混凝土碳化试验怎么做？抗碳化能力检测方法

混凝土碳化消耗混凝土中部分 CH，使混凝土碱度降低。混凝土抵抗碳化作用的能力称为混凝土抗碳化性。

水泥浆的水化物中，与 CO2发生反应的主要是 Ca（OH）2，但其他水化物也会发生分解，生成水化硅酸盐、氧化铝和氧化铁。当 Ca（OH）2慢慢耗尽时，水化硅酸钙 C-S-H 也可能发生碳化反应。这种情况下不仅会生成更多的 CaCO3，凝胶体中会同时形成超过 100nm 的大孔，从而使得混凝土更容易碳化。

在室内测定混凝土试件在一定浓度的二氧化碳气体介质中，经一定龄期的碳化程度，可评定混凝土的抗碳化能力。试验采用的主要设备为混凝土自动碳化试验仪，该仪器主要部件包括箱体、CO2气体分析仪、温度控制装置、湿度控制装置、箱内气体对流循环装置和管路系统。该设备可以自动控制箱内 CO2气体的浓度及一定的温度和湿度，从而保证相对稳定的碳化条件。

碳化试验条件为箱内 CO2气体的浓度为 20%±3%、温度为 20±2℃、相对湿度为 70%±5%，试件在箱内碳化 28d。混凝土试件的平均碳化深度为混凝土碳化性能的特征值。

混凝土碳化试验方法见《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）「混凝土碳化试验」）。

对混凝土结构物，可以通过实测的方法来确定混凝土的碳化深度。酚酞试剂法是最普遍采用的测试方法。采用此法时要注意保持被测试混凝土试样的新鲜和干净。

（2）混凝土碳化的影响因素［8-18］

控制碳化的关键因素是硬化水泥浆的扩散系数。CO2发生扩散时的扩散系数是硬化水泥浆中孔隙系统的函数，因此，扩散系数与水胶比、混凝土碱度（即水泥品种和掺合料）、水化程度等混凝土内部自身因素有关。同时，碳化还与周围介质相对湿度、大气中 CO2浓度、碳化经历时间等外部环境因素有关。

1）混凝土水胶比。CO2是通过毛细组织等孔隙通道由表及里向内扩散，而混凝土微观结构的形成，受到初始水胶比的制约。混凝土水胶比越大，混凝土越不密实，孔隙率越大，外界 CO2易侵入，越容易碳化；反之，水胶比越小、混凝土密实、孔隙率小，则不易发生碳化。

2）混凝土碱度。碳化反应是混凝土碱性物质吸收或缓冲 CO2的过程。在相同的水泥用量、水灰比条件下，水泥中 CaO 含量越高，硬化的水泥石中生成的 Ca（OH）2量越多，因此混凝土的碱度降低的慢，所以硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥混凝土的碳化速度慢于掺用活性混合材的水泥混凝土。后者由于水化过程中存在二次水化作用，消耗掉一部分 Ca（OH）2，致使混凝土碱度有所降低，所以其碳化速度较快。不同水泥碳化速度比率见表 8.7-1［8-24］。

表 8.7-1 各种水泥碳化速度比率

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3）周围介质相对湿度。混凝土碳化作用要在适中的相对湿度环境条件下（50%～70%）才会较快进行，这是因为过高的湿度（100%）使混凝土孔隙中充满了水，二氧化碳不易扩散到水泥石中去，或水泥石中的钙离子能通过水扩散到混凝土表面，碳化生成的 CaCO3把混凝土表面孔隙堵塞，碳化作用也不易进行；相反，过低的相对湿度（25% 以下），孔隙中没有足够的水使 CO2生成碳酸，显然碳化作用也不易进行。

一般情况下，环境相对湿度为 90%、70%、50% 时，碳化速度平均比率为 0.6：1：1.4［8-24］。

4）大气 CO2的浓度。在大气中 CO2的正常含量为空气体积的 0.03%～0.04%，但在工业区则相对较高，而室内可达 0.1%。因此，混凝土碳化作用的强弱与所在地区或位置的 CO2浓度有关。显然，大气中 CO2浓度高则碳化作用强，反之则碳化作用弱。据有关试验结果表明，室内结构混凝土碳化速率为室外的 2～3 倍。

