作者：张成维   何小军   甘世鹏   

【摘要】：通过粉煤灰和矿渣对混凝土碳化性能影响的分析,讨论了粉煤灰和矿渣单掺和复掺在不同水胶比下对碳化深度的影响,对目前国内外降低混凝土碳化速率的方法进行了汇总,指出研究混凝土抗碳化耐久性的重要性。

矿物掺合料的应用在我国已有50 多年的历史。在20世纪五六十年代，矿物掺合料常常是作为一种“废物”而加以利用，主要目的是为了节约水泥，降低成本；到了20世纪七八十年代，大坝混凝土中开始大量应用粉煤灰，其主要目的已经不再单纯是节约水泥，而是降低水化热；从90年代开始，随着高强高性能混凝土的研究与应用不断深入，混凝土的许多性能可以通过掺一定量的矿物掺合料得以改善。到现在，矿物掺合料不再以“废物”的形式出现，而是作为改善混凝土性能的一种必要材料被加以利用。由于掺合料混凝土碳化问题较为复杂，且影响因素众多，因此开展混凝土碳化规律研究，对在实际工程中的推广使用以及掺合料混凝土结构耐久性评估具有重要意义。

1 混凝土碳化机理

混凝土的碳化是指在自然环境中，空气中的CO 2气体不断扩散到混凝土内部的毛细孔中与其中孔隙液所溶解的Ca(OH) 2进行中和反应，生成碳酸盐或其他物质的化学现象。水泥水化后的产物为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等，其稳定存在的pH 值（见表1）。

混凝土的孔隙水为氢氧化钙饱和液，其pH 值约为12～13 ，呈强碱性。在有水条件下这些物质会与CO2气体发生碳化反应，反应过程为：

CO2+ H2O → H2CO3

Ca(OH)2+ H2CO3→ CaCO3+ 2H2O

C2S2H3+ 3H2CO3→ 3CaCO3+ 2SiO2+ 6H2O

2 影响混凝土碳化性能的因素

2.1 材料因素

水胶比的影响。李贞等认为不管是否掺入矿物掺合料，对碳化深度影响最大的是混凝土的水胶比。余波等研究得出随着水胶比的增加，混凝土的碳化深度逐渐增加。李春辉等认为碳化深度随着水胶比的增大而增大，且在28d 以前增加速度快，28d以后速度增加相对缓慢。

宋华等通过试验分析得知采用掺合料混凝土时，降低水胶比可大大提高其抗碳化能力。孙元生等认为对水胶比大于0.5 的混凝土，水胶比作为碳化数学模型的“单自变量”，能较好反映混凝土的碳化情况混凝土；对水胶比小于0.5的混凝土，水胶比作为碳化数学模型的单一自变量，则不能反映混凝土的碳化情况。根据赵庆新等关于不同水胶比下混凝土碳化规律的研究得出当水胶比小于0.43时，碳化深度值增加缓慢，对碳化耐久性影响不大；水胶比大于0.43时，碳化深度值迅速增加，对混凝土的抗碳化性能影响显著。这一结论与前者的见解基本一致，并总结出水胶比对碳化深度的影响公式：

着水胶比增大而增大的原因可能是：强度降低，从而导致混凝土碳化深度值增大；混凝土中Ca +浓度降低，为了维持平衡，Ca(OH) 2就会不断溶解，结果使液相碱度及碱储备降低，当pH 值或Ca(OH)2降X = -1.03 + 0.11e 8.52W/B

刘斌依据试验结果总结出混凝土碳化深度与水胶比的方程：

X = -19.2437 + 45.85W/B + 24.3714

朱红英等分析混凝土碳化深度随低到一程度时，周围其他含钙水化产物还会分解、碳化，导致混凝土碳化深度值增大，抗碳化能力降低。

掺合料的影响。混凝土中掺入的粉煤灰、矿渣等活性掺合料，与水泥水化后的产物结合，混凝土碱性降低，使混凝土抗碳化能力减弱。一是单掺粉煤灰对碳化的影响。赵庆新等通过试验研究发现粉煤灰掺量低于20% 时，其对混凝土抗碳化性能影响较小，当粉煤灰掺量超过20%以后，混凝土碳化深度显著增加。朱劲松等经试验得出当掺量超过30%时，混凝土碳化深度增加明显加快。吴克刚等通过加速碳化试验研究了粉煤灰混凝土的碳化性能，结果表明随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗碳化性能降低，且掺量大于40%后，碳化深度明显增大。阿茹罕、阎培渝等认为当粉煤灰掺量控制在40%以内时，同强度等级的不同粉煤灰掺量的混凝土抗碳化性能基本相同，且粉煤灰最大掺量不宜超过65%。Atis的研究表明，掺50%粉煤灰的混凝土碳化深度低于不掺粉煤灰的混凝土的碳化深度。朱艳芳等研究了粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土碳化影响，认为粉煤灰掺量在60%以内，其抗碳化性能能满足工程要求。当探究混凝土中粉煤灰掺量为多少时对其碳化性能较为有利，往往由于水泥、掺合料品种与试验条件的不同而不尽一致。为保证混凝土的抗碳化性能，粉煤灰掺量最好控制在60%以内。

