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(guò)試驗(yàn)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(yīng)后膠結(jié)砂、石子而形成具有一定機(jī)械性能的人造材料。

通常而言，混凝土具有較高的力學(xué)性能，完全可以滿足設(shè)計(jì)性能的要求?；炷帘３中阅芊€(wěn)定的前提是必須保證混凝土體系的堿環(huán)境（pH 約為 12～13），如果混凝土在服役過(guò)程中，由于外界原因，可能導(dǎo)致混凝土體系的 pH 值下降，即混凝土發(fā)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(yīng)而降低混凝土體系的 pH 值，從而導(dǎo)致混凝土中性化的發(fā)生，但在正常的環(huán)境中，二氧化碳濃度遠(yuǎn)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(dǎo)致的混凝土中性化，即常說(shuō)的碳化[1,2]。

總之，混凝土碳化的主要原因是環(huán)境中的二氧化碳與混凝土體系的氫氧化鈣反應(yīng)，導(dǎo)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(huán)境具有一定的二氧化碳濃度是混凝土發(fā)生碳化的前提條件。只有二氧化碳達(dá)到一定的濃度（二氧化碳分壓），才能自發(fā)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。而在通常的環(huán)境下，尤其是城市建筑、路面以及停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)所，其空氣中的二氧化碳濃度通常較高，較易導(dǎo)致混凝土發(fā)生碳化。

2.2 內(nèi)部條件

混凝土發(fā)生碳化的內(nèi)部條件是指混凝土結(jié)構(gòu)自身的密實(shí)度和濕度條件。混凝土自身致密性越高，則二氧化碳向內(nèi)部擴(kuò)散越困難，體系難以發(fā)生碳化?；炷恋闹旅苄耘c配合比有密切的關(guān)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(duì)較低的摻合料，導(dǎo)致混凝土的相對(duì)有效水灰比較大，早期混凝土內(nèi)容易形成大量的空隙，為二氧化碳向內(nèi)部擴(kuò)散提供了通道。研究表明，混凝土的相對(duì)濕度達(dá)到50% 以上足以導(dǎo)致混凝土碳化，而混凝土的毛細(xì)孔內(nèi)的相對(duì)濕度通常在 70% 以上，完全滿足混凝土發(fā)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(fā)生碳化的前提條件，通常情況下，混凝土發(fā)生碳化必須同時(shí)具備外部和內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）降低混凝土體系的 pH 值，使硬化水泥石逐漸發(fā)生解體（C-S-H 分解），導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能下降，甚至達(dá)不到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)，損害混凝土的質(zhì)量。

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

為了保證混凝土的質(zhì)量，必須采取必要措施，有效防止混凝土碳化的發(fā)生。

4 控制混凝土碳化的技術(shù)措施

對(duì)于混凝土碳化的控制，已經(jīng)引起混凝土公司技術(shù)部門(mén)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(zhuān)門(mén)人員對(duì)早齡期的混凝土柱采用人工包裹塑料薄膜的方法來(lái)抑制混凝土的碳化。由于市售的聚合物乳液價(jià)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(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，包裹一根混凝土柱至少 2 人同時(shí)操作，消耗的人力成本較大，同時(shí)受條件限制，超出人身高的部分難以進(jìn)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(shí)際操作過(guò)程中，尤其風(fēng)力較大時(shí)，塑料薄膜容易起鼓，甚至被風(fēng)吹破，大大降低對(duì)二氧化碳的阻隔作用。

（3）塑料薄膜屬于耗材，無(wú)法循環(huán)利用，不僅造成浪費(fèi)，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(duì)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(fā)，將在混凝土表面形成一層膜，從而有效阻隔氣體和水份進(jìn)入混凝土內(nèi)部，提高混凝土的抗碳化能力，同時(shí)能防止其他腐蝕性介質(zhì)進(jìn)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(yōu)點(diǎn)：

（1）操作更方便，只要在實(shí)驗(yàn)室配制一定濃度的 PVA溶液，一個(gè)人用滾筒或毛刷即可操作，亦可用噴霧器直接噴涂，勞動(dòng)強(qiáng)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(fā)后，就會(huì)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(jī)械強(qiáng)度，能夠抵擋風(fēng)吹日曬，而塑料薄膜在風(fēng)吹日曬環(huán)境下容易老化。

（3）此膜可以長(zhǎng)期存在于混凝土表面，起到長(zhǎng)期的保護(hù)效果，且不會(huì)對(duì)混凝土外觀產(chǎn)生任何影響。

6 控制碳化效果對(duì)比

在同等條件下，采用 C30 混凝土試塊進(jìn)行室外自然條件放置，60 天碳化情況如圖 1～4 所示。對(duì)于沒(méi)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(chǎng)上的 PVA，價(jià)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(jià)為 100 元/千克左右，遠(yuǎn)高于 PVA 碳化抑制劑。按照每根混凝土柱使用5 公斤計(jì)算，則 PVA 碳化抑制劑原料成本僅為 2.5 元。由于操作勞動(dòng)強(qiáng)度小，一個(gè)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(shù)效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)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(duì)混凝土碳化的影響及作用機(jī)理[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,(40): 208-212．

[2] 柳俊哲．混凝土碳化研究與進(jìn)展(Ⅰ)——碳化機(jī)理及碳化程度評(píng)價(jià)[ J]．混凝土，2005(11): 10-14．

[3] 鄒濤，李珍，韓煒，等．混凝土表面保護(hù)材料的研究進(jìn)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(jìn)展(Ⅱ)——碳化速度的影響因素及碳化對(duì)混凝土品質(zhì)的影響[J]．混凝土， 2005(12): 10-14．

[5] 殷順湖，許強(qiáng)．混凝土碳化防護(hù)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(mén)外新豐路 16 號(hào)（215003）

徐展（1977—），男，工程師，從事新型建筑材料的生產(chǎn)與研究。