川渝拆除177135519811.混凝土碳化的機理
空氣、土壤、地下水等環境中的酸性氣體或液體侵入混凝土中，與混凝土中的堿性物質發生化學反應，使混凝土中的pH值下降的過程稱為混凝土的中性化過程。其中，由大氣環境中的CO。引起的中性化過程稱為混凝土的碳化。由于大氣中均有一定含量的CO2，碳化是最普遍的混凝土中性化過程。
混凝土碳化是一個復雜的物理化學過程。水泥熟料充分水化后，生成氫氧化鈣（Ca（OH）。）和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO.·3H2O），混凝土孔隙水溶液為氫氧化鈣飽和溶液，其pH值為12~13，呈強堿性。孔隙水與環境濕度之間通過溫濕度平衡形成穩定的孔隙水膜。環境中的CO。氣體通過混凝土孔隙氣相向混凝土內部擴散并在孔隙水中溶解，同時，固態Ca（OH）。在孔隙水中溶解并向其濃度低的區域（已碳化區域）擴散。溶解在孔隙水中的CO2與Ca（OH）。發生化學反應生成CaCO。，同時，水化硅酸鈣也在固液界面上發生碳化反應：
Ca（OH），+CO2→CaCO，+H20（12-1）
（3Ca0·2Si0，·3H，0）+3C0，→3CaCO，+2Si0，+3H20（12-2）
碳化反應的結果，一方面，生成的CaCO。和其他固態物質堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續的CO。擴散，并使混凝土的密實度和強度有所提高，但脆性變大；另一方面，孔隙水中Ca（OH）。濃度及pH值降低，完全碳化混凝土的pH值為8.5~9.0，導致鋼筋脫鈍而銹蝕。圖12-3給出了混凝土碳化過程的物理模型。
圖12-3混凝土碳化過程的物理模型
2.混凝土碳化的影響因素
從碳化機理可知，影響混凝土碳化的因素有：屬于材料本身的因素，如水灰比、水泥品種、水泥用量、骨料品種與粒徑、外摻加劑、養護方法與齡期、混凝土強度等；屬于環境條件的因素，如相對濕度、CO。濃度、溫度；以及混凝土表面的覆蓋層、混凝土的應力狀態、施工質量等。
1）水灰比
水灰比W/C是決定混凝土孔結構與孔隙率的主要因素，其中游離水的多少還關系著孔隙飽和度（孔隙水體積與孔隙總體積之比）的大小。因此，水灰比是決定CO2有效擴散系數及混凝土碳化速度的主要因素之一。水灰比增加，則混凝土的孔隙率加大，CO2有效擴散系數擴大，混凝土的碳化速度也加大。
2）水泥品種與用量
水泥品種決定著各種礦物成分在水泥中的含量，水泥用量決定著單位體積混凝土中水泥熟料的多少，二者是決定水泥水化后單位體積混凝土中可碳化物質含量的主要材料因素，因而也是影響混凝土碳化速度的主要因素之一。
水泥用量越大，則單位體積混凝土中可碳化物質的含量越多，消耗的CO2也越多，從而使碳化越慢。在水泥用量相同時，摻混合材的水泥水化后單位體積混凝土中可碳化物質含量減少，且一般活性混合材由于二次水化反應還要消耗一部分可碳化物質Ca（OH）2，使可碳化物質含量更少，故碳化加快。因此，相同水泥用量的硅酸鹽水泥混凝土的碳化速度最小，普通硅酸鹽水泥混凝土次之，粉煤灰水泥、火山硅質硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥混凝土最大。同一品種的摻混合材水泥，碳化速度隨混合材料摻量的增加而加大。
3）骨料品種與粒徑
骨料粒徑的大小對骨料-水泥漿粘結有重要影響，粗骨料與水泥漿粘結較差，CO2易從骨料-水泥漿界面擴散；另外，很多輕骨料中的火山灰在加熱養護過程中會與Ca（OH）。結合，某此硅質骨料發生堿骨料反應時也消耗Ca（OH）。。這些因素都會使碳化加快。
4）外摻加劑
混凝土中摻加減水劑，能直接減少用水量使孔隙率降低，而引氣劑使混凝土中形成很多封閉的氣泡，切斷毛細管的通路，兩者均可以使CO2有效擴散系數顯著減小，從而大大降低混凝土的碳化速度。
5）養護方法與齡期
養護方法與齡期的不同導致水泥水化程度不同，在水泥熟料一定的條件下生成的可碳化物質含量不等，因此也影響混凝土碳化速度。若混凝土早期養護不良，會使水泥水化不充分，從而加快碳化速度。
6）混凝土強度
混凝土強度能反映其孔隙率、密實度的大小，因此，混凝土強度能宏觀地反映其抗碳化性能。總體而言，混凝土強度越高，碳化速度越小。
7）CO。濃度
環境中CO。濃度越大，混凝土內外CO.濃度梯度就越大，CO。越易擴散進入孔隙，化學反應速度也加快。因此，CO.濃度是決定碳化速度的主要環境因素之一。一般農村室外大氣中CO。濃度為0.03%，城市為0.04%，而室內可達0.1%。
8）相對濕度
環境相對濕度通過溫濕平衡決定著孔隙水飽和度，一方面影響著CO2的擴散速度，另一方面，由于混凝土碳化的化學反應均需在溶液中或固液界面上進行，相對濕度也是決定碳化反應快慢的主要環境因素之一。
