《混凝土耐久性能試驗檢測訓練》—混凝土碳化土木工程檢測技術專業資源庫1混凝土碳化的定義及機理混凝土碳化的影響因素混凝土碳化的處理和預防措施混凝土碳化的表征手段目錄2345混凝土碳化的影響空氣中的CO2擴散滲透進入到到混凝土孔溶液中,與可碳化物質發生化學反應,使混凝土堿性程度降低的過程稱為混凝土的碳化。混凝土碳化的定義混凝土碳化機理充分水化的水泥石中的水化產物水化硅酸鈣凝膠氫氧化鈣鈣礬石與單硫型水化鋁酸鈣70%20%7%發生的反應混凝土碳化機理由上可知最優先被碳化的物質為氫氧化鈣，又由于水化硅酸鈣在充分水化的硬化水泥石含量占比最高，所以主要關注氫氧化鈣和水化硅酸鈣的碳化。由右圖可知pH越大，CaCO3的溶解度越小，伴隨著碳化的進行，pH值雖有所降低，但是CaCO3的溶解度依舊不大，即碳化后的CaCO3大部分以固相形態存在。混凝土碳化機理混凝土碳化機理C-S-H的碳化過程：1、C-S-H層間或缺陷點處的鈣離子首先解離出來補充孔溶液當中的鈣離子以維持孔溶液的離子平衡直到Ca/Si=0.67,形成一條硅酸鹽鏈；2、伴隨著碳化的繼續進行，C-S-H層內的鈣離子也解離出來。最終C-S-H碳化形成CaCO3和水化的無定型SiO2相。混凝土碳化機理Ca(OH)2的碳化產物CaCO3為結晶良好的方解石，這點已經達成共識。但是對于C-S-HGel的碳化產物CaCO3的形式，存在不同的看法。CaCO3可能的存在形式有：方解石、文石、球霰石。混凝土碳化的影響混凝土中的氯離子分為自由氯離子和結合氯離子（Friedel復鹽)，只有自由氯離子才會對混凝土的侵蝕起作用。當C2O通過擴散作用到達混凝土內部時，發生碳化會消耗CH，從而降低了氯離子與C3A反應生成Friedel復鹽的量，同時C2O還會與Friedel復鹽發生反應生成自由的氯離子（如下），導致碳化區的自由氯離子濃度升高，在濃度擴散作用下，這部分自由氯離子會向未碳化區擴散、遷移，從而導致未碳化區的自由氯離子濃度升高，從而加劇了該區域的鋼筋銹蝕率。混凝土碳化生成的CaCO3會沉積在孔隙當中，使得混凝土表面孔隙率降低，阻礙氯離子的擴散。1碳化對混凝土鋼筋銹蝕的影響2碳化對混凝土內氯離子分布的影響混凝土碳化的影響由此可知，碳化對氯離子的侵蝕有促進和阻礙的正負效應。但是在實際環境當中，由于碳化的作用非常緩慢，碳化層的深度比較小，促進方面的作用更大。3碳化收縮：由右表的數據可以看出水泥的不同水化產物發生碳化反應后，只有CH反應后出現體積增加11.5％，其他水化產物發生碳化反應后均出現體積減少,C-S-H相反應前后的體積變化較小，不會引起漿體體積的明顯收縮，鋁酸鹽相及鈣礬石發生碳化反應后，體積減少達到40％以上，雖然鈣礬石在硅酸鹽體系中含量相對不高，但混凝土是非均相體系，若鈣礬石在離表面較近處出現局部富集，則會由于表面的CO2濃度較高而發生明顯的碳化現象，其產生較大的體積變化會使表面出現明顯的收縮而導致開裂。ABC材料因素：環境因素：施工因素影響因素材料因素1水灰比：在水泥用量相同的情況下，水灰比越大，混凝土內部的孔隙率也越大，從而增大了CO2的滲透擴散速率，加速了混凝土的碳化；此外，水灰比大還會使混凝土孔隙中的游離水增多，這有利于碳化反應的進行。水灰比與碳化深度關系14天28天由右圖可見，水灰比與碳化深度有明顯的相關性。水灰比小,則碳化深度小,當水灰比小于0.65時,兩者之間近乎直線關系,當水灰比大于0.65,尤其是大于0.75時,碳化深度急劇加大。可見水灰比大于0.75時,混凝土抗碳化能力變弱。材料因素2水泥品種：水泥品種決定了單位體積混凝土中可碳化物質的含量，因而對混凝土的碳化有重要的影響。從右表可以看出，在同一試驗條件下，不同水泥配制的混凝土的碳化速度大小順序為：硅酸鹽水泥<普通硅酸鹽水泥<粉煤灰水泥、礦渣水泥、火山灰水泥。

材料因素

