混凝土碳化影響因素分析

姬曉龍 張小偉（新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊830011）

混凝土碳化，會引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致其體積膨脹，使混凝土保護(hù)層開裂，直至使混凝土剝落，嚴(yán)重的影響了混凝土建筑物的耐久性。混凝土的碳化作用是指大氣中的二氧化碳在存在水的條件下與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣和水。因氫氧化鈣是堿性的，而碳酸鈣是中型，所以碳化又叫中性化。

碳化過程是二氧化碳由混凝土表面向內(nèi)部逐漸擴(kuò)散深入。碳化引起水泥石化學(xué)組成及組織結(jié)構(gòu)的變化，二氧化碳的作用不僅對水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，而且由于氫氧化鈣濃度的降低，將要侵蝕和分解水泥石中所有的水化產(chǎn)物，生成硅膠和鋁膠，從而對混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響，主要是對混凝土的堿度、強度和收縮產(chǎn)生影響。影響混凝土碳化的因素有很多，先從以下方面進(jìn)行分析。

1 環(huán)境溫濕度

混凝土碳化速度受環(huán)境相對濕度影響很大。環(huán)境相對濕度的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小。濕度較小時，碳化反應(yīng)所需水分不足，碳化速度較慢。濕度過大時，混凝土含水率較高，阻礙了CO2在混凝土中的擴(kuò)散，因此碳化速度也較慢。關(guān)于混凝土最快碳化速度的環(huán)境相對濕度范圍說法不一[1]，一般認(rèn)為應(yīng)該在50%~70%之間。我國規(guī)范規(guī)定的混凝土加速碳化試驗的環(huán)境相對濕度為70%。

對于混凝土的碳化來說，溫度升高將導(dǎo)致CO2氣體的擴(kuò)散速度、離子運動速度和化學(xué)反應(yīng)速度提高，這些都有助于混凝土碳化速度的提高，但同時，溫度升高將導(dǎo)致CO2氣體溶解度的下降，使混凝土碳化速度下降。同時有人認(rèn)為[2]，溫度變化對混凝土碳化速度的影響并不顯著。

2 水灰比

水灰比越大，碳化速度越快。由于CO2的擴(kuò)散是在混凝土內(nèi)部的孔隙中進(jìn)行的，水灰比越大，混凝土內(nèi)部孔隙率增加，混凝土越不密實，擴(kuò)散系數(shù)提高，加快了碳化速度。顏承越[3]通過長期暴露試驗發(fā)現(xiàn)混凝土與水灰比之間大致呈線性關(guān)系，也有資料表明，碳化深度與水灰比并非呈線性正比關(guān)系，而是近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量，其吸收量等于水泥用量與混凝土水化程度的乘積。增加水泥用量一方面改變混凝土的工作性，提高了混凝土的密實性，另一方面還可以增加混凝土的堿性儲備，使其抗碳化性能大大增強。

施惠生等人對不同水灰比的粉煤灰混凝土進(jìn)行了研究[4]，結(jié)果表明，粉煤灰對于混凝土的抗壓強度、氣滲性和碳化程度的影響與水灰比有著很大的關(guān)系。當(dāng)?shù)退冶葧r，摻加30%粉煤灰的混凝土可以明顯改善混凝土的強度，而對氣滲性和抗碳化性能沒有太大的影響。而當(dāng)水灰比較高時，粉煤灰混凝土的強度、氣滲性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

3 礦物摻合料

普遍認(rèn)為[5][6]，在混凝土中摻入粉煤灰、礦渣、石灰石粉和硅灰等礦物摻合料具有活性，與Ca(OH)2反應(yīng)，會降低混凝土的堿度，從而使混凝土抗碳化能力減弱。

P.Sulapha等人分別對摻加礦渣、粉煤灰和硅灰的混凝土進(jìn)行了實驗研究[5]，發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰的混凝土比起未摻的混凝土碳化更深。由于摻合料的加入引起的火山灰效應(yīng)，混凝土中Ca(OH)2量減少，導(dǎo)致碳化速度加快，這在礦渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明顯。而摻加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，這是由于硅灰對混凝土的孔結(jié)構(gòu)有密實的作用，而這種作用比起Ca(OH)2含量的降低起到了主導(dǎo)的作用。他同時研究了混凝土抗壓強度和碳化性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)強度越低，混凝土碳化深度越高，并呈線性關(guān)系。

