张建明
鄂州职业大学 湖北鄂州 436000
［摘要］混凝土抗碳化能力是衡量混凝土结构耐久性非常重要的一个指标。因混凝土抗碳化能力弱的问题导致结构构件发生破坏，降低了结构的使用寿命，在实际工程中屡见不鲜。本文分析了混凝土碳化的机理和影响因素，提出了在设计和施工时对混凝土防碳化处理的措施，从而提高了混凝土的耐久性能。
［关键词］ 高性能混凝土;碳化;机理;控制措施
高性能混凝土（HPC）是在大幅度提高普通混凝土各方面性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，分析混凝土碳化的机理，制定合理的处理措施，对改善高性能混凝土的耐久性有重要意义。
1 混凝土碳化机理
混凝土碳化是CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土内孔隙水，再与各水化产物发生碳化反应的一个复杂的物理化学过程。拌和混凝土时，硅酸盐水泥的主要成份CaO水化作用后生成 Ca(OH)2，它在水中的溶解度较低，只有少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液，大部分以结晶状态存在，作为孔隙液保持高碱性的储备。空气中的 CO2气体透过混凝土中的毛细孔道，气相扩散到混凝土中充水的毛 细孔中，与孔隙液溶解的Ca(OH)2发生中和反应，生成 CaCO3 和 H2O。反应后，毛细孔周围水泥石中的Ca(OH)2 补充溶解为 Ca2 +和OH－，反向扩散到孔隙液中，继续与扩散进来的CO2反应，直到孔隙液的pH值降为8. 5～9. 0时，毛细孔中才会停止这种中和反应，此时就是所谓“已碳化”状态。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。
2 混凝土碳化的影响因素
混凝土的碳化速度取决于CO2的扩散速度，与混凝土成分的反应特性，如CO2的扩散速度受混凝土本身的密实性、CO2的浓 度、环境温度、试件含水率等因素的影响;碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素主要可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境有关的外部因素，此之外还存在一些其他因素。
2.1 内部因素
(1)水泥种类及养护条件
水泥种类不同，碳化速度有明显的差异。相同水灰比条件下混凝土碳化速度 之比为:普通水泥∶早强水泥∶矿渣水泥(30%矿渣)∶矿渣水泥(60%矿渣)∶
粉煤灰水泥(20% 粉煤灰)=1∶0.6∶1.4∶2.2∶1.9。 此可见掺和料含量越多，碳化速度越快。碳化速度还受养护条件的影响。水化速度越快的水泥，养护条件的 影响较小，碳化速度也慢;而水化速度慢的水泥受养护条件的影响较大。一般湿养时间越短，碳化速度越快。因此，为避免掺混合料混凝土因碳化引起的耐久性不良现象，应保证足够的湿养时间。
(2) 水泥用量
水泥用量直接影响混凝土吸收CO2的量，混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。另外，增加水泥用量一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性; 另一方面还可以增加混凝土的碱性储备。因此，水泥用量越大，混凝土强度越高，其碳化速度越慢。
(3)骨料种类
混凝土所采用的骨料不同，碳化速度有明显的差异。水灰比相同时轻骨料混凝土的碳化速度约为普通混凝土的 1. 1～1. 5 倍，这主要与骨料的透气性有关，透气性越大，CO2 的扩散能力强，用其配制的混凝土碳化速度加快。采用石灰岩骨料配制的混凝土，包裹骨料的砂浆周围碳化后形成“碳化环”，孔隙率大、水泥用量少、水灰比高的混凝土尤为严重。
这是由于石灰岩中的方解石与水泥石 中 的 C3A 或 C4AF 反 应 生 成 C3A·CaCO3 ·11H2O 的缘故。
(4)水灰比
混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。混凝土的水灰比越低，其强度越高，混凝土的密实程度也越高;反之亦然。由于混凝土的碳化是CO2向混凝土内扩散的过程，混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。混凝土碳化的深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的 Ca(OH)2 含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的 Ca(OH)2 含量也就越少，碳化速度越快。在混凝土拌和过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着混凝土的凝固，水占据的空间也 会变成微孔或毛细管等。因此水灰比对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。在水泥
用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，碳化速度增大。
2.2 外部因素
(1)光照和温度
混凝土碳化与光照和温度有直接关系。随着温度提高，CO2在空气中的扩散逐渐增大，为其与 Ca(OH)2 反应提供了有利条件。阳光的直射，加速了其化学反应，碳化速度加快。
(2)湿度
日本学者对水中养护 7d 的混凝土在不同湿度条件下养护 16 年后认为相对湿度 50%～ 60% 范围内碳化速度最快。湿度较小时，混凝土处于较为干燥或含水率较低的状 态，虽然CO2气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢;湿度较高时，混凝土的含水率较高，阻碍了CO2气体在混凝土中的扩散，因此碳化速度也慢。
(3)CO2浓度
由于碳化反应是一种化学反应，CO2浓度对碳化速度有很大影响，CO2浓度越 高，碳化速度加快。通过在CO2浓度为1%～20%范围内进行加速碳化试验后认为混凝土碳化速度与 CO2 浓度的平方根成正比。
(4)施工条件
施工质量对混凝土碳化速度有很大影响。施工良好的混凝土比较密实，碳化速度小;而施工不良混凝土由于空洞、裂缝、施工缝等原因，CO2渗透后局部碳化，埋入的钢筋容易成为腐蚀原电池的阳极。比如贯通裂缝碳化时碳化界线与裂缝表面近于平行;非贯通裂缝碳化时近于V字形进行。施工缝处的混凝土碳化时则沿着施工缝类似于非贯通裂缝进行，不过一般来说施工缝下部混凝土碳化速度大于上部混凝土碳化速度，这是由于泌水作用施工缝下层混凝土表面水灰比较大，结构疏松 所致。另外，振捣不密实混凝土含有蜂窝状孔洞时，二氧化碳侵入后易向四周扩散和碳化。
3 混凝土碳化处理的工程措施
目前，防碳化处理多采用涂料封闭法，主要使用环氧厚涂料，呋喃改性环氧涂料、丙稀酸涂料等。使 用涂料时要考虑涂料与混凝土间的粘结力;涂料是否抗冻、抗晒、抗雨水侵蚀;涂料的收缩、膨胀系数是否与混凝土接近。另外，考虑钢筋混凝土结构有足够的保护层厚度是最常用的保护钢筋不遭锈蚀的一种方法。 设计时应合理设计混凝土配合比，施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板、竹林、塑料等材料制成的模板。若选择木模板应控制板缝宽度及表面光滑度。模板固定时要牢固，拆模应在混凝土达到一定强度后方可进行;施工中混凝土应用机械震捣，以保护混凝土密实性;混凝土浇注完毕后，应用草料等加以覆盖，并根据情况及时浇水养护混凝土。 研究混凝土碳化的机理，制定科学合理的措施 来降低碳化作用的危害，以保证混凝土结构的耐久性，这对于提高建筑结构的安全性有重要意义。
［参考文献］
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［3］张卫国. 混凝土碳化机理及处理措施［D］.技术创新论文集. 2017.
湖北省教育厅科学研究计划指导性项目
项目编号B2019414