當配合比相同時,水泥強度等級對混凝土抗碳化性能的影響是明顯的,采用52.5MPa水泥的混凝土的碳化深度明顯比采用42.5MPa水泥的混凝土的小得多;早強型水泥與同強度等級的水泥相比,抗碳化性能較高。3外加劑：由上表也可以看出，摻減水劑和引氣劑均能有效降低混凝土的碳化速率。高效減水劑能夠降低用水量，改善混凝土的和易性，從而降低混凝土的孔隙率，故可提高混凝土的抗碳化能力；引氣劑為混凝土引入大量的微細氣泡，初期可以在一定程度上抑制混凝土的碳化，但隨著碳化的延續，引氣劑在混凝土內部留下的孔隙成為二氧化碳擴散的通道，因而會促進碳化的發展。水泥用量：水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量,因此對混凝土碳化速度有一定的影響。混凝土吸收CO2的量取決于水泥用量和混凝土的水化程度,水泥用量越大,水化越完全，其碳化速度越慢。水泥用量與碳化深度之間的關系見下表。4材料因素水泥用量與碳化深度骨料品種和級配：粗骨料的粒徑越大，在骨料底部越容易形成水囊、空洞，容易造成混凝土泌水，從而使混凝土的滲透性增大。CO2易沿著骨料-水泥漿體界面擴散，使碳化過程加快。輕骨料和人造骨料本身孔隙較大，有利于CO2氣體擴散，會加速碳化過程。材料因素56覆蓋層：表面覆蓋層對碳化起延緩作用。混凝土的表面覆蓋層通常分為兩類：一類是含可碳化物質的，如砂漿、紙筋石灰膏等；另一類是不含可碳化物質的,如瀝青、涂料、瓷磚等。增大覆蓋層厚度和提高覆蓋層的密實度對延緩碳化作用的效果明顯。相對濕度：相對濕度大小的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小。相對濕度較大時，混凝土的含水率較高，二氧化碳向混凝土內部擴散的速度將降低甚至終止，使混凝土的碳化速度大大降低，且由混凝土碳化的化學反應方程可知,混凝土的碳化反應是一個釋放水的反應,故隨著混凝土內部水分的增多,也將阻礙混凝土碳化化學反應的進行；相對濕度較低時，混凝土處于較為干燥或是含水率較低的狀態，雖然二氧化碳的擴散速度較快，但是由于碳化反應所需的水分不足，故而碳化速度較慢。環境因素混凝土碳化速度較快的相對濕度范圍在50%~70%之間。12溫度的影響理論分析：（1）CO2溶于水中和水泥石中的CH反應生成CaCO3，此反應為放熱反應，所以降低溫度，當有利于此反應的進行。（2）溫度降低有利于CO2在水中溶解。CO2在水中的溶解度隨溫度降低而增大，0℃達到最大值0.3346，90℃以上幾乎為零。環境因素（3）溫度降低有利于CH在水中溶解。CH在水中的溶解度隨溫度降低而增大，0℃時達到最大值0.18，隨溫度升高而減小100℃時降到最小值0.07。環境因素（4）溫度升高，有利于CO2的擴散。從前三條可以看出溫度降低有利于增加增加反應物質濃度，有利于反應向正反應方向進行。第四條則剛好相反。也正是因為這樣的原因，故溫度變化對混凝土碳化的影響，各國學者看法不一。3應力的影響：混凝土構件在不同應力狀態下碳化速度不同。混凝土受到拉應力時，混凝土內部的微細裂縫擴展，使二氧化碳容易擴散，碳化速度加快；混凝土受到壓應力時，內部大量的微細裂縫閉合或是寬度減小，抑制了二氧化碳的擴散，碳化速度減慢，但是當壓力超過一定的限值時，會引起混凝土內部新的裂紋的發展，從而加速碳化。CO2濃度：環境中二氧化碳的濃度越大，混凝土內外的二氧化碳的濃度梯度就越大，越有利于CO2擴散滲透進入混凝土孔隙中；其次CO2濃度增加，意味著反應物的濃度增加，有利于反應向正反應方向進行，即CO2濃度越高,碳化速度越快。對于CO2的影響,學者們提出了多達幾十種觀點,其理論模式大多基于菲克(Fick)擴散第一(滲透)定律,如阿列克謝耶夫模型：其中，x為碳化深度，D為CO2滲透系數，qc為空氣中CO2濃度，a為單位體積混凝土吸收CO2能力的系數，t為碳化時間。