分毛細(xì)管可能被碳化產(chǎn)物CaCO3等堵塞，混凝土本身的抗?jié)B性和強(qiáng)度會(huì)有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液體中pH值，碳化一旦達(dá)到鋼筋表面，鋼筋就會(huì)因其表面的鈍化膜遭到破壞而銹蝕。鋼筋開(kāi)始銹蝕后，隨后鋼筋徑向膨脹，保護(hù)層順筋開(kāi)裂，最后鋼筋銹蝕加劇直至結(jié)構(gòu)破壞；混凝土碳化破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的表面穩(wěn)定的水化生成物，碳化反應(yīng)生成的碳酸鈣強(qiáng)度較低，從而降低混凝土強(qiáng)度。同時(shí)，混凝土的碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫,從而破壞建筑物。

二、混凝土碳化影響因素

由上可知，混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)這樣一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。所以，混凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴(kuò)散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2氣體的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2氣體的濃度、環(huán)境溫度、濕度等因素影響，所以碳化反應(yīng)受混凝土內(nèi)孔隙溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。具體表現(xiàn)在：

（一）內(nèi)在因素

⒈水泥品種。不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學(xué)成分不同，直接影響著水泥的活性和混凝土的堿度，對(duì)碳化速度有重要影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗?jié)B性，減弱碳化速度，但含氯鹽的防凍、早強(qiáng)劑則會(huì)嚴(yán)重加速鋼筋銹蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制其用量。

⒉骨料品種和級(jí)配。骨料品種和級(jí)配不同，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，直接影響著混凝土的密實(shí)性。材質(zhì)致密堅(jiān)實(shí)，級(jí)配較好的骨料的混凝土，其碳化的速度較慢。

⒊磨細(xì)礦物摻料的品種和數(shù)量。如具有活性水硬性材料的摻料，其不能自行硬化，但能與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的石灰相互作用而形成較強(qiáng)較穩(wěn)定的膠結(jié)物質(zhì)，使混凝土堿度降低。在水灰比不變采用等量取代的條件下，摻料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

⒋水泥用量。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(shí)性；另一方面還可以增加混凝土的堿性儲(chǔ)備，使其抗碳化性能增強(qiáng)，碳化速度隨水泥用量的增大而減少。

⒌水灰比。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(shí)度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害化學(xué)物質(zhì)較多地浸入混凝土體內(nèi)，加快混凝土碳化。

⒍施工質(zhì)量。施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實(shí)，造成混凝土強(qiáng)度低，蜂窩、麻面、空洞多，為大氣中的二氧化碳和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了混凝土的碳化。

⒎養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。混凝土成型后，必須在適宜的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的混凝土，具有膠凝好、強(qiáng)度高、內(nèi)實(shí)外光和抗侵蝕能力強(qiáng)，能阻止大氣中的水分和二氧化碳侵入其內(nèi)，延緩碳化速度。

（二）外界因素

⒈酸性介質(zhì)。酸性氣體（如CO2）滲入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，與水泥石中的氫氧化鈣、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他化合物發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致水泥石逐漸變質(zhì)，混凝土的堿度降低，這是引起混凝土碳化的直接原因。試驗(yàn)研究已證明，混凝土的碳化速度與二氧化碳濃度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系數(shù)隨二氧化碳濃度的增加而加快。

混凝土中鋼筋銹蝕的另一個(gè)重要和普通的原因是氯離子（Cl-）作用。氯離子在混凝土液相中形成鹽酸，與氫氧化鈣作用生成氯化鈣，氯化鈣具有高吸濕性，在其濃度及濕度較高時(shí)，能劇烈地破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生潰燦性銹蝕。

⒉溫度和光照?；炷翜囟润E降，其表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土表面便開(kāi)裂，導(dǎo)致形成裂縫或逐漸脫落，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造了條件，加速混凝土碳化。

陽(yáng)面混凝土溫度較背陽(yáng)面混凝土溫度高，二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)較大，為其與氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件，陽(yáng)光的直接照射，加速了其化學(xué)反應(yīng)和碳化速度。據(jù)檢測(cè)同一結(jié)構(gòu)的背陽(yáng)面的碳化速度是陽(yáng)面的60%～80%。

⒊相對(duì)濕度。周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度直接影響混凝土含水率和碳化速度系數(shù)的大小。過(guò)高的濕度（如100%），使混凝土孔隙充滿水，二氧化碳不易擴(kuò)散到水泥石中，過(guò)低的濕度（如25%），則孔隙中沒(méi)有足夠的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易進(jìn)行；當(dāng)周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度為50%～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度還取決于混凝土的含水量及周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度。實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)下部的碳化程度較上部輕，主要是濕度影響的結(jié)果。

⒋凍融和滲漏。在混凝土浸水飽和或水位變化部位，由于溫度交替變化，使混凝土內(nèi)部孔隙水交替地凍結(jié)膨脹和融解松弛，造成混凝土大面積疏松剝落或產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土碳化。滲漏水會(huì)使混凝土中的氫氧化鈣流失，在混凝土表面結(jié)成碳酸鈣結(jié)晶，引起混凝土水化產(chǎn)物的分解，其結(jié)果是嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度和堿度，惡化鋼筋銹蝕條件。

三、混凝土碳化的防止措施

混凝土碳化有混凝土“癌癥”之說(shuō)，關(guān)鍵是應(yīng)采取防止措施。

（一）設(shè)計(jì)方面

根據(jù)水工建筑物中不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的環(huán)境因素，分別對(duì)混凝土的保護(hù)層采取不同的厚度，應(yīng)盡量避免一律采用2～3cm。

（二）施工方面

⒈限制新拌混凝土氯化物含量。拌和混凝土?xí)r，有可能從拌和水、水泥、細(xì)骨料、粗骨料以及外加劑等材料帶進(jìn)氯離子。對(duì)不接觸氯離子的混凝土，拌和物中的氯離子含量應(yīng)不大于引起鋼筋銹蝕的臨界值。

⒉采用活性摻和料和減水劑技術(shù)。國(guó)內(nèi)外大量研究和工程實(shí)踐證明，摻加適量?jī)?yōu)質(zhì)的粉煤灰，在保證強(qiáng)度等級(jí)與和易性要求的前提下充分潮濕養(yǎng)護(hù)，不僅可以節(jié)能、節(jié)約水泥，降低工程造價(jià)，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、離析帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題，而且可以以火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠體封堵毛細(xì)孔，從而顯著提高對(duì)鋼筋的防護(hù)性能。如果適量取代水泥，甚至外加法或同時(shí)摻加減水劑，以降低其水膠比，則會(huì)取得更好的效果。若以硅粉和硅粉粉煤灰雙摻，其效果要優(yōu)于單摻硅粉劑。

⒊嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。施工質(zhì)量與混凝土耐久性關(guān)系的重要性超過(guò)其他因素。從大量混凝土工程出現(xiàn)碳化看，多出在施工質(zhì)量上，因此，嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格操作規(guī)程、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，是十分必要的。

（作者：黃岡市混凝土協(xié)會(huì)工程技術(shù)專家委員會(huì)委員、羅田金羅建材有限公司實(shí)驗(yàn)室主任）