混凝土碳化研究现状.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第6期 2 0 1 1 年 l 2月 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7 1 0 0 5 4； 2 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 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： T U 5 2 8 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 6 2 0 2 0 3 0前言 M a h t a 教授在题为 混凝土耐久性5 0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。2 O世纪 6 O 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2 O 世纪8 0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 4 0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 C 3 S ( 3 C a O S i O 2 ) 、 硅酸二 钙 C 2 S ( 2 C a O S i O 2 ) 、 铁铝酸 四钙 c A F ( 4 C a O A 1 0 F e 2 0 3 ) 和 铝酸三钙 C A( 3 C a O A 1 ： O ) ， 另外 ， 还有少量 的石 膏 C S H ( C a S O 2 H 0 ) 等。其水化产物为氢氧化 钙( 约占2 5 ) 、 水化硅酸钙( 约占6 o ) 、 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 p H值约为 l 2 1 3 ， 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 ： 2 0 1 0 - 0 6 1 0 作者简介： 武俊曦( 1 9 7 7一 ) ， 男， 陕西西安人， 工程师， 主要从事建筑 施工工作。 E ma i l ： w u j u n x i t 9 7 7 1 2 6 。 c o m 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 ： C a ( O H) 2 +C O 2 C a C O 3 +H 2 0 3 Ca O 2 S i O 23 H2 0 +3 C 02 3 C a CO 3。2 S i O2 3 H2 0 3 C a O S i O2+3 C 02+ H2 O +S i O2。- y H2 0 + 3 C a C O 3 2 Ca O S i O2+2C02+ 3 , H2 0_ S i 02 。 H2 0 + 2Ca CO3 文献 2 研究表明， 昆 凝土孔溶液中绝大多数 组分为 N a ， K 和与其保持电性平衡 的 O H一 ， C a n 含量微乎其微， c a ( O H) 大部分是以晶体存在的。 当 C O 扩散到混凝 土孔 溶液， 并分别与 N a ， K ， C a “ 反 应 生 成 N a 2 C O 3 ，K 2 C O 3 ，C a C O 3 。 由 于 N a C O ， K ： C O 溶解度大， 孔溶液中的 N a ， 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 c a 与 C O ； 一发生反应生成 溶解度极低的 C a C O ， ， 并沉积在孔壁表面 ， 导致孔溶 液中 c a 浓度降低 ， 因此 C a ( O H) 晶体继续溶解 ， 并补充孔溶液中失去的 C a 2 浓度。C a ( O H) 晶体 逐渐溶解而碳化反应过程 中 C a C O 晶体逐渐增 多， 这种循环反应一直进行到 C a ( O H) ：晶体完全溶解 和消耗为止， 此时混凝土 p H值降低， 混凝土发生中 性化现象。 混凝土孔溶液的 p H值越高， C a C O 溶解度越 小 ， 孔溶液中发生中性化反应之后 C a n的浓度减少 得也越多 ， C a ( o n) 晶体的溶解速度也越快 。随着 中性 化过 程 的继 续 ， 孔溶 液 的 p H 不 断 降低 ， c a ( 0 H) ，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 l 1 6 ， 因 武俊曦， 等： 混凝土碳化研究现状 2 0 3 此 ， 混凝土的毛细孔隙将被碳化产物堵塞 ， 使混凝土 的密实度和强度有所提 高， 一定程度上阻碍了二氧 化碳和氧气 向混凝土 内部扩散 。另一方面 ， 混凝土 碳化使混凝土的p H值降低， 完全碳化混凝土的 p H 值约为 8 5 9 0 ， 使混凝土中的钢筋脱钝。 2影响碳化的主要因素研究 混凝土碳化是一个非常复杂的过程 ， 影响混凝 土碳化的因素非常多， 这方面的研究主要是围绕环 境 因素 ( 包括环境相对湿度、 温度 、 空气中 C O 的浓 度等) 、 混凝土品质( 包括水胶比、 水泥品种、 水泥用 量、 骨料品种与粒径 、 外加剂、 混凝土强度 、 施工因素 等) 两方面来开展的。 对碳化速度产生影响的环境条件主要是环境相 对湿度 、 温度 、 空气 中 C O 的浓度。 日本 学者给 出 了C O ： 浓度对碳化速度的影响曲线， 并通过快速试 验方 法 回归 给 出 了 C O ：浓度 影 响系 数。P a p a d a k i s 4 刮曾通过试验研究得到相对湿度对扩散系 数的影响。