侯忠

(四川松林河流域开发有限公司，四川石棉625400)

1 概述

近年来，随着钢筋混凝土被广泛的应用于各类建筑工程结构之中，人们对混凝土结构的耐久性要求越来越高，其耐久性成为近半个世纪来人们普遍关心的问题。耐久性是衡量混凝土结构性能的一个重要指标，对于同一强度的混凝土结构，其耐久性可能会相差很大。混凝土的抗碳化能力是衡量混凝土结构耐久性的重要指标。过去，由于在设计和施工时对混凝土碳化问题重视不够，导致混凝土抗碳化能力较低，造成很多建筑物耐久性差。然而，随着经济的不断发展，温室效应越来越显著，大气中CO2浓度越来越高，大量处于暴露环境中的混凝土结构面临的碳化问题越来越严重，人们开始重视并研究由碳化引起的混凝土破坏的原因。研究发现，混凝土结构抗碳化能力不足将引起其内部钢筋锈蚀，锈蚀后的钢筋产生膨胀导致混凝土开裂，保护层剥落，钢筋断面发生缺损，进而造成混凝土结构耐久性差，降低建筑物的使用寿命。有关调查结果显示，因混凝土碳化引起钢筋锈蚀导致混凝土结构失效而造成的经济损失非常巨大。例如，在美国，1975年各种结构腐蚀造成的损失为700多亿美元，其中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。我国“七五”期间维修改造费用占基本建设总投资的54%。由此可见，由钢筋保护层的混凝土碳化引起的钢筋锈蚀已成为导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一。因此，混凝土碳化的研究对结构的耐久性具有极其重要的意义

2 混凝土碳化破坏的机理

2.1 碳化机理

2.1.1 碳化反应

混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。混凝土的碳化是指水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用，生成碳酸盐或其他的物质的现象。碳化将使混凝土的内部组成及组织发生变化。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷等。空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。所以，混凝土碳化也可用下列化学反应式表示:

可以看出，混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的、一个复杂的多相物理化学连续过程。

2.1.2 碳化反应进展模式

在混凝土的细孔溶液中，存在着较多的K+、Na+和与之平衡的OH－，Ca++的浓度很低。CO2与细孔溶液中的H2O反应进而转化为H+和CO2－3，然后H+与固相Ca(OH)2中的OH－结合生成H2O，从而Ca(OH)2溶解;CO2－3选择性地与少量Ca++结合生成CaCO3沉淀。

2.2 钢筋腐蚀的原理

钢筋接触水化产物Ca(OH)2后，由于发生初始电化学腐蚀，使其表面形成一层钝化膜，其主要形成的是Fe2O3和Fe3O4覆盖物。在碱性环境中，这层钝化膜可以阻止钢筋被进一步腐蚀，当碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，由于溶入孔隙液中少量的Ca(OH)2与CO2发生化学反应生成CaCO3和H2O，孔隙液中的pH值大大降低，这时，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，从而导致钢筋锈蚀。锈蚀后的钢筋产生体积膨胀而导致混凝土开裂，保护层剥落。然后，水、空气、土壤或地下水中的酸性物质，如:CO2、HCl、SO2等进入混凝土并与水泥石中的碱性物质发生化学反应，更加加速了钢筋的锈蚀。CO2相对于其它酸性介质来说更加普遍，但有些物质引起钢筋钝化膜破坏要比混凝土碳化引起的破坏要严重得多，比如氯化物。因此，在研究中不仅要考虑混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响，同时也要考虑到其它物质的影响。

3 影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。所以，混凝土的碳化速度取决于CO2的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2的浓度、环境温度、试件的含水率等因素影响，所以，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。当然，除此之外，还存在一些其他因素。

3.1 内部因素

3.1.1 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。

3.1.2 水泥品种

水泥品种不同，意味着其中所包含的塑料的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响到水泥的活性和混凝土的碱性，对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下，砂浆的碳化速度大小顺序为:高炉矿渣水泥(BFC)＞普通硅酸盐水泥(OPC)＞早强水泥(HEC)。有研究认为，高铝水泥混凝土的碳化规律同普通硅酸盐水泥混凝土的碳化规律基本相似。

3.1.3 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，既使振捣比较密实，但随着混凝土的凝固，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。

3.1.4 混凝土抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土基本性能指标之一，也是衡量混凝土品质的综合性参数，它与混凝土的水灰比有着非常密切的关系，并在—定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度、骨料品种、掺加剂以及施工质量与养护方法等对混凝土品质的共同影响。有关资料表明:混凝土强度高，抗碳化能力强。

3.1.5 集料的品种和级配

集料的品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响到混凝土的密实性。试验说明，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下，其碳化速度约为轻砂天然轻骨科混凝土的0.56倍。

