混凝土碳化 混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中ＣＯ２气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，称为钝化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同；其次，影响混凝土碳化主要还与周围介质中ＣＯ2的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱和水条件下，碳化反应几乎终止，所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因；再次，在渗透水经过的混凝土时，石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物质，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层；另外，混凝土的渗透系数、透水量、混凝土的过度振捣、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。
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： 一是，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；
二是，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； 三是，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；另外，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。还有，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。
测碳化很简单：
1.在砼表面凿个小洞，深1cm左右；
2.用洗耳球或小皮老虎吹掉灰尘碎屑；
3.在凿开的砼表面滴或者喷1％的酚酞酒精溶液；
4.用游标卡尺或碳化深度深度测定仪测定没有变色的砼的深度。
碳化深度值测量行标（JGJ/T 23-2001）：采用适当工具在测区表面形成直径约15mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度。孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗。同时，应采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，测量不应少于3次，取其平均值。每次读数精确至0.5mm。混凝土碳化用1%的酚酞试剂这个试剂怎么配；
1%的酚酞试剂配制：1%是质量比，将1g酚酞溶于100ml 95%乙醇中摇匀。一般用滴瓶存放，如果酒精挥发光了，只要再加入酒精就可以了。测量时酚酞试剂由红色变成无色区域为碳化区域。 碳化深度值测量:可采用适当的工具在测区表面形成直径约15mm 的孔洞,其深度应大于混凝土的碳化深度。孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗，同时应采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离测量，不应少于3 次,取其平均值每次读数精确至0.5mm。酚酞常识：
酚酞是一种酸碱指示剂也是一种弱有机酸，在pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构，当8.2醌式结构。酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中很不稳定，它会慢慢地转化成无色羧酸盐式；遇到较浓的碱液，会立即转变成无色的羧酸盐式。所以，酚酞试剂滴入浓碱液时，酚酞开始变红，很快红色退去变成无色。酚酞遇浓硫酸变橙色。酚酞为白色或微带黄色的细小晶体，难溶于水而易溶于酒精。因此通常把酚酞配制成酒精溶液使用。当酚酞试剂滴入水或中性、酸性的水溶液时，会出现白色浑浊物，这是由于酒精易溶于水，使试剂中难溶于水的酚酞析出的缘故。
混凝土碳化的主要危害是什么 混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙在有水存在的条件下发生化学作用，生成碳酸钙和水。
碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。 碳化对混凝土最主要的影响（危害）是：使混凝土的碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用，可能导致钢筋的锈蚀。碳化还会引起混凝土收缩（碳化收缩），容易会使混凝土的表面产生细微的裂缝。
混凝土的碳化过程的深度是随时间的延续而增大，但是增大的速度逐渐减慢。影响碳化速度的环境因素主要是二氧化碳浓度及环境湿度。
假如在相对湿度50%的环境中，碳化速度最快，当相对湿度达到100%时，或是相对湿度小于25%时，碳化停止进行。同时在环境条件相同的情况下，瘫痪速度本身的碱要取决于混凝土本碱度及抗渗性，碱度越大抗渗性强的混凝土，碳化速度慢，这就说明混凝土的抗碳化性能强。
混凝土的碳化及其对钢筋腐蚀的影响
闫宏生
《内蒙古科技与经济》2004 年第18 期
摘 要： 本文分析了大气环境中CO 2、SO 2 等物质使混凝土发生碳化的作用机
理及影响混凝土碳化的主要因素， 阐述了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学过程， 运用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化对钢筋蚀的影响。
关键词： 混凝土； 碳化； 钝化膜； 钢筋腐蚀
自从1824 年波特兰水泥（又称之为硅酸盐水泥） 问世以来， 混凝土材料就以
其性能优越、施工方便和经济成本低等方面的显著优势在土木工程领域内得到广泛的应用。然而在大气中的CO 2、SO 2 等外部介质作用下， 混凝土结构会逐渐
发生碳化， 从而导致钢筋腐蚀（锈蚀） ， 其性能产生衰减， 混凝土结构的使用寿命往往也没有人们所预想的那样长。根据煤碳部1996 年对部分矿区生产系统的钢筋混凝土结构建筑的调查报告， 显示因混凝土碳化造成混凝土中钢筋锈蚀， 其钢筋锈蚀深度达20% 以上， 结构的可靠度大大降低。因此混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响逐渐引起了结构工程界的重视。
1 混凝土的碳化
1．1 混凝土碳化的作用机理
混凝土的碳化是指空气中的CO 2、SO 2 等酸性气体与混凝土中液相的Ca （OH）
2 作用， 生成CaCO3和H2O 的中性化过程。此外水泥石中水化硅酸钙（CSH） 和
未水化的硅酸三钙（C3S） 及硅酸二钙（C2S）也要消耗一定的CO 2 气体。
由于混凝土是一种多孔性材料， 在其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷， 具有一定的透气性。空气中的CO 2 首先渗透到混凝土内部充满空
气的孔隙和毛细管中， 而后溶解于毛细管中的液相， 与水泥水化过程中产生的Ca （OH） 2 和水化硅酸钙（CSH） 等物质相互作用， 形成CaCO3。
Ca （OH） 2 是水泥的主要水化产物之一， 对于普通硅酸盐水泥而言， 水化生
成的Ca （OH ） 2 可达10%～ 15%。Ca （OH） 2 一方面是混凝土高碱度的主要
提供者， 另一方面又是混凝土中最不稳定的成分之一， 很容易与环境中的酸性介质发生中和反应， 从而使混凝土碳化。
经过大量的研究表明， 混凝土的碳化过程是CO 2 气体由表及里向混凝土内部逐
渐扩散、反应复杂的物理化学过程， 主要的碳化反应方程如下：
Ca （OH ） 2 + H 2O + CO 2 → CaCO 3 + 2H 2O
3CaO·2S iSO2·3H O2 + 3CO3 → 3CaCO 3·S iO 2·3H 2O
3CaO·2S iSO 2·3H O 2 + nH 2O → 3CaCO 3·2S iO 2·nH 2O
3CaO·2S iSO 2·3H O 2 + nH 2O → 2CaCO 3·S iO2·nH 2O
随着混凝土碳化过程的进行， 混凝土毛细孔中Ca （OH） 2 的含量会逐渐减少，
必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH 值可以用下式表示： PH = 14 + log 10 [2 × 103 × Ca （OH ） 2 （aq） ]
式中Ca （OH ） 2 （aq） —— 表示混凝土内部毛细孔中液态Ca （OH） 2 的含量。
混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构， 对混凝土的化学性能和物理力学性能有着明显的影响。
