【分享】淺談水泥混凝土的碳化分析
[摘要] 碳化作用是指大氣中CO2 在存在水分的情況下與水泥的水化產物發生化學反應，產生CaCO3、硅膠、鋁膠和水的過程。碳化過深會降低混凝土的堿性，影響結構的耐久度。碳化深度主要與水灰比和周圍環境有關。阻止碳化應從混凝土本身的品質入手，另外還可借助隔離層將外周介質與混凝土隔離。
混凝土在空氣中的碳化是混凝土中性化最常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用而產生的一種復雜的物理化學過程。碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時，混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。因此，分析和研究混凝土碳化機理、影響因素及其控制方法很重要。
1.混凝土碳化機理
1.1 混凝土碳化機理
混凝土加水拌合后，硅酸鹽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，使孔隙液成為飽和堿性溶液，溶液的 pH 值為 12.5～13.5，其余大部分 Ca(OH)2 以結晶狀態存在，成為孔隙液保持高堿性的儲備。空氣中的CO2 氣體不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細孔道，擴散到混凝土中部分充水的毛細孔中并與其中的孔隙液所溶解的 Ca(OH)2 進行中和反應。反應產物為 CaCO3 和 H2O，CaCO3 溶解度低，沉積于毛細孔中。該反應式為：
Ca(OH)2+CO2→ CaCO3 ↓+H2O
反應后，毛細孔周圍水泥石中的鈣礬石補充溶解為Ca2+和OH-，反向擴散到孔隙液中，與繼續擴散進來的CO2反應，一直到孔隙液的pH 值降為8.5～9.0 時，這層混凝土的毛細孔中才不再進行這種中和反應，此時即所謂“已碳化”。確切地說，碳化應稱為碳酸鹽化。另外，凡是能與Ca(OH)2 進行中和反應的一切酸性氣體，如SO2、SO3、H2S以至于氣相HCl 等，均能進行上述中和反應，使混凝土堿度降低，故混凝土碳化應廣義地稱為“中性化”。混凝土表層碳化后，大氣中的CO2繼續沿混凝土中未完全充水的毛細孔道向混凝土深處氣相擴散，更深入地進行碳化反應。碳化深度隨時間的延長而增大，但是增大速度逐漸減慢。
1.2 碳化對混凝土性能的影響
碳化對混凝土弊多利少，其不利影響首先是減弱了對鋼筋的保護作用。這是因為本來混凝土中水化生成大量Ca(OH)2，使鋼筋處在堿性環境中表面能生成一層鈍化膜（氫氧化亞鐵），保護鋼筋不受銹蝕。混凝土中鋼筋保持鈍化狀態的最低（臨界）堿度是pH 值為11.5，碳化使混凝土的堿度降低，碳化后的混凝土pH值為8.5～9.5，同時，增加混凝土孔隙液中氫離子數量，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。當碳化深度穿透混凝土保護層而達鋼筋表面使鋼筋處在中性的環境中，在水與空氣存在的條件下鋼筋開始生銹，鋼筋銹蝕后，銹蝕產生的體積比原來膨脹2～4倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力。銹蝕越嚴重，鐵銹越多，膨脹力越大，最后導致混凝土開裂形成順筋裂縫，裂縫的產生使水和CO2得以順利的進入混凝土內，從而又加速了碳化和鋼筋的銹蝕，形成了一種惡性循環。從很多高速公路分離立交下面就能發現這種狀況。另外，碳化作用會增加混凝土的不可逆收縮，引起混凝土表面產生拉應力而出現微細裂縫，從而降低混凝土的抗拉及抗折能力。
碳化對混凝土的性能也有一些有利的影響，碳化產生的CaCO3 填充了水泥石的孔隙，以及碳化時放出的水分有利于未水化水泥顆粒的進一步水化，從而可提高混凝土碳化層的密實度，對提高抗壓強度及抗滲有利，如在預制混凝土基樁就常常利用碳化作用來提高樁的表面質量。
混凝土結構工程施工質量驗收規范中規定：在混凝土試件強度評定不合格及結構實體檢驗中，可采用非破損或局部破損的檢測方法，按國家現行有關標準的規定對結構構件中的混凝土強度進行推定。常用的有回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法、后裝拔出法等，其中最常用的是回彈法。回彈檢測混凝土強度是以混凝土的表面硬度來推斷混凝土強度的，碳化使混凝土表面的硬度增加，這會給混凝土回彈檢測時造成一種假象，所以回彈判定其強度時需要對檢測碳化深度進行修正，而回彈法中碳化深度對混凝土強度的推定值影響很大。經有關檢測對比數據表明，全國通用測強曲線對部分地區并不完全適用，在進行混凝土結構及構件強度的檢驗時，為取得比較準確的混凝土的實際強度，應在28d 后盡早進行，即在未碳化或碳化程度很小時進行。
2.影響混凝土碳化的因素
影響混凝土碳化的因素有環境因素、原材料因素、施工操作因素等，影響混凝土碳化的因素主要可以歸納為內因和外因兩種。
