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【摘要】混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀、影响混凝土耐久性的重要原因之一。本文通过查阅多方资料并结合部分经验阐述了钢筋混凝土碳化原因、碳化机理、碳化影响因素，最后提出了防止混凝土碳化所采取的一些措施，可更好的指导实践，以期为同行提供参考。
【关键词】混凝土碳化；碳化机理；影响因素；防治对策
1. 引言
（1）混凝土中性化，又称碳化，是指空气中的CO2不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生化学反应使混凝土的碱度降低直至中性化的过程，是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。许多因素如混凝土水灰比、可碳化物质含量、环境的温度与湿度、CO2浓度、荷载作用方式及水平、混凝土密度与孔结构的时间变化性等都会影响到混凝土的中性化过程。
（2）混凝土是一个多孔体，空气中的CO2扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化产生的氢氧化钙、水化硅酸钙及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙相互作用，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。
由于水泥水化产生大量Ca（OH）2、CSH凝胶和C3AH6等碱性水化物，同时由于水泥中含有少量的K2O和Na2O，使得混凝土具有较高的碱度（PH>12.5），混凝土的高碱度对于保持结构物的耐久性是极其重要的。
（3）钢筋在混凝土的高碱度环境中，其表面会形成一层钝化膜，它是一层不渗透的牢固地粘附于钢筋表面上的氧化物。钝化膜的存在，使钢筋表面不存在活性状态的铁，从而使钢筋免受腐蚀。研究表明，混凝土的高碱度是保护钢筋不腐蚀的最重要的条件，通常PH>11.5称为保护钢筋的“临界值”；而碳化后PH为8～9，所以中性化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面钝化膜遭到破坏而腐蚀。
（4）混凝土保持适当的高碱度，其意义不只在于保护钢筋，还在于保持水泥水化产物的稳定性。水泥石处于一定的碱度中，各水化产物能稳定存在，并保持良好的胶结能力，碳化使混凝土碱度降低的过程中，水泥水化产物有被分解的可能，最终可能致混凝土强度降低或丧失。
（5）另外碳化过程中释放出水化产物中的结晶水，使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程：另外，碳化还使混凝土变脆，构件延性变差。
2. 基于Fick定律的碳化模型
（1）混凝土中性化的经典理论是基于Fick第一扩散定律的碳化模型，这一模型认为混凝土的碳化深度与时间的1/2次方成正比，目前已被大量室内试验和工程现场调查资料所证实，具体表示为［1］：
［2］的研究中也有类似的碳化模型表述。宋晓冰［3］指出该模型的关键在于K的取值，K值的选取应综合考虑混凝土的渗透性和外界环境条件。混凝土的渗透性包括水泥品种、水灰比、施工和养护等；环境条件包括温度、湿度和CO2浓度等。山东建筑科学研究院［4］根据试验得到速度系数和水灰比之间的关系，具体为K=12.1W/C-3.2（mm/t1/2）。
（2）金伟良［5］认为碳化深度d并不一定与时间的平方根成线性关系，而应该为更一般的形式，即d=atλ，λ为碳化指数，并通过x2检验方法对λ统计分布进行拟合性检验。杨建森［6］的文章中也赞同这种碳化速度表示形式，但他同时认为采用可靠度进行计算在工程应用中相对困难。所以他采用定值估算，建议λ取0.95分位点的数值，即为0.67，表示碳化深度预测值具有95%的可靠性。
3. 影响混凝土碳化的因素
（1）P.E. Grattan-Bellow［7］从微观角度研究了水泥混凝土劣化机理。他指出水泥20%的水化产物是氢氧化钙，该物质为强碱性，十分容易与其它物质如软水、氯离子、弱酸等发生化学反应。他同时将混凝土劣化的外部原因分为物理因素、化学因素和物化因素。物理因素包括冻融、热膨胀、干缩、火灾等，化学因素包括软水、海水、氯离子、酸、硫酸盐、二次钙矾石形成、碱骨料反应等，物化因素包括裂缝造成钢筋锈蚀、电解反应等。
（2）所以混凝土结构劣化是因为两个方面引起的，内因是混凝土结构中的化学成分和结构形式；外因主要是环境中侵蚀性介质和水的存在。混凝土结构劣化，往往是内、外因综合作用的结果。
