混凝土碳化研究现状

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发布时间：2021-09-22

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混凝土碳化研究现状
武俊曦，王艳
(1．陕西建工集团第三建筑工程有限公司，陕西西安710054；
2．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)
摘要：混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程，国内外众多学者分别从碳化机理、影响碳化的因素、碳化深度预测模型
等方面，对这个问题进行了深入研究。本文对这些成果进行了总结与分类，在此基础上提出了尚存在的问题，并对混凝土碳
化研究发展方向进行了展望。
关键词：混凝土；碳化；碳化速度；碳化深度
中图分类号：TU528 文献标识码：B 文章编号：1008—1933(2011)06—202—03
0 前言
Mahta教授在题为《混凝土耐久性——50年进
展》的主旨报告中指出：“当今世界，混凝土破坏原
因，按重要性递减顺序排列是钢筋腐蚀、寒冷气候下
的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”。因此，钢筋锈
蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一。而混凝土
碳化又是引起钢筋锈蚀最主要的原因。2O世纪6O
年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构
的耐久性问题，对混凝土碳化进行了大量的试验研
究及理论分析。国内从2O世纪80年代开始研究混
凝土碳化与钢筋锈蚀问题，通过快速碳化实验、长期
暴露实验及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响
因素与碳化深度预测模型。经过40多年的研究，国
内外对混凝土碳化机理与影响因素已经有了深刻的
认识，并提出了很多种碳化深度的计算模型。
1 混凝土碳化机理的研究
混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程，
国内外很多学者从不同的角度对这个问题进行了深
入研究。
普通水泥混凝土水泥熟料的主要矿物成分是硅
酸三钙C3S(3CaO·SiO2)、硅酸二钙C2S(2CaO·
SiO2)、铁铝酸四钙c AF(4CaO·A1 0 ·Fe203)和
铝酸三钙C A(3CaO·A1：O )，另外，还有少量的石
膏C SH (CaSO ·2H 0)等。其水化产物为氢氧化
钙(约占25％)、水化硅酸钙(约占6o％)、水化铝酸
钙、水化硫铝酸钙等，充分水化后，混凝土孔隙水溶
液为氢氧化钙饱和溶液，其pH值约为l2—13，呈强
碱性。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸
发等多种原因，在混凝土内部存在大小不同的毛细
收稿日期：2010-06—10
作者简介：武俊曦(1977一)，男，陕西西安人，工程师，主要从事建筑
施工工作。
E—mail：wujunxit977@126。com
管、孔隙、气泡等，大气中的二氧化碳通过这些孔隙
向混凝土内部扩散，并溶解于孔隙内的液相，在孔隙
溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生碳
化反应，生成碳酸钙。
混凝土碳化的主要化学反应式如下¨J：
Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H20
3CaO ·2SiO2·3H20 +3C02 3CaCO3。2SiO2
· 3H20
3CaO ·SiO2+3C02+ H2O—+SiO2。-yH20 +
3CaCO3
2CaO ·SiO2+2C02+3,H20_ Si02。 H20 +
2CaCO3
文献[2]研究表明，}昆凝土孔溶液中绝大多数
组分为Na ，K 和与其保持电性平衡的OH一，Can
含量微乎其微，ca(OH) 大部分是以晶体存在的。
当CO 扩散到混凝土孔溶液，并分别与Na ，K ，
Ca“ 反应生成Na2CO3，K2CO3，CaCO3。由于
Na CO ，K：CO 溶解度大，孔溶液中的Na ，K 浓度
不会发生变化，除非这些溶液干燥时达到过饱和析
出晶体；而孔溶液中的ca 与CO；一发生反应生成
溶解度极低的CaCO，，并沉积在孔壁表面，导致孔溶
液中ca 浓度降低，因此Ca(OH) 晶体继续溶解，
并补充孔溶液中失去的Ca2 浓度。Ca(OH) 晶体
逐渐溶解而碳化反应过程中CaCO 晶体逐渐增多，
这种循环反应一直进行到Ca(OH)：晶体完全溶解
和消耗为止，此时混凝土pH值降低，混凝土发生中
性化现象。
混凝土孔溶液的pH值越高，CaCO 溶解度越
小，孔溶液中发生中性化反应之后Can的浓度减少
得也越多，Ca(on) 晶体的溶解速度也越快。随着
中性化过程的继续，孔溶液的pH不断降低，ca
(0H)，晶体的溶解速度也会减慢，碳化速度相应会
有一些降低。
另外，由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶
解性钙盐，比原反应物的体积膨胀约l1．6％，因