1．2 混凝土碳化的影响因素
从混凝土碳化作用机理的阐述中可知， 影响混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小， 即混凝土的渗透性及其Ca （OH） 2 碱性物
质含量的大小。可以说， 如果混凝土的孔隙率越小、渗透性越低、密实性越高、Ca （OH ） 2 含量越大，则混凝土的抗碳化性能越好； 反之， 则越差。影响
混凝土密实性及其碱性储备的因素十分复杂， 与多种因素有关， 具体来说有材料因素、环境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品种及其用量、混凝土强度等级、骨料级配、外加剂等； 环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及CO 2 气体浓度等”施工因素包括混凝土搅拌、振捣和
养护条件等。
1．2．1 水灰比的影响。水灰比增加， 混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残留在混凝土中， 会提高混凝土内部毛细孔的含量， 渗透性提高， 因此CO 2 气体
在混凝土毛细孔中的扩散速度加快， 从而将加快混凝土的碳化速度， 使混凝土碳化区的碳化深度提高。
对于普通混凝土， 水灰比大小对混凝土碳化的影响可以用下式表述：η=
4.15×W /C-1.03
式中 η——水灰比对混凝土碳化影响系数；
W /C ——混凝土水灰比大小。
图1 为几种不同水灰比下的混凝土制作成标准试件， 进行混凝土快速碳化试验（快速碳化试验条件： CO 水泥为普通硅酸盐水泥） ， 从2 的浓度为20±5℃，
试验结果中可以看出增加混凝土的水灰比，可以加快混凝土的碳化速度。
1.2.2 水泥品种的影响。矿不渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸盐水泥混凝土的碳化速度快。这是因为火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO 含量低而SiS2 的含量高， 水泥水化时， SiO 2 和CaO 发生反应大
量生成水化硅酸钙， 而生成的Ca （OH） 2 含量较少， 混凝土的碱性低； 而
硅酸盐水泥中CaO 的含量高， 能生成较多的Ca（OH） 2， 碱性高。另外， 混
凝土的碳化还与CO 2 气体的渗透速度有关。经过大量实践可以证明： 在相同湿
度情况下， 火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO 2气体的渗透速度要比硅酸盐
水泥混凝土的渗透速度大。
图2 为在水灰比相同、CO 空气相对温度和温度相同情况下， 几2 气体浓度相同、
种混凝土碳化深度的比较， 可见硅酸盐水泥混凝土的碳化深度为最小。
1.2.3 空气相对湿度的影响。混凝土的碳化与混凝土环境的相对湿度有着重要关系。Ca （OH） 2 与CO 2反应生成的水要向外扩散， 以保持混凝土内部与大
气之间的湿度平衡。如果水向外的扩散速度由于环境湿度大而被减慢， 混凝土内部的水蒸气压力将增大， CO 2 气体向混凝土内部扩散渗透的速度将降低乃至
终止， 混凝土的碳化反应也随之减慢。在相对湿度接近100%时， 混凝土中的孔隙被水蒸气的冷凝水所充满， 反应产生的水向外扩散和CO 2 向内渗透的速度
大幅度降低， 碳化将终止。而当相对湿度小于25% 时， 虽然CO 2 的扩散渗透
速度很快， 但混凝土毛细孔中没有足够的水， 空气中的CO 2 无法溶解于混凝
土毛细管水中， 或其溶解量非常有限， 使之不能与碱性溶液发生反应， 因此碳化反应实际上也无法进行。有资料表明， 在相对温度为50%～ 70% 的条件下， 最有利于促进混凝土的碳化。这就是为何我国内陆地区较沿海地区碳化明显的原因。
图3 给出了水灰为0.65， 浓度为50% ， 碳化时间为5 天， 在不同湿度环境下， 混凝土的碳化深度。
1.2.4 空气中CO 2 浓度的影响。通常认为， CO 2 在混凝土中的碳化深度可按下
式计算：
式中D ——混凝土碳化深度；
K——CO 2 扩散系数；
C——混凝土表面CO 2 的浓度；
t——混凝土碳化持续时间；
m ——单位体积混凝土所吸收CO 2 的体积。
由上式可以看出， 在其他条件不变的情况下， 环境中CO 2 气体的浓度越高（C
值越大） ， 则在一定使用期内混凝土碳化速度越快， 碳化深度（D） 越大。