（3）混凝土中微裂缝是CO2向混凝土扩散的快速通道，而应力往往是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受应力的形式和大小必然影响混凝土的碳化速率。
（4）混凝土中微裂缝是CO2向混凝土扩散的快速通道，而应力往往是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受应力的形式和大小必然影响混凝土的碳化速率。
（5）袁承彬［8］采用受拉杆对试件加载的方法，研究了压应力和拉应力作用下混凝土的碳化特性，拉应力的存在会加速混凝土的碳化，拉应力状态下的碳化综合系数Ki与无应力状态下的碳化系数K的关系为：
Ki=K-0.20512σt+0.31418σt2
一般工程中，可以取受拉应力系数ks=1.1，受压应力系数kp=1.0。
（6）除了荷载外，环境条件也对中性化产生显著的影响。环境条件主要包括环境中的CO2的浓度、环境温度及环境湿度。
由于中性化反应是一种化学反应，与此有关的物质浓度对其反应速度有很大的影响，CO2浓度越高，中性化速度就越快。
（7）环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，湿度较小时，混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态，虽然CO2气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢；濕度较高时，混凝土的含水率较高，阻碍了CO2气体在混凝土中的扩散，故碳化速度也较慢。
（8）山东建筑科学研究院［9］通过试验研究，给出相对湿度为90%、70%、50%的室内条件下，混凝土碳化速度的平均比率约为0.6：1.0：1.4。同是室外环境，由于各地区的环境温湿度不同，碳化速度差别较大，在年平均相对湿度较低、降雨量较小的兰州地区，混凝土碳化速度较快，而在潮湿多雨的贵阳地区，则碳化较慢。牛荻涛［1］的长期暴露试验表明，兰州、济南、武汉与贵阳地区的碳化速度比率约为1.2：1.0：0.85：0.5。 （9）清华大学［10］在建立混凝土碳化数据库时，给出了环境相对湿度对碳化的影响公式为：
对实际混凝土建筑物，环境湿度、环境温度及环境CO2浓度存在复杂的相互作用，因此，常常是将环境分为室内环境与室外环境、室外淋雨与不淋雨环境等。
（10）Alexander Steffens［11］根据Arrhenius方程建立了温度、湿度和CO2浓度多重影响下的碳化深度计算模型，该模型以二维图象形式进行模拟计算，可以十分方便和直接地反映不同外界条件下的混凝土碳化深度变化情况。这也同时指明了中性化研究的一个趋势。
4. 混凝土碳化的防治对策
混凝土碳化破坏的防治，对于混凝土的碳化破坏，我们在施工中总结出了一系列治理措施：
（1）在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品种；对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部位宜选高强度水泥。
（2）分析骨料的性质，如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有一定的延缓作用。
（3）要选好配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输，及时的养护等各项严格的工艺手段，以减少渗流水量和其它有害物的侵蚀，以确保混凝土的密实性。
（4）若建筑物地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层保护效果较好，对建筑物地下部分在其周围设置保护层；用各种溶注液浸注混凝土，如：用溶化的沥青涂抹。
（5）若建筑物一旦发生了混凝土碳化，最好采用环氧材料修补，若碳化深度较大，可凿除混凝土松散部分，洗净进入的有害物质，将混凝土衔接面凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填补，最后以环氧基液做涂基保护。
（6）混凝土碳化的反映与混凝土浇注完毕后的养护工作有一定的关系， 只要混凝土养护及时到位即可减低混凝土碳化深度， 一般养护保持混凝土表面湿润7d～14d即可。
5. 结语
混凝土的碳化逐渐的深入从而将二氧化碳逐步引入，当碳化深度超过混凝土的保护层时混凝土便失去了对钢筋的保护作用，而钢筋一旦腐蚀体积便会膨胀，反作用于混凝土对混凝土施加应力，从而危害整个钢筋混凝土结构。本文对混凝土碳化的原因、碳化机理、碳化影响因素以及碳化的防治对策进行了介绍，并探讨了混凝土碳化的防治， 以期为同行提供参考。
参考文献
［1］牛荻涛，混凝土结构耐久性与寿命预测［M］. 北京：科学出版社，2003年2月.