4 養(yǎng)護(hù)條件

混凝土早期的養(yǎng)護(hù)狀況對其碳化過程有較大的影響，養(yǎng)護(hù)條件的不同會導(dǎo)致水泥水化程度的不同。一般認(rèn)為，在早期溫度適宜、水分充足的環(huán)境下凝固的混凝土，水泥可以得到充分的水化，生成的水泥石更加密實，因早期養(yǎng)護(hù)不良而造成水泥水化不充分的混凝土，其表層滲透性增大，更容易碳化。

蔡傳國對不同施工條件下混凝土的碳化深度進(jìn)行了研究[7]，發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和薄膜加草袋養(yǎng)護(hù)條件下的表面砂漿層由于水化充分，加速碳化后，碳酸鈣生成的結(jié)晶體發(fā)育完整，這將有效堵塞毛細(xì)孔，使砂漿層密度加大，延緩碳化速度；而無覆蓋養(yǎng)護(hù)條件下的表面砂漿層中夾雜著未充分水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣，加速碳化后形成的結(jié)晶體有很大一部分是水化硅酸鈣水并釋放出淡水，這給碳化過程的繼續(xù)創(chuàng)造了條件。對于混凝土中的大于50nm的毛細(xì)孔，大氣壓力下將產(chǎn)生毛細(xì)作用，內(nèi)部的水離子團(tuán)可以沿著毛細(xì)孔向外蒸發(fā)，空氣中的CO2則在負(fù)壓吸力下進(jìn)入混凝土。同時，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和現(xiàn)場薄膜保溫保濕試件可以很好地降低50nm以下的毛細(xì)孔數(shù)量。

5 骨料品種及顆粒級配

一般來說，混凝土中的砂和碎石都不會促進(jìn)混凝土的碳化，但由于大石子的底部容易產(chǎn)生水泥凈漿的離析和沉淀，從而產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，增加混凝土的滲透性。同時有些硅骨料會與Ca(OH)2發(fā)生堿-骨料反應(yīng)，加快碳化速度。因此，級配良好、大粒徑顆粒少及性能穩(wěn)定、不會發(fā)生堿-骨料反應(yīng)的混凝土骨料對混凝土的抗碳化性能最有利。

骨料的品種和顆粒級配影響混凝土的密實度，從而影響碳化速度。骨料不促進(jìn)混凝土碳化，在水灰比相同時，使用粒徑大的骨料比使用粒徑小的骨料容易碳化。這是因為大石子底部容易產(chǎn)生凈漿的離析、沉淀，從而增加了滲透性。采用級配合理的集料配制的混凝土，在其成型凝固的過程中更容易緊密結(jié)合，有助于提高混凝土的密實度，從而降低碳化速度[8]。

[1]王玉琳.混凝土碳化影響因素研究綜述.連云港化工高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2002,(2).

[2]龔洛書，柳春圃.混凝土的耐久性及其修補[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990

[3]顏承越.水灰比-碳化方程與抗壓強度-碳化方程的比較[J].混凝土，1994，3：46

[4]ShiHui-sheng,XuBi-wan ,ZhouXiao-chen.In uence of mineral admixtures on compressive strength, gas permeability and carbonation of high performance concrete.Construction and Building Materials 23(2009) 1980-1985

[5]P.Sulapha、S.F.Wong、T.H.Wee and S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures.JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING ASCE/ MARCH/APRIL 2003

[6]L.Stevula,J.Madej,J.Kozankova and J.Madejova,Hydration products at the blast furnace slag aggregate–cement paste interface,Cem.Concr.Res.24 (1994),pp.413–423.

[7]蔡傳國.混凝土養(yǎng)護(hù)方式對碳化深度影響的實驗研究.市政技術(shù).第26卷,第2期.2008年3月

[8]何智海,劉運華,白軻,劉江紅.混凝土碳化研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報.2008年5月第22卷專輯X.