李果 _ 6 和徐道 富 对环境 温度 、 相对湿 度对混凝土碳化速度的影响进行 了试验研究 ， 并建 立 了考虑环境温、 湿度气候条件 的混凝土碳化速度 预测模型。蒋清野在分析了 1 9 8 1 1 9 9 6年问国内 外碳化资料后认为 ， 碳化速度与相对湿度的关 系呈 抛物线状。朱安 民 通过试验研究得 出不同相对 湿度下混凝土碳化速度的平均比率。 水灰 比是影响碳化速度的主要 因素之一 ， 很多 学者研究了水灰 比对混凝土碳化的影响。 日本学者 岸谷 提出了以水灰 比为 主要参数确 定碳化速度 的计算公式 。S k i j o l s v o l d 1 ， H o DWS 1 l J ， D h i r R K ，方噪等 通过试验研究了水灰比对碳化 深度 ( 速度 ) 的影 响。朱安民 J 、 颜 承越 等通过 长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关 系。 水泥品种与用量是影响混凝土碳化速度的另一 个主要因素。D h i r R K 【 1 2 、 岸谷 J 、 方噪 引、 颜承 越 等人做过不同水泥品种的混凝土碳化对比试 验。H o D wS 1 1 ， T h o m a s MD A ， Ho b b s D w 1 】 ，牛建刚 等人专门研究过粉煤灰 ( 火 山 灰) 水泥混凝土的碳化 问题。C e u k e l a i r e L D L 1 8 研 究过矿渣水泥混凝土的碳化问题 。S a k a i E 等人 也比较过膨胀水泥混凝土与普通水泥混凝土碳化 的 异同。龚洛书 、 Me y e r 、 马文海 、 张誉等 研 究过不同水泥用量对碳化深度的影响。 混凝土抗压强度是混凝土最基本的性能指标， L e w i s ， S mo l c z y k 及 前苏联 学者 通 过研究得 出 碳化深度与抗压强度平方根 的倒数成正 比的结论 。 日 本学者和泉、 中国建筑科学研究院的邸小坛、 颜承 越 得出混凝土碳化深度与抗压强度的倒数成正 比。 混凝土施工质量对混凝土 的品质有很大影响 ， 混凝土浇筑、 振捣不仅影响混凝土的强度， 而且直接 影响混凝土的密实性 ， 因此， 施工质量对混凝土碳化 有很大 影响。D h i r _ 2 ， F a t t u h i - 2 的研究结果表 明， 养护时间对混凝土碳化速度的影响很大。N a g a t a k i s ， E w e r t s o n 等研究了养护方法对混凝土 碳化的影响。邸小坛对养护时间对 昆 凝土碳化速度 的影响进行了研究并给出修正系数。刘亚芹 研 究了覆盖层对混凝土碳化速度的影响。 3碳化深度预测模型研究 混凝土碳化深度预测模型一直是结构工程领域 研究 的热点问题 ， 国内外学者已提出了很多碳化深 度预测模型 ， 基本上可以归纳为三种类型。 3 1 基于扩散理论的理论模型 前苏联的学者阿列克谢耶夫等人 深入研究 了 昆 凝土碳化这个多相物理化学过程 ， 得到碳化过 程 由 C O 在 混凝土孔 隙 中扩散控 制 的结论 ， 并 由 F i c k 第一扩散定律推导得到了混凝土碳化理论模 型。希腊学者 P a p a d a k i s 等人 根据 C O 及各可碳 化物质在碳化过程中的质量平衡条件建立偏微分方 程组 ， 经简化求解给出另一种理论模型。两者所用 方法不同， 但模型最后形式均表明混凝土碳化深度 与碳化时间的平方根成正 比。理论模型的优点在于 模型的物理意义明确， 有理论基础， 但其不足之处是 模型参数不易确定， 不便于工程应用。 3 2 基于碳化试验的经验模型 由于理论模型中许多参数很难确定， 不便与实 际工程应用 ， 因此出现 了基于试验和工程实测的经 验模型 。经验模型大多数是以混凝土碳化深度与碳 化时间的平方根成正 比的基础上， 对碳化系数进行 研究。由于不 同学者考虑的影响因素不 同， 因此往 往得到的计算模型形式是不同的。比较有代表的是 日本学者岸谷孝一 基于水灰 比提出的经验模型 ， 黄士元等 考虑水灰 比和水泥用量 回归给出的碳 化深度计算公式 ， 牛荻涛 。 考虑混凝土碳化的随机 性 ， 建立的基于混凝土抗压强度的碳化深度预测模 型， 山东建科院的朱安 民 给 出的考虑水泥 品种、 粉煤灰 、 气象条件影响的混凝土碳化深度经验公式 ， 中国建筑科学研究 院的邸小坛 3 提 出的以混凝土 抗压强度标准值为主要参数， 考虑环境修正、 养护条 件修正和水泥品种修正的碳化计算公式等。 3 3 基于扩散理论和碳化试验的碳化模型 同济大学张誉等 在全面分析混凝土碳化机 理和影响因素之后， 基于碳化理论分析与试验结果 建立了混凝土碳化实用数学模型。蒋利学 在数 值计算的基础上， 提出了混凝土部分碳化区的概念， 分析了影响部分碳化区长度的因素， 并给出了部分 碳化区长度的计算模型。西安建筑科技大学牛建刚 等 在阿列克谢耶夫模型基础上， 考虑粉煤灰对碳 化的影响， 建立了粉煤灰混凝土碳化深度预测模型。 四川建筑科学研究 第 3 7卷 4 荷 载 作 用 下 混 凝 土 碳 化 研 究 褰 纂 鬈 耐 久 鹿 岛 建 设 由于泌水、 收缩、 温度梯度 以及冻融等原因， 浇 筑后的混凝土在使用前就已经存在微 裂缝 ， 这些微 裂缝可以形成潜在的传输通道， 使侵蚀性介质更容 易进入混凝土内部。在外部荷载作用下混凝土内部 会产生更多的微裂缝并使混凝土中的原始微裂缝扩 展和相互连通 ， 因此 ， 混凝土结构所受荷载 的形式和 大小必然影响混凝土的碳化速率。现实中混凝土结 构不可能不受荷载的作用， 近年来， 众多学者对荷载 作用下混凝土碳化研究给予了更多的关注。 C a s t e l ， 袁承斌通过实验发现， 拉应力的存在会 加速混凝土的碳化速度。金祖权对不同荷载下混凝 土中 C O 的扩散系数进行了研究， 并建立了加载与 非加载下混凝土中 C O ： 扩散系数的关系。