［2］赵卓、霍达等受腐蚀混凝土结构的随机腐蚀损伤［J］. 中国港湾建设，2001（1）pp. 23～25.
［3］宋晓冰，刘西拉. 结构耐久性设计的混凝土保护层厚度［J］. 工业建筑， Vol. 31， No. 10， 2001， pp. 43～46.
［4］朱安民.混凝土碳化与钢筋锈蚀的试验研究［D］. 济南：山东省建筑科学研究院，1989年.
［5］金伟良. 混凝土碳化指数的概率模型［J］. 混凝土，2000 （1）.
［6］杨建森；何党庆. 钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理和防腐措施［J］. 宁夏大学学报（自然科学版），Vol. 22， No. 3， 2001年，pp. 298～301.
［7］P. E. Grattan-Bellow，etc.，Microstructural investigation of deteriorated Portland cement concretes Construction and Building Materials， Vol. 10， No.1，pp. 3～16， 1996.
［8］袁承斌. 预应力混凝土结构在碳化及氯离子侵蚀环境下的耐久性研究［D］. 河海大学，2002.
［9］朱安民. 混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性［J］. 混凝土，1992（6）.
［10］蒋清野、王洪深、路新碱. 混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析［R］. 攀登计划——钢筋锈蚀与混凝土凍融破坏的预测模型1997年度研究报告，1997年12月.
［11］Alexander Steffens， etc. Modeling carbonation for corrosion risk prediction of concrete structures， Cement and Concrete Research 32 （2002） 935～941.
【关键词】混凝土碳化；碳化机理；影响因素；防治对策
1. 引言
（1）混凝土中性化，又称碳化，是指空气中的CO2不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生化学反应使混凝土的碱度降低直至中性化的过程，是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。许多因素如混凝土水灰比、可碳化物质含量、环境的温度与湿度、CO2浓度、荷载作用方式及水平、混凝土密度与孔结构的时间变化性等都会影响到混凝土的中性化过程。
（2）混凝土是一个多孔体，空气中的CO2扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化产生的氢氧化钙、水化硅酸钙及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙相互作用，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。
由于水泥水化产生大量Ca（OH）2、CSH凝胶和C3AH6等碱性水化物，同时由于水泥中含有少量的K2O和Na2O，使得混凝土具有较高的碱度（PH>12.5），混凝土的高碱度对于保持结构物的耐久性是极其重要的。
（3）钢筋在混凝土的高碱度环境中，其表面会形成一层钝化膜，它是一层不渗透的牢固地粘附于钢筋表面上的氧化物。钝化膜的存在，使钢筋表面不存在活性状态的铁，从而使钢筋免受腐蚀。研究表明，混凝土的高碱度是保护钢筋不腐蚀的最重要的条件，通常PH>11.5称为保护钢筋的“临界值”；而碳化后PH为8～9，所以中性化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面钝化膜遭到破坏而腐蚀。
（4）混凝土保持适当的高碱度，其意义不只在于保护钢筋，还在于保持水泥水化产物的稳定性。水泥石处于一定的碱度中，各水化产物能稳定存在，并保持良好的胶结能力，碳化使混凝土碱度降低的过程中，水泥水化产物有被分解的可能，最终可能致混凝土强度降低或丧失。
（5）另外碳化过程中释放出水化产物中的结晶水，使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程：另外，碳化还使混凝土变脆，构件延性变差。
