【分享】浅谈水泥混凝土的碳化分析
[摘要] 碳化作用是指大气中CO2 在存在水分的情况下与水泥的水化产物发生化学反应，产生CaCO3、硅胶、铝胶和水的过程。碳化过深会降低混凝土的碱性，影响结构的耐久度。碳化深度主要与水灰比和周围环境有关。阻止碳化应从混凝土本身的品质入手，另外还可借助隔离层将外周介质与混凝土隔离。
混凝土在空气中的碳化是混凝土中性化最常见的一种形式，它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用而产生的一种复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响。同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。因此，分析和研究混凝土碳化机理、影响因素及其控制方法很重要。
1.混凝土碳化机理
1.1 混凝土碳化机理
混凝土加水拌合后，硅酸盐水泥的主要成份水化作用后生成Ca(OH)2，它在水中的溶解度低，少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液，溶液的 pH 值为 12.5～13.5，其余大部分 Ca(OH)2 以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性的储备。空气中的CO2 气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中并与其中的孔隙液所溶解的 Ca(OH)2 进行中和反应。反应产物为 CaCO3 和 H2O，CaCO3 溶解度低，沉积于毛细孔中。该反应式为：
Ca(OH)2+CO2→ CaCO3 ↓+H2O
反应后，毛细孔周围水泥石中的钙矾石补充溶解为Ca2+和OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进来的CO2反应，一直到孔隙液的pH 值降为8.5～9.0 时，这层混凝土的毛细孔中才不再进行这种中和反应，此时即所谓“已碳化”。确切地说，碳化应称为碳酸盐化。另外，凡是能与Ca(OH)2 进行中和反应的一切酸性气体，如SO2、SO3、H2S以至于气相HCl 等，均能进行上述中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化应广义地称为“中性化”。混凝土表层碳化后，大气中的CO2继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散，更深入地进行碳化反应。碳化深度随时间的延长而增大，但是增大速度逐渐减慢。
1.2 碳化对混凝土性能的影响
碳化对混凝土弊多利少，其不利影响首先是减弱了对钢筋的保护作用。这是因为本来混凝土中水化生成大量Ca(OH)2，使钢筋处在碱性环境中表面能生成一层钝化膜（氢氧化亚铁），保护钢筋不受锈蚀。混凝土中钢筋保持钝化状态的最低（临界）碱度是pH 值为11.5，碳化使混凝土的碱度降低，碳化后的混凝土pH值为8.5～9.5，同时，增加混凝土孔隙液中氢离子数量，使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化深度穿透混凝土保护层而达钢筋表面使钢筋处在中性的环境中，在水与空气存在的条件下钢筋开始生锈，钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力。锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝，裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内，从而又加速了碳化和钢筋的锈蚀，形成了一种恶性循环。从很多高速公路分离立交下面就能发现这种状况。另外，碳化作用会增加混凝土的不可逆收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉及抗折能力。
碳化对混凝土的性能也有一些有利的影响，碳化产生的CaCO3 填充了水泥石的孔隙，以及碳化时放出的水分有利于未水化水泥颗粒的进一步水化，从而可提高混凝土碳化层的密实度，对提高抗压强度及抗渗有利，如在预制混凝土基桩就常常利用碳化作用来提高桩的表面质量。
混凝土结构工程施工质量验收规范中规定：在混凝土试件强度评定不合格及结构实体检验中，可采用非破损或局部破损的检测方法，按国家现行有关标准的规定对结构构件中的混凝土强度进行推定。常用的有回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、后装拔出法等，其中最常用的是回弹法。回弹检测混凝土强度是以混凝土的表面硬度来推断混凝土强度的，碳化使混凝土表面的硬度增加，这会给混凝土回弹检测时造成一种假象，所以回弹判定其强度时需要对检测碳化深度进行修正，而回弹法中碳化深度对混凝土强度的推定值影响很大。经有关检测对比数据表明，全国通用测强曲线对部分地区并不完全适用，在进行混凝土结构及构件强度的检验时，为取得比较准确的混凝土的实际强度，应在28d 后尽早进行，即在未碳化或碳化程度很小时进行。
2.影响混凝土碳化的因素
影响混凝土碳化的因素有环境因素、原材料因素、施工操作因素等，影响混凝土碳化的因素主要可以归纳为内因和外因两种。
2.1 内因
2.1.1 水灰比
混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系，混凝土的透气性越小，碳化进行越慢。一般说来，水泥用量一定的时候，水灰比越大碳化越快，水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实，透气性小，因而碳化速度就慢。当水灰比一定的时候，水泥用量越少碳化越快，单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。