若環境相對濕度過高，混凝土接近飽水狀態，則CO2的擴散速度緩慢，碳化發展很慢；若相對濕度過低，混凝土處于干燥狀態，雖然CO。的擴散速度很快，但缺少碳化化學反應所需的液
相環境，碳化難以發展；70%~80%的中等濕度時，碳化速度最快。
9）環境溫度
溫度的升高可促進碳化反應速度的提高，更主要的是加快了CO2的擴散速度，溫度的交替變化也有利于CO2的擴散。
10）表面覆蓋層
表面覆蓋層對碳化起延緩作用。如表面覆蓋層不含可碳化物質（如瀝青、涂料、瓷磚等），則能封堵混凝土表面部分開口孔隙，阻止CO2擴散，從而延緩碳化速度。如表面覆蓋層含可碳化物質（如砂漿、紙筋石膏灰等），CO。在進入混凝土之前先與覆蓋層內的可碳化物質反應，延遲CO。接觸混凝土表面的時間即混凝土開始碳化的時間，同時，使混凝土表面的CO。濃度比環境中CO。濃度降低，從而降低混凝土的碳化速度。
11）應力狀態
對混凝土碳化的研究過去多停留在材料層次上，而實際工程中的混凝土均處于受力狀態。
當壓應力較小時，由于混凝土受壓密實，影響CO2的擴散，對碳化起延緩作用；壓應力過大時，由于微裂縫的開展加劇，碳化速度加快。拉應力較小時（<0.3f，），應力作用不明顯，當拉應力較大時，隨著裂縫的產生與發展，碳化速度顯著增大。
3.混凝土碳化深度的檢測
混凝土中Ca（OH）。與CO。反應轉化為CaCO。，混凝土表面完全碳化處反應生成的CaCO。
含量最大，相應的Ca（OH）。含量最小，而混凝土內部未碳化區中其含量正好相反。由于混凝土碳化是一個漸進過程，在完全碳化（pH≤9）和未碳化區（pH≥12.5）之間往往存在一個未完全碳化區或稱部分碳化區（9≤pH≤12.5）。這解釋了工程實踐和試驗過程中“完全碳化深度小于混凝土保護層時，鋼筋就開始銹蝕”的現象。
混凝土碳化深度的檢測有兩種方法：X射線法和化學試劑法。前者需要用專門的儀器，它不僅能測試完全碳化深度，還能測試部分碳化深度，這種方法適用于試驗室的精確測量。后者操作方便，適用于現場檢測，常用的試劑是1%濃度的酚酞酒精試劑，只能測定pH=9的分界線，已碳化區呈無色，未碳化區呈粉紅色，這種方法僅能測試完全碳化的深度；另有一種彩虹指示劑（Rainbow Ihdicator）可以根據反應的顏色判別不同的pH值（pH=5~13），因此，可以測試完全碳化和部分碳化的深度。
圖12-4Ca（OH）2與CaCO，濃度變化曲線
圖12-4是X射線法測定的碳化混凝土內Ca（OH）2與CaCO。濃度隨深度的變化曲線，可以看出，該混凝土中有一個明顯的部分碳化區，在該區域內由表及里Ca（OH）。濃度逐漸增大，CaCO，濃度逐漸減小。
4.混凝土碳化深度的預測
國內外學者建立了關于混凝土碳化深度預測的形式各異的眾多數學模型。按建立模型的方法來看，混凝土碳化深度的預測模型可分為兩類：一類基于碳化機理經數學推導建立的理論模型；一類根據試驗結果統計分析影響因素，獲取碳化速度系數，建立經驗表達式。式（12-3）、式（12-4）分別為同濟大學提出的基于碳化機理并經過試驗驗證的完全碳化深度和部分碳化區長度實用計算模型，根據該模型可以用于新建或既有構件混凝土碳化深度的預測：
W/y.C-0.34
x=839（1-RH）1mY%
MAS，C10·VI（12-3）
W7C-0.3I（12-4）x6-1.017×101（0.7-RH）1&/WEY式中x.，xe——混凝土碳化深度、部分碳化區長度（mm）；n。——CO2的體積濃度；W，C——單位體積混凝土的用水量和水泥用量（kg/m3）；t——碳化時間（d）；RH——周圍環境相對濕度（%）；Ym—水泥水化程度修正系數，超過90d養護取1，28d養護取0.85，中間養護齡期按線性插入法取值；y.——水泥品種修正系數，波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）取1，其他品種水泥取y。=1一摻和料含量。
一般大氣環境條件下，數十毫米厚的混凝土保護層完全碳化需要數年至數十年不等，取決于表層混凝土的密實度，因此，試驗研究多采用通過加大CO。濃度的快速碳化試驗以克服試驗周期長的缺點。與式（12-3）一樣，已有的計算模型多數認為，碳化深度與CO2濃度n。和碳化時間t的平方根成正比。混凝土快速碳化試驗正是根據這一原理設計的，相同的混凝土試件如快速試驗的CO2濃度為nd、碳化時間t。時的碳化深度為x2，則在自然環境下，CO。濃度為no、碳化時間t時的碳化深度為x。可按式（12-5）計算。基于上述原理，還可根據碳化時間to時的現場實測碳化深度為x2預測碳化時間t時的碳化深度為x。：
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