2. 基于Fick定律的碳化模型
（1）混凝土中性化的经典理论是基于Fick第一扩散定律的碳化模型，这一模型认为混凝土的碳化深度与时间的1/2次方成正比，目前已被大量室内试验和工程现场调查资料所证实，具体表示为［1］：
［2］的研究中也有类似的碳化模型表述。宋晓冰［3］指出该模型的关键在于K的取值，K值的选取应综合考虑混凝土的渗透性和外界环境条件。混凝土的渗透性包括水泥品种、水灰比、施工和养护等；环境条件包括温度、湿度和CO2浓度等。山东建筑科学研究院［4］根据试验得到速度系数和水灰比之间的关系，具体为K=12.1W/C-3.2（mm/t1/2）。
（2）金伟良［5］认为碳化深度d并不一定与时间的平方根成线性关系，而应该为更一般的形式，即d=atλ，λ为碳化指数，并通过x2检验方法对λ统计分布进行拟合性检验。杨建森［6］的文章中也赞同这种碳化速度表示形式，但他同时认为采用可靠度进行计算在工程应用中相对困难。所以他采用定值估算，建议λ取0.95分位点的数值，即为0.67，表示碳化深度预测值具有95%的可靠性。
3. 影响混凝土碳化的因素
（1）P.E. Grattan-Bellow［7］从微观角度研究了水泥混凝土劣化机理。他指出水泥20%的水化产物是氢氧化钙，该物质为强碱性，十分容易与其它物质如软水、氯离子、弱酸等发生化学反应。他同时将混凝土劣化的外部原因分为物理因素、化学因素和物化因素。物理因素包括冻融、热膨胀、干缩、火灾等，化学因素包括软水、海水、氯离子、酸、硫酸盐、二次钙矾石形成、碱骨料反应等，物化因素包括裂缝造成钢筋锈蚀、电解反应等。
（2）所以混凝土结构劣化是因为两个方面引起的，内因是混凝土结构中的化学成分和结构形式；外因主要是环境中侵蚀性介质和水的存在。混凝土结构劣化，往往是内、外因综合作用的结果。
（3）混凝土中微裂缝是CO2向混凝土扩散的快速通道，而应力往往是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受应力的形式和大小必然影响混凝土的碳化速率。
（4）混凝土中微裂缝是CO2向混凝土扩散的快速通道，而应力往往是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受应力的形式和大小必然影响混凝土的碳化速率。
（5）袁承彬［8］采用受拉杆对试件加载的方法，研究了压应力和拉应力作用下混凝土的碳化特性，拉应力的存在会加速混凝土的碳化，拉应力状态下的碳化综合系数Ki与无应力状态下的碳化系数K的关系为：
Ki=K-0.20512σt+0.31418σt2
一般工程中，可以取受拉应力系数ks=1.1，受压应力系数kp=1.0。
（6）除了荷载外，环境条件也对中性化产生显著的影响。环境条件主要包括环境中的CO2的浓度、环境温度及环境湿度。
由于中性化反应是一种化学反应，与此有关的物质浓度对其反应速度有很大的影响，CO2浓度越高，中性化速度就越快。
（7）环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，湿度较小时，混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态，虽然CO2气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢；濕度较高时，混凝土的含水率较高，阻碍了CO2气体在混凝土中的扩散，故碳化速度也较慢。
（8）山东建筑科学研究院［9］通过试验研究，给出相对湿度为90%、70%、50%的室内条件下，混凝土碳化速度的平均比率约为0.6：1.0：1.4。同是室外环境，由于各地区的环境温湿度不同，碳化速度差别较大，在年平均相对湿度较低、降雨量较小的兰州地区，混凝土碳化速度较快，而在潮湿多雨的贵阳地区，则碳化较慢。牛荻涛［1］的长期暴露试验表明，兰州、济南、武汉与贵阳地区的碳化速度比率约为1.2：1.0：0.85：0.5。 （9）清华大学［10］在建立混凝土碳化数据库时，给出了环境相对湿度对碳化的影响公式为：
对实际混凝土建筑物，环境湿度、环境温度及环境CO2浓度存在复杂的相互作用，因此，常常是将环境分为室内环境与室外环境、室外淋雨与不淋雨环境等。