二是单掺矿渣对碳化的影响。胡建军等通过自然碳化和快速碳化实验测试矿渣粉掺量与混凝土碳化深度的关系发现当矿渣掺量为30% 时，抗碳化性能相对最好，随着矿渣掺量的增大，碳化深度逐渐增大；且当掺量小于60%时，碳化深度均小于纯水泥试样。由此可见，矿渣粉掺量最大值可以达到60%。闵婕等经试验分析发现：当矿渣掺量在30%以内时，矿渣混凝土与基准混凝土抗碳化性能基本一致，当矿渣掺量高于30%，低于50%时，其抗碳化性能明显下降。

三是复掺粉煤灰和矿渣粉对碳化的影响。Jones 等研究表明，双掺粉煤灰、矿渣混凝土抗碳化性能均低于单掺粉煤灰和普通混凝土。王培铭等的研究表明复掺粉煤灰和矿渣粉，混凝土的抗碳化能力随粉煤灰掺入比例的提高而降低。周万良等认为复掺粉煤灰和矿粉的混凝土存在一个使其抗碳化能力达到最大的粉煤灰与矿粉的掺配比例。在合适的掺配比例范围内混凝土抗碳化能力增加，超出合适的掺配比例，随粉煤灰掺量增加混凝土的抗碳化能力不断降低。朱艳芳等经试验研究认为当粉煤灰和矿渣粉总掺量不变时，随着粉煤灰掺量的上升，混凝土碳化深度相应增加。当粉煤灰掺量不变时，随着矿渣掺量的上升，混凝土碳化深度也增大。宋华等试验结果表明，当粉煤灰和矿渣粉的总量不变时，粉煤灰和矿渣粉的掺配比例为1∶2的混凝土具有较高的抗碳化性能。

双掺粉煤灰和矿渣时, 混凝土碳化深度随着总掺量的增加而增加。当总掺量不变时, 随着粉煤灰的比例增大矿渣掺量减小，混凝土碳化深度增大。且二者存在一个最适宜的掺配比例，使混凝土抗碳化性能最优。但到目前为止，粉煤灰和矿渣的掺配比例尚未有明确界定。

2.2 环境因素

环境因素包括自然环境和使用环境两个方面，自然环境包括环境相对湿度，温度、应力以及二氧化碳浓度等；使用环境主要指混凝土构件的受力状态及应力水平，它们主要通过影响二氧化碳扩散速度及碳化反应速率来影响混凝土碳化速度。

2.3 施工因素

施工因素主要是指混凝土的搅拌、振捣和养护条件等，它们主要通过影响混凝土的密实性来影响混凝土的碳化速度。实际调查结果表明其他条件一样的情况下，施工质量越好，混凝土强度越高，密实性越好，抗碳化能力也越强；施工质量差，由于混凝土内部裂缝、蜂窝和孔洞等因素增加了二氧化碳在混凝土中的扩散路径，使得碳化速度加快。同样，养护方法与龄期的不同也会造成密实性和可碳化物质的不同，从而会对碳化速度产生不同的影响。

3 混凝土碳化处理与改善措施

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。对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深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，应在修补前除锈，并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋，要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内，使内部和钢筋一直处在高碱性环境中。实际工程中经常应用环氧厚浆涂料、硅粉砂浆、混凝土缝面处理等几种碳化处理方法。

针对影响混凝土碳化的因素，一般提出的改善措施：合理设计混凝土配合比、采用机械振捣、用涂料或其他措施进行表面处理、选用透气性小且密实的骨料、增加混凝土保护层厚度等。

综上所述，混凝土碳化是混凝土耐久性研究极其重要的一个内容，本文对矿物掺合料混凝土的碳化机理、影响因素及其改善措施进行了综述。引起混凝土碳化的因素较多，本文主要讨论了水胶比和粉煤灰、矿渣掺量等方面的影响，同时对混凝土碳化的处理及改善措施进行了简单介绍。
（来源：《混凝土世界》2019.06）