2.1.2 水泥品种
一般说来，普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快；掺混合材的水泥碳化速度更快；混合材掺量越大，碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂，可以大大改善混凝土的和易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，使碳化减慢。尤其是加气减水剂，由于抗冻性提高，可以大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。
2.1.3 骨料种类
混凝土中的骨料本身一般比较坚硬、密实，总的说来，天然砂、砾石、碎石比水泥浆的透气性小，因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是，在轻混凝土中，由于轻质骨料本身孔隙多，透气性大，所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来，轻混凝土比普通混凝土碳化快。
2.1.4 外加剂
混凝土中掺加减水剂、引气剂或引气减水剂时，由于可降低水灰比或引入封闭小气泡，故可使碳化速度明显减慢。
2.2 外因
2.2.1 环境因素
因为碳化是液相反应，十分干燥的混凝土一直处于相对湿度低于25% 的空气中，CO2无法结合到水生成H2CO3（碳酸），混凝土很难碳化；在空气湿度50%～75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；但在相对湿度大于95%的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化，这是因为太湿的混凝土含水量大、透气性小，可以隔离CO2 与Ca(OH)2的反应，或者水泥石中的钙离子通过水扩散到表面，碳化生成的CaCO3 把表面孔隙堵塞，所以碳化作用不易进行；在湿度相同时，风速愈高、温度愈高，混凝土碳化也愈快，经研究证明混凝土碳化速度与空气中CO2浓度的平方根大致成正比。
在巢湖地区由于厂矿较多，空气污染较重，空气中二氧化硫含量高，酸雨也较多，另外巢湖周边空气湿度大、风速大，从现场结构检测混凝土的碳化深度看，处于巢湖周边的混凝土碳化发展很快，部分混凝土甚至在未到28天时就能达到1～2mm；某条高速公路在肥东段的一些桥梁和涵洞仅仅使用五六年，混凝土即遭受严重碳化，保护层开裂、剥落，纵筋暴露，锈蚀严重。另外，可以发现梁比柱、受拉区比受压区碳化程度明显严重。主要是由于该地区机动车辆、化工企业较多，导致空气污染严重，周围的CO2浓度特别大，从而导致碳化速度加快。
2.2.2 浇筑与振捣工艺
振捣良好的混凝土表层大孔隙很少，易从潮湿的空气中吸取水分而充满水，故不易碳化；所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。如果混凝土浇筑时不规范，特别是振捣不密实，欠密实的混凝土表层中大孔隙较多，大孔隙无法存储水，CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。
2.2.3 养护质量
混凝土养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如养护方法不当、养护时间不足，就会造成混凝土内部毛细孔道粗大，且大多相互连通，严重时会引起混凝土出现蜂窝、裂缝等缺陷，使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部，从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀。
3.延缓混凝土碳化的措施
（1）选好合适的配合比，适量的外加剂，控制细骨料、粉料用量。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。对于使用江砂的地方，砂的级配不合理，粉料较多，更应选择合适的配合比。混凝土的密实度也是保证工程质量的关键因素，配合比设计时应尽量降低水灰比，采用减水剂，科学地搅拌和运输，及时地养护，确保混凝土的密实性，以减少渗流水量和其它有害物的侵蚀。
（2）在使用时合理选用水泥品种。对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区宜选用抗硫酸盐普通水泥。对普通水泥，可以在水泥用量不变的情况下，再外掺粉煤灰取代部分砂子，或同时掺用粉煤灰及减水剂，即采用“双掺”的技术措施，这样可以提高混凝土的抗碳化能力。
（3）硬化后的混凝土构件可采用抹刷涂层（如环氧基液、聚合物砂浆、涂料）或粘贴面层材料（如贴面砖）的方法。对建筑物地下部分可在其周围设置保护层、用各种溶液浸注混凝土，如用溶化的沥青涂抹。对碳化深度较大的，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，最后以刷环氧基液做涂基保护。
（4）对于钢筋混凝土构件，必须保证有足够的混凝土保护层厚度，以防钢筋易生锈蚀。
4.结束语
通过以上论述，我们可以看出水泥混凝土的碳化是个客观存在的自然现象，是多种因素综合的结果。碳化过深会导致混凝土结构的耐久性降低。影响碳化程度的因素很多，我们不可能完全杜绝碳化，我们只能通过选择合理的材料、配合比、防治措施来控制碳化的发展，以期提高混凝土的耐久性。
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