環境因素4環境因素由上式可以看出，混凝土的碳化深度與CO2的平方根成正比，但是由于混凝土的非均質性，并不完全符合Fick定律假定的條件，因此混凝土的碳化深度并不一定與CO2的平方根成正比；而且此理論的驗證均采用快速碳化實驗，其濃度在1%~20%左右，而自然環境下CO2的濃度最大也不過0.04%，故此理論并不一定適用于自然條件。也正是由于自然條件下CO2的濃度低且相對比較穩定，所以對混凝土碳化的影響作用比較小。5氯離子侵蝕對碳化的影響比較兩圖可以發現，經氯鹽侵蝕后試樣中初始的粗大孔隙均得以細化，幾乎不存在粗大孔隙結構。由左圖（b）可以看到，未經氯鹽侵蝕試樣的孔隙結構清晰可見，并且大多為連通孔隙，而在右圖（b）中幾乎已經觀察不到任何孔隙結構，與左圖(b）相比其物質形態也發生了很大變化。環境因素由上可知，混凝土經氯鹽侵蝕后，混凝土的孔隙結構會得到細化，使混凝土更加致密，阻礙CO2的進入，降低碳化速度。許晨等分析可能是由于氯鹽的結晶體填充了孔隙，也可能是由氯離子化學結合生成的復鹽Friedel在孔隙中的沉積作用，以及氯離子在C-S-H凝膠表面形成的化學吸附層所致。雖然氯離子侵蝕能夠降低碳化的速度，但是當氯離子侵蝕造成鋼筋的銹蝕時，則會加快碳化速度。施工因素主要是指混凝土的攪拌、振搗和養護條件等，它們主要通過影響混凝土的密實性來影響混凝土的碳化速度。實際調查結果表明：其他條件相同的情況下，施工質量越好，混凝土強度越高，密實性越好，抗碳化能力也越強；施工質量差，由于混凝土內部裂縫、蜂窩和孔洞等因素增加了二氧化碳在混凝土中的擴散路徑，使得碳化速度加快。同樣，養護方法與齡期的不同也會造成密實性和可碳化物質的不同，從而會對碳化速度產生不同的影響，養護方法不當、養護時間不足會造成混凝土內部毛細孔道粗大，會加快混凝土的碳化。施工因素處理措施：（1）對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結構安全的構件應拆除重建；（2）對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優質涂料封閉；（3）對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土；（4）對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋，要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內，使內部和鋼筋一直處在高堿性環境中。對混凝土碳化的處理及預防措施12預防措施：材料因素、環境因素以及施工因素對混凝土碳化有明顯影響，如果混凝土有較好的密實性，則可獲得較好的抗碳化性能。因此，針對影響混凝土碳化的因素，一般提出的改善措施為：合理設計混凝土配合比、采用機械振搗、用涂料或其他措施進行表面處理、選用透氣性小且密實的骨料、增加混凝土保護層厚度等。混凝土碳化的處理及預防措施酚酞指示劑法：利用酚酞指示劑測定混凝土的碳化深度是判定混凝土碳化深度最簡便和常用的方法，可結合肉眼觀察結果判定。酚酞指示劑常用1％酚酞乙醚(或酒精)溶液。將酚酞溶液噴灑到混凝土劈裂面時，以pH=9為界限，未碳化區因堿性呈粉紅色，碳化區呈中性不變色。混凝土碳化的表征手段1熱分析方法：按一定升溫速度加熱混凝土時，混凝土中的水化產物在不同溫度范圍內發生物理化學反應，造成混凝土重量的變化，并伴隨著吸熱與放熱現象。混凝土中的CH和CaCO3在一定溫度下發生如下熱分解反應：將差熱分析和熱重分析聯合使用，可以獲得有關碳化更完整的有用數據和資料。混凝土碳化的表征手段2X射線物相分析方法:混凝土水化與碳化過程中使用CuKα線時，CH的最強峰為2θ=18.1°(d=4.90A)，方解石(CaCO3)的最強峰為2θ=29.3°(d=3.04A)，文石(CaCO3)的最強峰為2θ=26.2°(d=3.396A)，球霰石(CaCO3)的最強峰為20=24.8°(d=3.57A)。通過x射線物相分析可以準確判定碳化深度