混凝土碳化機(jī)理研究及控制措施分析

李星

摘 要 本文簡(jiǎn)要介紹了混凝土的碳化機(jī)理以及相關(guān)影響因素，并闡述了一些預(yù)防和控制措施。

關(guān)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(zhì)（空氣、土壤、地下水）中含有酸性物質(zhì)，如CO2，SO2，Cl2等，會(huì)滲透到混凝土內(nèi)部與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的pH下降的過(guò)程稱為混凝土的中性化過(guò)程，其中由CO2引起的中性化過(guò)程稱為混凝土的碳化。

1混凝土碳化作用機(jī)理

混凝土的碳化是一個(gè)多相的物理化學(xué)過(guò)程，主要的碳化反應(yīng)過(guò)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(yīng)生成的Na2CO3、K2CO3易溶于水，只要孔溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)，Na+、K+濃度就會(huì)比較穩(wěn)定。由于CO2-3+Ca2+→CaCO3，

且碳酸鈣很難溶于水，反應(yīng)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(huì)下降，與此同時(shí)，Ca（OH）2晶體溶解加快，以維持原溶液中的Ca2+濃度，此循環(huán)過(guò)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(zhì)同時(shí)也在固-液界面上發(fā)生碳化反應(yīng)[1]。

2混凝土碳化的影響因素

從上述混凝土碳化過(guò)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(huán)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(rèn)為，普通硅酸鹽水泥混凝土的抗碳化能力強(qiáng)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(duì)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?yàn)榛炷羶?nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔是CO2的主要擴(kuò)散通道，孔隙率越大則CO2擴(kuò)散通道就越多，CO2擴(kuò)散起來(lái)就越容易，碳化也就越快。

（3）骨料品種和級(jí)配。由不同骨料和級(jí)配配制的混凝土，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，碳化速度有明顯差異。連續(xù)級(jí)配、顆粒粒徑小的骨料，會(huì)使混凝土碳化速率降低。

（4）摻和料。粉煤灰、?；郀t礦渣等活性摻合料能與水泥水化生成的氫氧化鈣起反應(yīng)，消耗了混凝土的堿儲(chǔ)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(shù)外加劑摻入后會(huì)降低混凝土的抗碳化能力。當(dāng)外加劑用于減小水灰比時(shí)，則會(huì)提高混凝土的抗碳化能力?？傊m當(dāng)?shù)耐饧觿┢贩N，可以促進(jìn)混凝土抗碳化性能的改善。

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

2.2 周圍環(huán)境因素

（1）周圍環(huán)境的相對(duì)濕度?；炷恋奶蓟饔弥挥性谶m中的濕度下（50%～70%），才會(huì)較快的進(jìn)行。環(huán)境相對(duì)濕度大于80%甚至達(dá)100%時(shí)，可使混凝土孔隙水處于飽和狀態(tài)，反應(yīng)附加水分無(wú)法向外擴(kuò)散，CO2的擴(kuò)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(guò)低的濕度（25%以下），則孔隙中沒(méi)有足夠的水使CO2生成碳酸，碳化作用也無(wú)法進(jìn)行。

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

（3）環(huán)境溫度。溫度的升高，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔溶液飽和蒸汽壓越高，水分越易蒸發(fā)形成通孔，客觀上加速了CO2的擴(kuò)散，并加速了碳化反應(yīng)。

（4）混凝土的應(yīng)力狀態(tài)?；炷林形⒓?xì)裂縫的存在為CO2滲透創(chuàng)造了有利條件，并加快了碳化速度?；炷恋膬?nèi)應(yīng)力使混凝土內(nèi)部的微細(xì)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(gòu)件在合理的應(yīng)力狀態(tài)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(shí)程度?；炷撩軐?shí)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(yǎng)護(hù)方法與齡期。養(yǎng)護(hù)方法與養(yǎng)護(hù)齡期的不同，使水泥水化程度有所不同，混凝土早期養(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，碳化就會(huì)加快。試驗(yàn)證明，采用蒸養(yǎng)法養(yǎng)護(hù)的混凝土比采用潮濕自然養(yǎng)護(hù)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(duì)混凝土起到美化保護(hù)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(kuò)散進(jìn)入混凝土的CO2數(shù)量大量減少，從而使混凝土的碳化速度大幅降低[2]。

3預(yù)防和控制碳化影響的措施

（1）確定合理的混凝土保護(hù)層厚度，確保在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，混凝土碳化層未達(dá)到鋼筋表面。

（2）在工程施工過(guò)程中優(yōu)先選擇抗碳化能力較強(qiáng)的水泥品種，如快硬早強(qiáng)硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。嚴(yán)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(shí)度的外加劑。

（3）提高混凝土的施工質(zhì)量，加強(qiáng)混凝土振搗及早期養(yǎng)護(hù)，這樣就可以增強(qiáng)混凝土的抗碳化能力。

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

4結(jié)束語(yǔ)

混凝土碳化問(wèn)題已經(jīng)成為混凝土耐久性研究中非常重要的課題之一，通過(guò)對(duì)混凝土碳化機(jī)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(lái)減少碳化作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)的危害。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖爭(zhēng)鳴.水泥工藝技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：53.

[2] 葛新亞.混凝土材料技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：79.