文/张武良 深圳市天地（集团）股份有限公司 广东深圳 518000

1、混凝土碳化机理分析

如下式1-1所示，混凝土碳化的本质为水泥石（硬化后的水泥浆体）中的水化产物（主要为Ca(OH)2）与空气中CO2发生反应生成碳酸盐（主要为CaCO3）的过程，该过程的基本特征为混凝土内部结构发生改变且PH值降低，对混凝土性能影响较大。基于混凝土内部结构的分析，其在诸多大小各异的气泡、空隙以及毛细管下表现为一种多孔体，并且整体形成一种固、液、气三相非均匀体。由于混凝土碳化是从外向内逐渐发展，因此反应过程呈现为阶梯状。

对于混凝土的PH值，从理论上讲在未碳化时约为12.5，完全碳化时趋近于7，而部分碳化则在7～12.5之间。

混凝土碳化影响因素包括CO2浓度、环境湿度、混凝土孔隙结构以及内部化学组成等，各因素间既呈相互制约、相互作用的关系，同时每一因素又具有高度的随机性。实践表明，混凝土所处环境中CO2浓度越高、水泥石中Ca(OH)2含量越小、混凝土孔隙率越大，其碳化程度就越严重；而对于环境湿度的影响，当相对湿度为55%时，混凝土碳化收缩程度最大。

在环境湿度相同、CO2浓度一定情况下，混凝土自身孔隙率（反映在实际施工中即为密实度）决定了CO2的扩散速度，混凝土孔隙率越小，CO2在其内部的扩散阻碍则越大，从而表现为混凝土的抗碳化能力就越强；反之则越弱。

现假设：①CO2浓度在混凝土中的分布呈直线下降趋势；②每立方混凝土吸收并与之发生反应的CO2量为定值。在此情况下，CO2在混凝土中的扩散遵循菲克第一定律，而混凝土碳化深度X的理论计算公式则可表示为下式1-2：

式中：D0为CO2（实为CO32-）在混凝土中的扩散系数；t为碳化时间；k为扩散系数。

在此基础上，经过诸多国家学者的不断完善与修正，认为混凝土的碳化深度X与之间并非为直线关系，而是随着时间的推移，碳化作用会呈收敛趋势，并且X会出现一个最大值。

2、大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性试验

2.1 试验材料

⑴水泥。28d实测抗压强度为50.4MPa的42.5级普通硅酸盐水泥；

⑵细集料。细度模数为2.7的II区中砂（河砂），且其含泥量＜0.5%；

⑶粗集料。粒径为5～20mm的连续级配碎石；

⑷粉煤灰。经磨细处理的Ⅱ级干排粉煤灰，实测密度为2.29g/cm3，需水量比为98%，比表面积为550m2/Kg。

2.2 试验结果及分析讨论

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2.2.1 粉煤灰掺量对混凝土碳化性能的影响

在遵循规范（GB/T50082-2009）的基础上，本文对混凝土进行人工快速碳化。在对混凝土碳化程度与粉煤灰掺量关系的研究中，将粉煤灰掺量从10%→60%逐级增加，配合比及试验结果如上表1所示；此外，将大掺量粉煤混凝土分别养护28d和60d后进行快速碳化试验，所得结果见表2。

分析表2可知，在10%和20%的粉煤灰掺量下，混凝土基本无碳化现象；在30%的粉煤灰掺量下，养护28d、快速碳化60d的混凝土碳化深度为3.85mm，表现较小；而在40～60%的粉煤灰掺量下，养护28d、快速碳化28d的混凝土碳化深度分别为8.55、9.75和14.35（mm），而养护60d、快速碳化28d的混凝土则为6.85、9.45与11.95（mm）。由此可知，混凝土中粉煤灰掺量越大、养护龄期越短，其碳化程度越严重，但在掺量较少情况下，粉煤灰混凝土的碳化程度与基准混凝土（编号A-0）基本一致，碳化速率表现极慢，其原因主要为：①混凝土中水泥用量随粉煤灰掺量的增加而减少；②在火山灰反应反应方面，由于粉煤灰表现较弱，故而使混凝土强度增长缓慢。