3.1.6 施工质量及养护方法对碳化的影响

施工质量差表现为振捣不密实，养护不善，造成混凝土密实度低，蜂窝、麻面多，为大气中的二氧化碳、氧和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化速度。除此之外，混凝土养护状况对碳化也有一定影响。混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土渗透性增大，碳化加快。施工中常采用自然和蒸汽养护法。试验结果表明:普通混凝土采用蒸汽养护的碳化速度比自然养护提高1.5倍。

3.2 外部因素

3.2.1 光照和温度

混凝土碳化与光照及温度有直接关系。随着温度的提高，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。

3.2.2 相对湿度

CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca(OH)2进行化学反应，所以，在非常干燥时混凝土碳化无法进行。但由于混凝土的碳化本身是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。试验结果表明，相对湿度在50%～70%之间时，混凝土碳化速度最快。3.2.3CO2的浓度

对于CO2的影响，学者们提出了多达几十种观点，其理论模式大多数基于菲克(Fick)第一扩散(渗透)定律，即:

式中x为碳化系数;D为CO2渗透系数;qc为空气中CO2浓度;a为单位体积混凝土吸收CO2能力的系数。式(1)表明:CO2浓度越高，碳化速度越快。

3.2.4 氯离子浓度的影响

氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙。氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃烂性锈蚀。

3.3 其他因素

(1)不同应力状态对混凝土碳化的影响。

混凝土试件在不同应力状态下其碳化速度有所不同。通过对混凝土施加荷载后进行快速碳化试验研究，我们可以在实际工程中对不同受力构件采取不同的防碳化措施，提高混凝土的耐久性。

混凝土施加应力之后对其内部的微细裂缝起到了抑制或扩散作用。微细裂缝的存在使CO2容易渗透，从而引起碳化速度加快。但在施加了压应力之后，使混凝土的大量微细裂缝闭合或宽度减小，CO2的渗透速度减慢，从而减弱了混凝土的碳化速度。当然，混凝土中的压应力过大时，也可使混凝土产生微观裂缝，加速碳化过程;相反，施加拉应力后，混凝土的微裂缝扩展，加快了混凝土的碳化速度。另外，碳化速度随时间的增长也越来越慢。

(2)裂缝对混凝土碳化的影响。

混凝土结构的劣化破坏过程多是由于各种有害物质从外部向内部的渗透或迁移作用造成的。因而混凝土结构的抗渗性是反应其耐久性的一个综合性指标。裂缝的存在将直接影响到混凝土的渗透性与耐久性，并且由于碳化能够通过裂缝较快的渗入到混凝土内部，因而裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处。

(3)施工质量对混凝土碳化的影响。

混凝土浇筑、振捣和养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实度。密实的混凝土表面孔隙率小，容易吸收空气中的水分填满孔隙，因此其抗碳化性能好。不密实的混凝土表层孔隙多，CO2很容易由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。因此，施工质量的优劣在很大程度上影响了混凝土的碳化。施工经验表明，在其他条件相同时，施工质量好，混凝土强度高，密实程度好，其抗碳化性能强。施工质量差，容易造成混凝土表面粗糙，内部出现蜂窝、孔洞等，增加了混凝土中的透水通路，使水、空气、侵蚀性化学物质沿着透水通路进入混凝土内部，从而加速混凝土的碳化和钢筋腐蚀，降低其抗碳化能力。

(4)养护对混凝土碳化的影响。

养护条件以及养护龄期对混凝土抗碳化能力有一定的影响。一般而言，混凝土强度高，其水化反应充分，内部结构密实，孔隙率小，抗碳化能力就强。而养护条件不同，对混凝土强度有很大影响，从而也影响到混凝土的抗碳化能力。混凝土在常温条件下进行养护，水泥的水化只有在饱和条件下方能充分地进行。当毛细管中的水蒸气压力降至饱和湿度的80%时，水泥的水化几乎停止，水泥水化不完全，不仅影响到混凝土的强度，而且影响混凝土的抗碳化能力。在潮湿的养护条件下，养护期越长，则混凝土的强度越高，抗碳化能力好。龄期也影响混凝土的抗碳化能力，随着其养护龄期的延长、水泥颗粒的进一步水化，内部孔隙减少，水泥微观结构得到改善，密实度提高，强度增加，碳化速度下降，混凝土的抗碳化能力得到改善。

4 混凝土碳化的控制措施

混凝土碳化的有效防治措施虽然不可能完全杜绝混凝土的碳化破坏，但可有效地加以限制，具体措施如下。

4.1 水泥品种与标号的选择

施工中，应根据建筑物所处的地理位置、周围环境和建筑物的不同部位，选择合适的水泥品种，控制好水化热与温度应力的放出:对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐的普通硅酸盐水泥;对高速水流冲刷的部位，如水闸室、溢流坝坝面等选用高标号水泥。

