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作者：張成維   何小軍   甘世鵬   

【摘要】：通過粉煤灰和礦渣對混凝土碳化性能影響的分析,討論了粉煤灰和礦渣單摻和復摻在不同水膠比下對碳化深度的影響,對目前國內外降低混凝土碳化速率的方法進行了匯總,指出研究混凝土抗碳化耐久性的重要性。

礦物摻合料的應用在我國已有50 多年的歷史。在20世紀五六十年代，礦物摻合料常常是作為一種“廢物”而加以利用，主要目的是為了節約水泥，降低成本；到了20世紀七八十年代，大壩混凝土中開始大量應用粉煤灰，其主要目的已經不再單純是節約水泥，而是降低水化熱；從90年代開始，隨著高強高性能混凝土的研究與應用不斷深入，混凝土的許多性能可以通過摻一定量的礦物摻合料得以改善。到現在，礦物摻合料不再以“廢物”的形式出現，而是作為改善混凝土性能的一種必要材料被加以利用。由于摻合料混凝土碳化問題較為復雜，且影響因素眾多，因此開展混凝土碳化規律研究，對在實際工程中的推廣使用以及摻合料混凝土結構耐久性評估具有重要意義。

1 混凝土碳化機理

混凝土的碳化是指在自然環境中，空氣中的CO 2氣體不斷擴散到混凝土內部的毛細孔中與其中孔隙液所溶解的Ca(OH) 2進行中和反應，生成碳酸鹽或其他物質的化學現象。水泥水化后的產物為氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等，其穩定存在的pH 值（見表1）。

混凝土的孔隙水為氫氧化鈣飽和液，其pH 值約為12～13 ，呈強堿性。在有水條件下這些物質會與CO2氣體發生碳化反應，反應過程為：

CO2+ H2O → H2CO3

Ca(OH)2+ H2CO3→ CaCO3+ 2H2O

C2S2H3+ 3H2CO3→ 3CaCO3+ 2SiO2+ 6H2O

2 影響混凝土碳化性能的因素

2.1 材料因素

水膠比的影響。李貞等認為不管是否摻入礦物摻合料，對碳化深度影響最大的是混凝土的水膠比。余波等研究得出隨著水膠比的增加，混凝土的碳化深度逐漸增加。李春輝等認為碳化深度隨著水膠比的增大而增大，且在28d 以前增加速度快，28d以后速度增加相對緩慢。

宋華等通過試驗分析得知采用摻合料混凝土時，降低水膠比可大大提高其抗碳化能力。孫元生等認為對水膠比大于0.5 的混凝土，水膠比作為碳化數學模型的“單自變量”，能較好反映混凝土的碳化情況混凝土；對水膠比小于0.5的混凝土，水膠比作為碳化數學模型的單一自變量，則不能反映混凝土的碳化情況。根據趙慶新等關于不同水膠比下混凝土碳化規律的研究得出當水膠比小于0.43時，碳化深度值增加緩慢，對碳化耐久性影響不大；水膠比大于0.43時，碳化深度值迅速增加，對混凝土的抗碳化性能影響顯著。這一結論與前者的見解基本一致，并總結出水膠比對碳化深度的影響公式：

著水膠比增大而增大的原因可能是：強度降低，從而導致混凝土碳化深度值增大；混凝土中Ca +濃度降低，為了維持平衡，Ca(OH) 2就會不斷溶解，結果使液相堿度及堿儲備降低，當pH 值或Ca(OH)2降X = -1.03 + 0.11e 8.52W/B

劉斌依據試驗結果總結出混凝土碳化深度與水膠比的方程：

X = -19.2437 + 45.85W/B + 24.3714

朱紅英等分析混凝土碳化深度隨低到一程度時，周圍其他含鈣水化產物還會分解、碳化，導致混凝土碳化深度值增大，抗碳化能力降低。

摻合料的影響。混凝土中摻入的粉煤灰、礦渣等活性摻合料，與水泥水化后的產物結合，混凝土堿性降低，使混凝土抗碳化能力減弱。一是單摻粉煤灰對碳化的影響。趙慶新等通過試驗研究發現粉煤灰摻量低于20% 時，其對混凝土抗碳化性能影響較小，當粉煤灰摻量超過20%以后，混凝土碳化深度顯著增加。朱勁松等經試驗得出當摻量超過30%時，混凝土碳化深度增加明顯加快。吳克剛等通過加速碳化試驗研究了粉煤灰混凝土的碳化性能，結果表明隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗碳化性能降低，且摻量大于40%后，碳化深度明顯增大。阿茹罕、閻培渝等認為當粉煤灰摻量控制在40%以內時，同強度等級的不同粉煤灰摻量的混凝土抗碳化性能基本相同，且粉煤灰最大摻量不宜超過65%。Atis的研究表明，摻50%粉煤灰的混凝土碳化深度低于不摻粉煤灰的混凝土的碳化深度。朱艷芳等研究了粉煤灰摻量對粉煤灰混凝土碳化影響，認為粉煤灰摻量在60%以內，其抗碳化性能能滿足工程要求。當探究混凝土中粉煤灰摻量為多少時對其碳化性能較為有利，往往由于水泥、摻合料品種與試驗條件的不同而不盡一致。為保證混凝土的抗碳化性能，粉煤灰摻量最好控制在60%以內。