对于混凝土抗压强度与碳化程度的分析，在将混凝土养护28d并做快速碳化试验后进行综合考量，试验结果显示（见表1），在10%、20%和30%的粉煤灰掺量下，混凝土的抗压强度分别为69.2、62.6与61.0（MPa），与基准混凝土的67.2MPa相差不大，其原因主要是由于小掺量的粉煤灰对Ca(OH)2消耗较少，粉煤灰混凝土的碳化程度与基准混凝土基本相同；而在40%、50%和60%的粉煤灰掺量下，混凝土的抗压强度则分别为53.2、46.7和42.9（MPa），相比于基准混凝土降幅明显，此时主要是由于随着粉煤灰掺量的增大，对Ca(OH)2消耗随着增加，使混凝土碳化程度加深。此外，在养护60d进行快速碳化试验后，随着龄期的增长，粉煤灰混凝土的强度随之增大，此时由于CO2在混凝土中的扩散阻碍增大，混凝土的碳化程度呈减小趋势。

综上可知，在其他条件一定情况下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗碳化能力随之减弱。研究显示，在粉煤灰掺量增加初期，相比于基准混凝土，粉煤灰混凝土的孔隙率、透气性以及粗孔数量增幅明显，故而随着粉煤灰掺量的增加，CO2在早期硬化的混凝土中扩散速度与渗透系数相对较大，各龄期混凝土的抗碳化能力随之减弱，但是在龄期延长情况下，粉煤灰混凝土的抗碳化能力又会一定程度的提升。

2.2.2 水胶比对混凝土碳化性能的影响

从本质上讲，水胶比对混凝土抗碳化能力的影响是通过对强度的影响而所引发的一种间接作用。随着粉煤灰混凝土龄期的增长，其强度得到不断提升，尤其是在大掺量情况下，粉煤灰混凝土强度的后期增长率比基准混凝土还快。此外，由于混凝土中可碳化物质的数量取决于水泥的水化反应，而混凝土强度又反映了其自身密实度（决定了CO2的扩散），故而在分析抗碳化能力时，应对水泥用量与混凝土强度的发展实施综合考虑，

在对比试验中，分别将粉煤灰掺量为50%和60%的混凝土水胶比由0.30下调至0.25后进行快速碳化试验，所得抗强度结果如表1所示；其后分别对养护28d与60d混凝土进行快速碳化试验，所得结果见表2。

由此可知，对于大掺量粉煤灰混凝土而言，水胶比由0.30下调至0.25并在养护28d情况下，50%与60%掺量的混凝土碳化深度分别由9.75与14.35下降至8.25和10.15（mm），降幅较为明显。而在养护龄期为60d时，50%与60%掺量的混凝土抗压强度分别由57.2与53.3增长至59.9和58.7（MPa），涨幅一般，对应抗碳化能力改善也不明显，由此表明：大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力与其抗压强度的发展密切相关。降低水胶比，提高粉煤灰混凝土抗压强度是提高粉煤灰混凝土抗碳化能力的有效措施。混凝土水胶比的增大之所以会使碳化程度增加，其原因为：①强度降低，从而导致混凝土碳化深度值增大；②混凝土中Ca2+浓度降低，为了维持平衡，Ca(OH)2就会不断溶解，结果使液相碱度及碱储备降低，当pH值或Ca(OH)2降低到一定程度时，周围其它含钙水化产物还会分解、碳化，导致混凝土碳化深度值增大，抗碳化能力降低。

结论：

⑴随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗碳化能力随之减弱，且当粉煤灰掺量控制20%以内时，其对混凝土的抗碳化性能影响不大；

⑵水胶比的降低可在一定程度上提升大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力。