2.1 內因
2.1.1 水灰比
混凝土的碳化速度與它的透氣性有很密切的關系，混凝土的透氣性越小，碳化進行越慢。一般說來，水泥用量一定的時候，水灰比越大碳化越快，水灰比小的混凝土由于水泥漿的組織密實，透氣性小，因而碳化速度就慢。當水灰比一定的時候，水泥用量越少碳化越快，單位水泥用量多的混凝土碳化較慢。
2.1.2 水泥品種
一般說來，普通硅酸鹽水泥要比早強硅酸鹽水泥碳化稍快；摻混合材的水泥碳化速度更快；混合材摻量越大，碳化速度越快。摻用優質減水劑或加氣劑，可以大大改善混凝土的和易性，減小水灰比，制成密實的混凝土，使碳化減慢。尤其是加氣減水劑，由于抗凍性提高，可以大大改善鋼筋混凝土建筑物的耐久性。
2.1.3 骨料種類
混凝土中的骨料本身一般比較堅硬、密實，總的說來，天然砂、礫石、碎石比水泥漿的透氣性小，因此混凝土的碳化主要通過水泥漿體進行。但是，在輕混凝土中，由于輕質骨料本身孔隙多，透氣性大，所以能通過骨料使混凝土碳化。一般說來，輕混凝土比普通混凝土碳化快。
2.1.4 外加劑
混凝土中摻加減水劑、引氣劑或引氣減水劑時，由于可降低水灰比或引入封閉小氣泡，故可使碳化速度明顯減慢。
2.2 外因
2.2.1 環境因素
因為碳化是液相反應，十分干燥的混凝土一直處于相對濕度低于25% 的空氣中，CO2無法結合到水生成H2CO3（碳酸），混凝土很難碳化；在空氣濕度50%～75%的大氣中，不密實的混凝土最容易碳化；但在相對濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土反而難以碳化，這是因為太濕的混凝土含水量大、透氣性小，可以隔離CO2 與Ca(OH)2的反應，或者水泥石中的鈣離子通過水擴散到表面，碳化生成的CaCO3 把表面孔隙堵塞，所以碳化作用不易進行；在濕度相同時，風速愈高、溫度愈高，混凝土碳化也愈快，經研究證明混凝土碳化速度與空氣中CO2濃度的平方根大致成正比。
在巢湖地區由于廠礦較多，空氣污染較重，空氣中二氧化硫含量高，酸雨也較多，另外巢湖周邊空氣濕度大、風速大，從現場結構檢測混凝土的碳化深度看，處于巢湖周邊的混凝土碳化發展很快，部分混凝土甚至在未到28天時就能達到1～2mm；某條高速公路在肥東段的一些橋梁和涵洞僅僅使用五六年，混凝土即遭受嚴重碳化，保護層開裂、剝落，縱筋暴露，銹蝕嚴重。另外，可以發現梁比柱、受拉區比受壓區碳化程度明顯嚴重。主要是由于該地區機動車輛、化工企業較多，導致空氣污染嚴重，周圍的CO2濃度特別大，從而導致碳化速度加快。
2.2.2 澆筑與振搗工藝
振搗良好的混凝土表層大孔隙很少，易從潮濕的空氣中吸取水分而充滿水，故不易碳化；所以越是密實的混凝土其抗碳化能力越高。如果混凝土澆筑時不規范，特別是振搗不密實，欠密實的混凝土表層中大孔隙較多，大孔隙無法存儲水，CO2可以由氣相擴散到充滿水的毛細孔隙而完成碳化。
2.2.3 養護質量
混凝土養護質量是影響混凝土密實性的一個重要因素。如養護方法不當、養護時間不足，就會造成混凝土內部毛細孔道粗大，且大多相互連通，嚴重時會引起混凝土出現蜂窩、裂縫等缺陷，使水、空氣、侵蝕性化學物質沿著粗大的毛細孔道或裂縫進入混凝土內部，從而加速混凝土的碳化和鋼筋腐蝕。
3.延緩混凝土碳化的措施
（1）選好合適的配合比，適量的外加劑，控制細骨料、粉料用量。分析骨料的性質，如抗酸性骨料與水、水泥的作用對混凝土的碳化有一定的延緩作用。對于使用江砂的地方，砂的級配不合理，粉料較多，更應選擇合適的配合比。混凝土的密實度也是保證工程質量的關鍵因素，配合比設計時應盡量降低水灰比，采用減水劑，科學地攪拌和運輸，及時地養護，確保混凝土的密實性，以減少滲流水量和其它有害物的侵蝕。
（2）在使用時合理選用水泥品種。對于水位變化區以及干濕交替作用的部位或較嚴寒地區宜選用抗硫酸鹽普通水泥。對普通水泥，可以在水泥用量不變的情況下，再外摻粉煤灰取代部分砂子，或同時摻用粉煤灰及減水劑，即采用“雙摻”的技術措施，這樣可以提高混凝土的抗碳化能力。
（3）硬化后的混凝土構件可采用抹刷涂層（如環氧基液、聚合物砂漿、涂料）或粘貼面層材料（如貼面磚）的方法。對建筑物地下部分可在其周圍設置保護層、用各種溶液浸注混凝土，如用溶化的瀝青涂抹。對碳化深度較大的，可鑿除混凝土松散部分，洗凈進入的有害物質，將混凝土銜接面鑿毛，用環氧砂漿或細石混凝土填補，最后以刷環氧基液做涂基保護。
（4）對于鋼筋混凝土構件，必須保證有足夠的混凝土保護層厚度，以防鋼筋易生銹蝕。
4.結束語
通過以上論述，我們可以看出水泥混凝土的碳化是個客觀存在的自然現象，是多種因素綜合的結果。碳化過深會導致混凝土結構的耐久性降低。影響碳化程度的因素很多，我們不可能完全杜絕碳化，我們只能通過選擇合理的材料、配合比、防治措施來控制碳化的發展，以期提高混凝土的耐久性。
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