略论水工钢筋混凝土的碳化机理与防碳化处理
摘要：随着经济和社会的快速发展，我国的水利基础建设工程规模越来越大。

当前水工建筑中基本以钢筋混凝土结构为主。

水工钢筋混凝土常见的破坏主要是碳化。

本文将对造成水工钢筋混凝土碳化的机理进行分析，并提出切实有效的防碳化处理措施。

关键词：水工钢筋混凝土；碳化机理；防碳化处理；分析
中图分类号：tu37文献标识码： a 文章编号：
1 钢筋混凝土碳化概述
钢筋混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。

它是空气中二氧化碳与水泥中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化、使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。

混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，导致混凝土中钢筋锈蚀。

同时钢筋，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

2 水工钢筋混凝土的碳化机理与防碳化处理
2.1 钢筋混凝土的碳化机理分析
钢筋混凝土的碳化程度与对混凝土的破坏作用成正比，因此，掌握混凝土的碳化机理和防控措施在混凝土工程中越来越引起行业内工程技术人员的重视。

水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总
体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。

混凝土具有毛细管的特点，这些孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和骨料接触处的孔穴等等。

此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。

普通混凝土的孔隙率一般不少于8%～10%。

根据已碳化完了的试件的孔隙壁及内部的取样，测定其钙化比得知，碳化反应主要发生在孔隙内壁上。

但是，碳化降低了混凝土孔隙液体中ph值，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀，随后钢筋径向膨胀，保护层顺筋开裂，最后钢筋锈蚀加剧直至结构破坏；混凝土碳化破坏了混凝土结构的表面稳定的水化生成物，碳化反应生成的碳酸钙强度较低，从而降低混凝土强度。

同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土产生裂缝,从而破坏建筑物。

混凝土的碳化是伴随着co2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。

所以，混凝土的碳化速度取决于co2气体的扩散速度及co2与混凝土成分的反应性。

而co2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、co2气体的浓度、环境温度、湿度等因素影响，所以碳化反应受混凝土内孔隙溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。

主要包括以下几个部分：酸性介质：酸性气体（如co2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的氢氧
化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致水泥石逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。

试验研究已证明，混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。

混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子作用。

氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙，氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃烂性锈蚀。

温度和光照：混凝土温度骤降，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。

阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了其化学反应和碳化速度。

据检测同一结构的背阳面的碳化速度是阳面的60%～80%。

相对湿度：周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。

过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50%～70%，混凝土碳化速度最快。

因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。

实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。

冻融和渗漏：在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻
结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。

渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。

2.2 水工钢筋混凝土防碳化处理措施
在水工钢筋混凝土防碳化处理中主要包括以下几种方法：（1）提高钢筋混凝土的抗渗性。

由以上所知，钢筋混凝土的碳化与其抗渗性有直接关系。

一般说来，钢筋混凝土的抗渗性能越好，则混凝土的碳化速度越慢。

因此为防止混凝土的碳化，必须提高混凝土的抗渗性。

影响混凝土碳化速度的主要因素是水灰比。

水灰比小的混凝土水泥浆的组织密实，透气性小，既有较好的抗渗性，因而碳化速度慢。

所以在拌制混凝土时，在满足设计要求和施工要求的情况下，尽量降低水灰比，减少用水量，增加密实度，提高混凝土的抗渗性。

为此，可掺引气型的高效减水剂，一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不连通的微小气泡，阻止了co2的渗透，另一方面也大大减少了混凝土的用水量，增加了混凝土的密实度，提高了抗渗性；应选用颗粒细、水化热低的水泥。

因为越细，凝结越快，泌水越少，抗渗性能越好。

水泥标号一般不低于425#；细骨料要求砂的颗粒均匀、圆滑、质地坚硬、平均粒径为0.4mm左右的河砂，含泥量<3%，并含适量的粉砂；选用粗骨料，除大体积外，一般情况下粒径5–30mm为宜，最大粒径不超过40 mm、含泥量<1%，要求组织细密、颗粒整齐、质地坚硬，另外级配要优良，以改善混凝土的和易性，
增加密实度，提高抗渗性。

由于各种原因容易使混凝土产生裂缝。

混凝土建筑物中常见的裂缝有：干缩裂缝、塑性收缩裂缝、沉降裂缝、温度裂缝等。

混凝土搅拌时间要适当，浇筑时下料不要太快，防止堆积，振捣要密实，但避免过振，一般振捣时间为每次10–15s，混凝土初凝前要抹平，终凝前要压光，压光后要及时用湿草帘苫盖或喷涂养护剂认真养护。

夏天气温高，要及时喷水养护，使其保持湿润；防止温度裂缝的措施有：施工时，首先要考虑矿渣水泥、粉煤灰水泥，对于大体积混凝土要用中热或低热水泥，同时在保证强度指标的情况下加入一定量的活性掺合料(如粉煤灰、矿渣微粉等)。

在一定范围内，活性掺合料对水泥的代用量越多，降低混凝土温升的效果越好。

另外可充分利用混凝土的后期强度，根据工程结构实际承载力和工期长等情况，和设计单位协商，用56d、90d
的抗压强度代替28d的抗压强度做为设计强度。

如充分利用混凝土的后期强度，可使每方混凝土少用水泥约50kg，则混凝土温度可降低约5℃，可减少混凝土温度裂缝。

再就是在大体积混凝土里加入缓凝、引气型的减水剂，以改善其和易性、流动性、粘聚性、保水性。

通过分散和减水作用，可降低用水量，增加混凝土的密实度和强度，同时还降低水化热，推迟温峰出现的时间，因而减少温度裂缝，亦提高混凝土抗渗性。

（2）要用生成ca(oh)2多的水泥。

由于水泥品种、掺合料品种及其掺量的不同，水泥水化时生成的碱性物质ca(oh)2含量都有所不同，故对混凝土的碳化速度也有一定的影响，生成 ca(oh)2多的水泥，其混凝土碳化速度慢。

所以施工时要
选择生成ca(oh)2多的水泥，以减慢混凝土的碳化速度。

如：使用普通硅酸盐水泥浇筑的混凝土要比使用早强硅酸盐水泥浇筑的混凝土碳化速度稍快些。

而使用加掺合料的水泥浇筑的混凝土则比使用普通硅酸盐水泥浇筑的混凝土碳化速度要快些。

因为熟料含量多、掺合料少的水泥，通常碱性较高，碳化速度慢。

掺粉煤灰、煤矸石者一般比掺等量矿渣的水泥碳化快，高铝水泥在水化过程中不生成氢氧化钙，所以混凝土不显碱性，易于碳化。

各种水泥混凝土的碳化速度参见碳化速度比率r表。

适当增加钢筋混凝土保护层的厚度，以延缓二氧化碳等到达钢筋表面的时间。

为防止渗透在混凝土结构表面涂刷抗渗性和耐久性好的有机防渗层材料，在一定程度上可以阻滞空气的渗透而减慢混凝土的碳化。

在混凝土里掺阻锈剂，这样也可以防止由于混凝土的碳化而引起的钢筋锈蚀。

结语
随着科学技术的不断发展，水工钢筋混凝土防碳化处理技术和施工工艺不断更新和进步。

水工建筑养护部门需要及时了解建筑钢筋混凝土碳化机理并制定出科学的防碳化处理措施保证建筑的安全和使用寿命。

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