牛建刚 对不同弯曲荷载下粉煤灰混凝土碳化深度进行了试 验研究， 并得出应力影响系数计算公式。刘亚芹 j 研究了单轴拉压状态下混凝土的抗碳化性能。对于 预应力混凝土试件 ， 东南大学进行 了碳化耐久性试 验研究 。 5 结论与展望 国内外学者经过 4 O多年的研究与探索， 在混凝 土碳化机理、 碳化深度影响因素、 碳化深度的计算模 型方面取得了丰硕的成果。混凝土碳化深度与碳化 时间的平方根成正 比已被大家广泛接受 ， 但是由于 影响混凝土碳化速度的因素多而复杂 ， 对碳化系数 的计算模型并没有统一。对结构进行耐久性设计是 建筑结构设计发展 的方 向与趋势， 一个便于实际工 程应用的、 统一而又被大家广泛接受 的碳化深度计 算模型是耐久性设计的基础， 因此， 混凝土碳化模型 仍然是工程界研究的热点及难点问题。 参 考 文 献 ： 1 龚洛书， 柳春圃 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 ， 1 9 9 0 2 柳俊哲 混凝土碳化研究与进展( 1 ) 碳化机理及碳化程度 评价 J 混凝土， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 1 0 1 3 3 T a y l o r H F W C e m e n t C h e m i s t r y M 2 n d e d L o n d o n ： T h o m a s Te l f o P u b l i s h i n g， 1 9 9 7 4 P a p a d a k i s V G， V a y e n a s C G ， F a r d is M N P h y s i c a l a n d c h e m ic a l c h a r a c t e r i s t i c s a ff e c t i n g t h e d u r a b i l i y o f c o n c r e t e J A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 ： 1 8 6 5 P a p a d a k i s V G， V a y e n a s C G ， F a r d i s M N F u n d a m e n t a l m o d e l i n g a n d e x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c re t e c a r b o n a t i o n J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1， 8 8： 3 6 3- 3 7 3 6 李果， 袁迎曙， 耿欧 气候条件对混凝土碳化速度的影响 J 混凝土， 2 0 o 4 ( 1 1 ) ： 4 9 5 1 7 徐道富环境气候条件下混凝土碳化速度研究 J 西部探矿 工程 ， 2 0 0 5 ( 1 0 )： 1 4 7 1 4 9 8 朱安民混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性 J 混凝土， 1 9 9 2 ( 6 ) ： 1 8 - 2 2 1 0 S k ij o l s v o l d 0 A C I S P一9 1 M a d r i d P r o c M 1 9 8 6 ( 2 ) ： 1 0 3 1 1 0 4 8 1 1 H 0 D w S ， L e w i s R L T h e c a r b o n a t i o n o f c o n c re t e a n d i t s p r e d ic t i o n J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 7 ， 1 7 ： 4 8 9 - 5 0 4 f 1 2 D h i r R K。 H e w l e t t P C C h a n Y N N e a r s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s 0 f c o n c ret e ： p r e d i c t i o n o f c a r b o n a t i o nres i s t anc e J Ma g a z i n e o f C o n c ret e R e s e a r c h， 1 9 8 9， 41 ：1 3 7 - 1 4 3 1 3 方噪， 梅国兴， 陆采荣 影响混凝土碳化主要因素及钢筋锈 蚀因素试验研究 J 混凝土， 1 9 9 3 ( 2 ) ： 2 3 - 2 6 1 4 颜承越水灰比一碳化方程与抗压强度一碳化方程的比较 J 混凝土， 1 9 9 4 ( 3 ) ： 4 6 -4 9 1 5 T h o m as M D A ， M a t t h e w s J D C a r b o n a t i o n o f fl y a s h c o n c re t e J Ma g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 2， 4 4： 2 1 7- 2 2 8 1 6 H o b b s D W C a r b o n a t io n o f c o n c r e t e c o n t N n i n g P F A J M a g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 4， 4 6： 3 5 - 3 8 1 7 牛建刚 一般大气环境多因素作用混凝土中性化性能研究 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 0 8 f 1 8 1 C e u k e l a i r e L D， N i e u w e n b e g D V A c e e l e mt e d c arb o n a t i o n o f a b l a s t f u rna c e c e m e n t c o n c ret e J C e m e n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h ， 1 9 9 3。 