4.2 骨料的选用

选择粗细适当、级配良好的抗酸性骨料与水、水泥发生作用，对混凝土的碳化有一定的延缓作用。针状或片状的骨料及骨料中的粉尘称为有害成分。

4.3 选择合适的配合比，控制拌合加水量

配合比是指组成混凝土的各种材料的用量之比。研究结果显示:过量的拌合用水，水分的蒸发会留下蒸发跑出的通道，使空隙率加大，混凝土结构的密实度降低，强度、耐久性随之降低，而碳化破坏将会加强。加水量不可少，必须满足水泥水化生成凝胶体的用水量。

4.4 适当加入外加剂及添加剂

在混凝土拌合中使用减水防裂剂使混凝土用水量减少25%，可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水和沉缩变形、提高混凝土的抗裂性能:可使混凝土密实性好，表面易抹平形成微膜，减少水分蒸发和干燥收缩等。加入活性和非活性的混合材料，如粉煤灰，可以增加混凝土的密实程度，提高其强度。

4.5 采用科学的施工方法

选择气候条件适宜的时间对要求较高的部位进行施工。在恶劣条件下不施工或必须采用相应的防护措施。如控制平仓浇筑厚度、振捣均匀、不漏振、不过振，严格控制拆模时间;低温情况下做好保温和高温条件下的降温等。

4.6 加强养护

混凝土早期养护的主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果。一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩:另一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计指标。适宜的温、湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或妨碍水泥的水化。表面混凝土最容易而且直接受到环境温、湿度、水分蒸发等因素的不利影响。因此，混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视。后期养护是给予结构内部还没有完全水化的水泥颗粒创造适宜条件，使其继续水化，从而生成凝胶体，随着时间的延续继续增长其强度。

4.7 涂保护层

试验结果表明:混凝土碳化深度是随着时间的延长而增加的，但其进程是逐渐降低的。在混凝土表面涂上保护层，使内部混凝土与外部的大气隔绝，可有效地防止或减缓其碳化进程。如涂刷水玻璃。硬化后的水玻璃除填充混凝土孔隙外，还可在结构表面形成致密的保护层。涂环氧一呋喃树脂有机材料、油漆、沥青材料等，均可保护混凝土，减缓其碳化进程。

5 工程实例分析

5.1 工程实例

(1)淮北焦化厂钢筋混凝土煤炭运输支架由于其水泥用量较低，混凝土强度较低(水灰比较大)，又因焦化厂在生产过程中支架周围的CO2浓度特别大，根据影响混凝土碳化的因素，水泥用量越小，混凝土强度越低;水灰比越大，CO2浓度越高，碳化速度越快。故该结构仅仅使用了4～5 a，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，还发现梁比柱、受拉区比受压区碳化程度明显严重。

(2)北京酒仙桥某污水厂水泵房由于施工期间在混凝土内部与外部温差大于20℃的情况下过早拆模，引起温度裂缝，并且由于拆模次序不对(先拆了外模，后拆了内模)，造成了池壁两侧均出现通长裂缝。根据混凝土碳化影响因素，温度越高，碳化速度越快以及裂缝处混凝土的碳化速度要大于无裂缝处等，我们可以发现该建筑受到严重的碳化破坏，后经对混凝土碳化深度进行检测，发现其碳化深度均在35mm以上，已经超过了混凝土保护层厚度，混凝土的碳化导致钢筋的锈蚀，进而使裂缝发展加剧，结构耐久性失效。对此，将采取相应措施进行修复。

5.2 混凝土碳化处理措施

5.2.1 碳化处理方法

对碳化深度过大、钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件应拆除重建;对碳化深度较小且小于钢筋保护层厚度、碳化层比较坚硬的，可使用优质涂料进行封闭;对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化浓度虽较小，但碳化层疏松剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土;对钢筋锈蚀严重的部位，应在修补前除锈并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。防碳化后的结果要达到阻止或尽可能减缓外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中。

5.2.2 防碳化措施

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。对于与混凝土结构变形缝的缝面处理，水上部分的变形缝可采用华东勘测设计研究院研制的SR嵌缝膏进行表面封闭;对水下部分的变形缝，可采用南京水利科学研究院研制的SBS改性沥青灌注封闭。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进行;施工中混凝土应用机械震捣，以保证混凝土的密实性;混凝土浇筑完毕，应用草料等加以覆盖，并根据情况及时浇水养护。

6 结语

碳化是混凝土结构普遍存在的病害之一，亦是引起钢筋混凝土钢筋锈蚀的原因之一。笔者对其内因、外因及其他相关因素进行了混凝土碳化的分析，并就如何防治混凝土碳化提出了具体的措施。

总之，但凡可以提高混凝土密实程度的，就会提高混凝土的强度，亦可提高混凝土的抗碳化能力。只要选用材料得当、加强施工质量监理、全方位提高施工队伍的整体素质，解决工程质量问题就能成为现实。

［1］龚洛书，等.混凝土的耐久性及其防护修补［M］.北京:中国建筑工业出版社，1990.