（10）Alexander Steffens［11］根据Arrhenius方程建立了温度、湿度和CO2浓度多重影响下的碳化深度计算模型，该模型以二维图象形式进行模拟计算，可以十分方便和直接地反映不同外界条件下的混凝土碳化深度变化情况。这也同时指明了中性化研究的一个趋势。
4. 混凝土碳化的防治对策
混凝土碳化破坏的防治，对于混凝土的碳化破坏，我们在施工中总结出了一系列治理措施：
（1）在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品种；对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通水泥；冲刷部位宜选高强度水泥。
（2）分析骨料的性质，如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有一定的延缓作用。
（3）要选好配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输，及时的养护等各项严格的工艺手段，以减少渗流水量和其它有害物的侵蚀，以确保混凝土的密实性。
（4）若建筑物地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层保护效果较好，对建筑物地下部分在其周围设置保护层；用各种溶注液浸注混凝土，如：用溶化的沥青涂抹。
（5）若建筑物一旦发生了混凝土碳化，最好采用环氧材料修补，若碳化深度较大，可凿除混凝土松散部分，洗净进入的有害物质，将混凝土衔接面凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填补，最后以环氧基液做涂基保护。
（6）混凝土碳化的反映与混凝土浇注完毕后的养护工作有一定的关系， 只要混凝土养护及时到位即可减低混凝土碳化深度， 一般养护保持混凝土表面湿润7d～14d即可。
5. 结语
混凝土的碳化逐渐的深入从而将二氧化碳逐步引入，当碳化深度超过混凝土的保护层时混凝土便失去了对钢筋的保护作用，而钢筋一旦腐蚀体积便会膨胀，反作用于混凝土对混凝土施加应力，从而危害整个钢筋混凝土结构。本文对混凝土碳化的原因、碳化机理、碳化影响因素以及碳化的防治对策进行了介绍，并探讨了混凝土碳化的防治， 以期为同行提供参考。
参考文献
［1］牛荻涛，混凝土结构耐久性与寿命预测［M］. 北京：科学出版社，2003年2月.
［2］赵卓、霍达等受腐蚀混凝土结构的随机腐蚀损伤［J］. 中国港湾建设，2001（1）pp. 23～25.
［3］宋晓冰，刘西拉. 结构耐久性设计的混凝土保护层厚度［J］. 工业建筑， Vol. 31， No. 10， 2001， pp. 43～46.
［4］朱安民.混凝土碳化与钢筋锈蚀的试验研究［D］. 济南：山东省建筑科学研究院，1989年.
［5］金伟良. 混凝土碳化指数的概率模型［J］. 混凝土，2000 （1）.
［6］杨建森；何党庆. 钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理和防腐措施［J］. 宁夏大学学报（自然科学版），Vol. 22， No. 3， 2001年，pp. 298～301.
［7］P. E. Grattan-Bellow，etc.，Microstructural investigation of deteriorated Portland cement concretes Construction and Building Materials， Vol. 10， No.1，pp. 3～16， 1996.
［8］袁承斌. 预应力混凝土结构在碳化及氯离子侵蚀环境下的耐久性研究［D］. 河海大学，2002.
［9］朱安民. 混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性［J］. 混凝土，1992（6）.
［10］蒋清野、王洪深、路新碱. 混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析［R］. 攀登计划——钢筋锈蚀与混凝土凍融破坏的预测模型1997年度研究报告，1997年12月.
［11］Alexander Steffens， etc. Modeling carbonation for corrosion risk prediction of concrete structures， Cement and Concrete Research 32 （2002） 935～941.