3： 4 4 2 45 2 1 9 S a k a i E ， K o s u g e K ， T e r a m u r a S ， e t a 1 D u r a b i l i t y o f c o n c re t e ， 1 9 9 1 ， ACI S P一1 2 6： 9 8 9 - 1 0 0 0 2 0 阿列克谢耶夫 钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护 M 黄可 信， 吴兴祖 ， 等译北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 3 2 1 马文海 水泥用量对碳化深度的影响 J 低温建筑技术， 1 9 8 6 ( 1 ) ： 2 7 - 3 2 2 2 张誉 ， 蒋利学， 等 混凝土碳化深度的计算与实验研究 J 混凝土 ， 1 9 9 6 ( 4 ) ： 1 2 1 7 2 3 S m o l e z y k H G P r o c R I L E M S y m p T e s t i n g o f C o n c r e t e ， 1 9 6 2： 4 8 5- 4 8 9 2 4 D h i r R K， H e w l e t t P C ， C h a n Y N N e a r s u r fa c e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c re t e ： p re d i c t i o n o f c ar b o n a t i o n re s i s t a n c e J M a g a z i n e o f Co n c ret e Re s e a r c h， 1 9 8 9， 41 ： 1 3 7 1 4 3 2 5 F a t t u h i N I C a r b o n a t i o n a n d c o n c r e t e a s a ff e c t e d b y mi x c o n s t i t u t e n t s a n d i n i t i ,d w a te r u r i n g p e ri o d j 1 Ma t e r i a u x E t e o n s t r u e t i o n s ， 1 9 8 6， 1 9： 1 3 1 1 3 6 2 6 N aga t a k i s E ff e c t o f c u ri n g c o n d i t i o n s o n t h e c ar b o n a t i o n o f c o n c r e t e wi t h fl y a s h a n d t h e c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t in l o n g - t e r m t e s t J A C I S P一 9 1 ， 1 9 8 6 ， 1 ： 5 2 1 - 5 4 0 2 7 E w e s o n C T h e i n fl u e n c e o f c u ri n g c o n d i t io n s o n t h e p e rme a b i l i t y a n d d u r a b il i ty o f c o n c re t e r e s u l t f r o m afi e l d e x p o s u re t e s t f J 1 C e - me n t a n d c o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 3， 2 3： 6 8 3 2 8 刘亚芹， 等 表面覆盖层对混凝土碳化的影响与计算 J 工 业建筑 ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 8 ) ： 4 1 45 2 9 许丽萍， 黄士元 预测混凝土中碳化深度的数学模型 J 上 海建材学院学 报， 1 9 9 1 ， 4 ( 4) ： 3 4 7 5 6 3 0 牛荻涛混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 3 3 1 邸小坛， 周燕旧建筑物的检测加固与维修 M 北京： 地震 出版社 。 1 9 9 2 3 2 张誉， 蒋利学， 张伟平， 等混凝土结构耐久性概论 M 上 海： 上海科学技术版社， 2 0 0 3 3 3 蒋利学， 张誉 混凝土部分碳化区长度的分析与计算 J 工 业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 4 - 7 3 4 刘亚芹 混凝土碳化引起的钢筋锈蚀实用计算模式 D 上 海 ： 同济大学。 1 9 9 7 3 5 涂永明， 吕志涛 应力状态下混凝土的碳化试验研究 J 东南 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 5 ) ： 5 7 3 - 5 7 6