5）碳化经历时间。大气中混凝土的碳化进程是一个缓慢过程。根据大量室内和现场试验调查，碳化速度随着时间的延续而增加，但其进展是逐渐放慢的。国内外许多学者的研究均表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。但需注意的是，众多推算碳化深度的公式都没有和现场使用环境湿度联系起来，有时会有较大偏差。

除上述因素外，碳化还与骨料、施工质量及环境压力等有关。骨料不促进混凝土碳化，在水胶比相同时，使用粒径大的骨料比使用粒径小的骨料容易碳化。这是由于大石子底部容易产生水泥浆的离析、沉淀，从而增加了混凝土的渗透性。某些硅质骨料可能同氢氧化钙化合，降低碱度，也会加快碳化速度。施工过程中，混凝土振捣或养护不足从而出现蜂窝、裂缝等缺陷，都会加快碳化进程，特别是构件棱角部位和预应力构件底部，容易产生缺陷。混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，也会加快碳化。例如，水灰比同为 0.6 的矿渣水泥混凝土，湿养 3d 比湿养 7d 者碳化加快 50% 左右。

（3）碳化的危害性

混凝土发生碳化有两大危害，其一是使混凝土碱度降低，破坏钢筋混凝土中钢筋的钝化膜，使钢筋易发生锈蚀；其二是碳化导致混凝土发生碳化收缩变形。

1）钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂剥落。钢筋混凝土中钢筋保护层被碳化后，会导致钢筋锈蚀，从而把混凝土保护层胀裂，最后导致钢筋混凝土结构承载能力下降。因混凝土保护层碳化而导致钢筋锈蚀的机理后文有专门介绍。

2）碳化收缩。从碳化反应中可以看出，混凝土中 CH 与 CO2反应生成 CaCO3和水，伴随着固相体积减小和水分排出而产生收缩，也就是所谓碳化收缩，碳化收缩是一种不可逆收缩，也会导致混凝土表面发生裂缝。

这里需说明一点，一般不进行专门的碳化收缩试验，而混凝土干燥收缩试验结果实际上已包含了碳化收缩的影响。然而，干燥收缩与碳化收缩在本质上是完全不同的，干燥收缩是物理收缩，而碳化收缩是化学收缩。

8.7.2 混凝土中钢筋锈蚀

（1）混凝土中钢筋锈蚀机理

众所周知，铁矿石为铁的氧化物，长期稳定地存在于自然界。而钢是通过高温熔炼，从铁矿石夺走其中的氧、硫等才形成的。所以从热力学上看，钢处于高能量状态是不稳定的，它在环境介质（氧化剂）作用下，力图恢复为原来较稳定的氧化物状态。钢被氧化的这种过程就是钢的锈蚀。固然，在常温下，环境介质中的氧化剂与钢难以直接进行氧化反应。但是许多环境介质（各种土、水和混凝土）都含有电解质溶液，因为以电化学方式进行反应比较容易，所以钢在这些介质中在常温下的锈蚀通常是电化学反应。在钢表面上进行任何一种电化学锈蚀，就像阴极和阳极彼此短路的一只原电池一样（图 8.7-1［8-25］）：

拌制混凝土的硅酸盐水泥含有大量硅酸钙，水化时会生成大量氢氧化钙晶体（约占 15%～30%）沉积于水泥石中，所以混凝土孔隙液总是氢氧化钙的饱和溶液，加上水泥中所含可溶性碱（K2O，Na2O），使孔隙的 pH 值高达 12.5～13.5。钢在这种高碱度溶液中，由于初始的电化学腐蚀作用，会迅速形成一层非常致密的、厚约 2×10-8m 的 Fe3O4/r-Fe2O3（尖晶石固溶体）的膜。这层膜牢牢地吸附于钢表面上，使它难以继续进行阳极反应。从电化学动力学上看，就是由活态变为钝态了，这层膜被称为钝化膜。在工程中实际采用的钢筋，往往带有高温氧化皮和铁锈，它们在水泥水化后的数小时内都会破坏，所以这种钢筋在混凝土中也能迅速钝化。实际上，钢的锈蚀被阳极钝化这一种电化学