二是單摻礦渣對碳化的影響。胡建軍等通過自然碳化和快速碳化實驗測試礦渣粉摻量與混凝土碳化深度的關系發現當礦渣摻量為30% 時，抗碳化性能相對最好，隨著礦渣摻量的增大，碳化深度逐漸增大；且當摻量小于60%時，碳化深度均小于純水泥試樣。由此可見，礦渣粉摻量最大值可以達到60%。閔婕等經試驗分析發現：當礦渣摻量在30%以內時，礦渣混凝土與基準混凝土抗碳化性能基本一致，當礦渣摻量高于30%，低于50%時，其抗碳化性能明顯下降。

三是復摻粉煤灰和礦渣粉對碳化的影響。Jones 等研究表明，雙摻粉煤灰、礦渣混凝土抗碳化性能均低于單摻粉煤灰和普通混凝土。王培銘等的研究表明復摻粉煤灰和礦渣粉，混凝土的抗碳化能力隨粉煤灰摻入比例的提高而降低。周萬良等認為復摻粉煤灰和礦粉的混凝土存在一個使其抗碳化能力達到最大的粉煤灰與礦粉的摻配比例。在合適的摻配比例范圍內混凝土抗碳化能力增加，超出合適的摻配比例，隨粉煤灰摻量增加混凝土的抗碳化能力不斷降低。朱艷芳等經試驗研究認為當粉煤灰和礦渣粉總摻量不變時，隨著粉煤灰摻量的上升，混凝土碳化深度相應增加。當粉煤灰摻量不變時，隨著礦渣摻量的上升，混凝土碳化深度也增大。宋華等試驗結果表明，當粉煤灰和礦渣粉的總量不變時，粉煤灰和礦渣粉的摻配比例為1∶2的混凝土具有較高的抗碳化性能。

雙摻粉煤灰和礦渣時, 混凝土碳化深度隨著總摻量的增加而增加。當總摻量不變時, 隨著粉煤灰的比例增大礦渣摻量減小，混凝土碳化深度增大。且二者存在一個最適宜的摻配比例，使混凝土抗碳化性能最優。但到目前為止，粉煤灰和礦渣的摻配比例尚未有明確界定。

2.2 環境因素

環境因素包括自然環境和使用環境兩個方面，自然環境包括環境相對濕度，溫度、應力以及二氧化碳濃度等；使用環境主要指混凝土構件的受力狀態及應力水平，它們主要通過影響二氧化碳擴散速度及碳化反應速率來影響混凝土碳化速度。

2.3 施工因素

施工因素主要是指混凝土的攪拌、振搗和養護條件等，它們主要通過影響混凝土的密實性來影響混凝土的碳化速度。實際調查結果表明其他條件一樣的情況下，施工質量越好，混凝土強度越高，密實性越好，抗碳化能力也越強；施工質量差，由于混凝土內部裂縫、蜂窩和孔洞等因素增加了二氧化碳在混凝土中的擴散路徑，使得碳化速度加快。同樣，養護方法與齡期的不同也會造成密實性和可碳化物質的不同，從而會對碳化速度產生不同的影響。

3 混凝土碳化處理與改善措施

對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結構安全的構件應拆除重建。對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優質涂料封閉；對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土。對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋，要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內，使內部和鋼筋一直處在高堿性環境中。實際工程中經常應用環氧厚漿涂料、硅粉砂漿、混凝土縫面處理等幾種碳化處理方法。

針對影響混凝土碳化的因素，一般提出的改善措施：合理設計混凝土配合比、采用機械振搗、用涂料或其他措施進行表面處理、選用透氣性小且密實的骨料、增加混凝土保護層厚度等。

綜上所述，混凝土碳化是混凝土耐久性研究極其重要的一個內容，本文對礦物摻合料混凝土的碳化機理、影響因素及其改善措施進行了綜述。引起混凝土碳化的因素較多，本文主要討論了水膠比和粉煤灰、礦渣摻量等方面的影響，同時對混凝土碳化的處理及改善措施進行了簡單介紹。
（來源：《混凝土世界》2019.06）