混凝土碳化那些事
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一、引言
近幾十年來，鋼筋混凝土已成為各類工程的首選體系，其服役壽命卻日益受到耐久性拷問，其中“能否抵御碳化”尤為關鍵。碳化深度即使相同，不同配合比、不同環境的混凝土表現出的剩余壽命也會天差地別。早期設計與施工往往忽視碳化，結果大批建筑提前老化；而全球 CO? 濃度持續攀升，更把這一問題推向前臺。碳化前鋒一旦抵達鋼筋，鈍化膜失穩→銹蝕→膨脹→開裂→剝落，最終結構性能斷崖式下跌。美國 1975 年腐蝕損失 700 億美元中，鋼筋銹蝕占了四成；我國“七五”期間，維修資金已占基建總投資的 54%。可見，碳化-銹蝕鏈式反應是鋼筋混凝土提前退役的主因之一，系統研究刻不容緩。
二、碳化破壞機理
（一）碳化進程
1. 反應方程
水泥石中的水化產物（主要為 Ca(OH)?、C-S-H 等）與擴散進入的 CO? 反應：
CO? + H?O → H?CO?
Ca(OH)? + H?CO? → CaCO? + 2H?O
C-S-H + H?CO? → CaCO? + SiO?·nH?O
上述多相反應發生在固-液-氣三相界面，是一個持續進行的物理化學耦合過程。
2. 離子遷移路徑
孔溶液中 Na?、K? 濃度高，Ca2? 濃度低。CO? 溶于孔液生成 H? 與 CO?2?，H? 與固相 Ca(OH)? 釋放的 OH? 中和，CO?2? 與少量 Ca2? 迅速沉淀為 CaCO?。
（二）鋼筋銹蝕機制
鋼筋在高堿環境中（pH≈12.5~13）形成 γ-Fe?O?/Fe?O? 復合鈍化膜。碳化前鋒到達后，孔液 pH 降至 9 以下，鈍化膜失穩，鋼筋進入活化腐蝕階段。腐蝕產物體積膨脹 2~6 倍，導致混凝土順筋開裂、剝落。除 CO? 外，Cl?、SO? 等也會破壞鈍化膜，且破壞更劇烈，故需綜合評估多因素耦合效應。
三、碳化速度的影響因子
碳化是 CO?“擴散-溶解-反應”三部曲，速度受材料、環境、荷載等多因子耦合控制。
（一）材料自身因素
1. 水泥用量
水泥量越大，可碳化物質越多，同時漿體更密實，碳化發展越慢。
2. 水泥品種
活性高、堿儲備大的早強水泥抗碳化最優，普通硅酸鹽水泥次之，礦渣水泥再次。
3. 水灰比
水灰比降低 → 密實度提升 → CO? 擴散阻力增大 → 碳化速率減小；反之亦然。
4. 強度等級
強度綜合反映水灰比、骨料品質、施工養護水平，強度越高，抗碳化越強。
5. 骨料
連續級配、表面潔凈的粗骨料可降低孔隙率；輕骨料混凝土因孔隙率高，碳化更快。
6. 施工與養護
振搗不密實、早期失水養護不足，會顯著增大表層滲透系數，加速碳化。蒸汽養護若控制不當，也會使后期碳化速度提高約 1.5 倍。
（二）外部環境因素
1. 溫度
升溫加速 CO? 擴散與化學反應，直射陽光更使表面溫度驟升，碳化顯著加快。
2. 相對濕度
50%~70% RH 時孔液既不過干也不過飽，碳化最快；過干 CO? 無法溶解，過濕產物水難以逸出。
3. CO? 濃度
基于 Fick 第一定律，碳化深度與 √CO? 濃度成正比，工業廠房、隧道等 CO? 富集區需重點設防。
4. 氯離子
Cl? 與 Ca(OH)? 生成 CaCl?，吸濕性強，可快速瓦解鈍化膜，形成“點蝕”，與碳化協同加劇銹蝕。
（三）其他因素
1. 應力狀態
壓應力閉合微裂縫，減慢碳化；拉應力擴展裂縫，加速碳化；過高壓應力也可能誘發微裂縫。
2. 裂縫
裂縫成為 CO?、Cl? 等入侵的高速通道，裂縫處碳化深度可達無裂縫區的 2~3 倍。
3. 施工缺陷
蜂窩、麻面、冷縫等均會顯著提高滲透系數，是碳化-銹蝕的“溫床”。
4. 養護制度
養護期越長，水泥水化越充分，微觀結構越密實，碳化系數隨齡期增加而降低。
四、碳化防控技術體系
（一）材料與配合比
按環境等級選用早強或抗硫酸鹽水泥；
采用連續級配、潔凈骨料；
低水灰比、高膠材體系，摻減水劑、礦物摻合料（粉煤灰、硅灰）提高密實度。
（二）施工與養護
避開極端天氣施工，分層澆筑、均勻振搗；
拆模強度≥設計強度 50%，且與內外溫差＜20 ℃；
初凝后立即覆蓋保濕，養護期≥7 d（大體積混凝土 14 d）。
（三）表面防護
環氧厚漿、呋喃改性環氧、丙烯酸等封閉涂層；
水下變形縫采用 SBS 改性瀝青灌縫，水上部分用 SR 嵌縫膏封閉；
必要時增設≥50 mm 保護層或陰極保護系統。
五、結論與展望
碳化是鋼筋混凝土結構最常見的耐久性病害之一。通過“材料-結構-環境-荷載”多維度控制：
材料：低水膠比、高活性摻合料、抗蝕骨料；
施工：全過程質量監控、精細化養護；
防護：表面封閉、陰極保護、增厚保護層；
可顯著延緩碳化前鋒推進，實現“設計使用年限內免大修”的目標。未來應進一步開展碳化-氯離子-荷載-凍融多因素耦合模型研究，并建立快速現場檢測與長期監測的智能化平臺，為既有建筑延壽及新建工程全壽命設計提供科學依據。
【標準規范】
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第十屆全國建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會
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【咨詢服務】
預拌混凝土質量追溯研究
高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢
課題研究
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[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等
【建材“雙碳”業務】
低碳膠凝材料研發與制備
復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備
建筑垃圾處置與資源化利用
建筑垃圾再生砂粉應用技術
建筑垃圾再生輕粗骨料技術
碳化再生骨料制備技術
【期刊著作】
《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書
《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書
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