1.2.5 混凝土强度等级的影响。混凝土强度等级越高， 混凝土则越密实， CO 2 的扩散速度则降低， 从而使混凝土的碳化速度随之降低， 混凝土的抗碳化能力得到提高。混凝土强度等级大小与混凝土碳化速度之间的关系， 可以用下式表述：K = 210/f cu-3.3
式中 K——混凝土碳化速度系数；
fcu——混凝土的立方体抗压强度
1.2.6 混凝土振捣、养护的影响。混凝土在施工操作过程中如振捣和养护良好， 则混凝土硬化后密实度较高， 混凝土的碳化速度慢。如果混凝土在施工初期养护不良， 混凝土中的水分蒸发过快， 混凝土面层的渗透性增大， 则可加快混凝土的碳化。
2 混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响
2.1 钢筋腐蚀的作用机理
根据钢筋腐蚀的不同机理， 钢筋腐蚀一般分为化学腐蚀与电化学腐蚀等几种形式， 对于钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀主要是电化学腐蚀。钢筋发生电化学腐蚀必须具备两个条件：
2.1.1 阳极部位的钢筋表面处于活性状态， 可以自由地释放电子， 在阴极部位钢筋表面存在足够的水和氧气。在潮湿的环境下， 钢筋表面总是存在水膜和深于水膜中的氧气。
由于钢筋不是单一的金属铁， 同时含有碳、硅、锰等合金元素和杂质， 这样不同元素处在相同或不同介质中， 其电极电位也不同， 其间必然存在着电位差， 因此， 在潮湿的环境下钢筋表面的钝化膜受到破坏时， 就可以发生电化学反应。电化学反应过程如下：
阳极反应： 阳极区铁原子离开晶格转变为表面吸附原子， 并释放电子转变为阳离子。
Fe-2e→Fe2+
电子传送过程： 阳极区释放的电子能冠军钢筋向阴极区传送。
阴极反应： 阴极区由周围环境通过混凝土孔隙吸附、扩散、渗透作用进来并溶解于孔隙水中的O 2吸收阳极区传来的电子， 发生还原反应。
2H2O + O 2+ 4e-→4 （OH） -
综合反应： 阳极区生成Fe2+ 与阴极区生成的OH- 反应， 生成Fe （OH） 2。在高氧条件下， Fe （OH） 2进一步氧化转变为Fe （OH） 3， Fe （OH） 3 脱水后变为疏松多孔的红锈Fe2O 3： 在少氧条件下， Fe （OH） 2 氧化不完全部分
形成黑锈Fe3O 4。
Fe2+ + 2 （OH） - →Fe （OH） 2
4Fe （OH） 2+ O 2+ 2H2O →4Fe （OH） 3
2Fe （OH） 3→Fe2O 3+ 3H2O
6Fe （OH） 2+ O 2→2Fe3O 4+ 6H2O
通过对上述反应过程进行分析， 可知： 钢筋腐蚀过程实质上就是活性状态的铁转化为铁离子的过程。
2.2 混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响
众所周知， 混凝土对钢筋具有一定的保护作用，在一般情况下， 钢筋混凝土结构中的钢筋不容易受到腐蚀。混凝土之所以对钢筋具有保护作用， 是因为水泥水化过程中可产生一定量的Ca （OH） 2 （对于普通硅酸盐水泥， Ca （OH） 2 含量可达10%～ 15% ） ， Ca（OH） 2 的溶解度很小， 通常以固体形式存在，
从而能使混凝土具有高碱度， 其PH 值一般为12～ 13，在这样的高碱性环境中， 会在钢筋表面形成一层化学性质非常稳定的钝化膜——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， 不仅使钢筋表面不存在活性状态的铁， 而且还将钢筋与水介质隔离， 水和氧气无法渗透过去， 因此电化学腐蚀无法进行， 从而使钢筋免受腐蚀。
在理想的情况下， 混凝土中的PH 值为12.5～13， 此时钢筋处于钝化状态， 只要保持这个条件， 钢筋就不会腐蚀， 这正是一些钢筋混凝土建筑物能够耐久的重要原因。经过大量的研究与实践表明， 混凝土中钢筋表面钝化膜的稳定性主要取决于周围混凝土的PH 值。当混凝土PH 值〈9.88 时， 钢筋表面的氧化物是不稳定的， 钢筋表面不可能有钝化膜存在，完全处于活化状态， 即对钢筋没有保护作用； 当混凝土PH 值处在9.88～ 11.5 之间时， 钢筋表面的钝化膜呈不稳定状态， 会逐渐溶解、破裂， 钢筋表面可能发生锈蚀， 即不能完全保护钢筋免受腐蚀； 只有当混凝土PH 值〉11.5 时， 钢筋才能完全处于钝化状态。 当钢筋表面的氧化物钝化膜被破坏时， 在存在氧气和水化的情况下， 钢筋就会被造成腐蚀而破坏。能够使混凝土中的钢筋表面钝化膜破坏的因素内在和外在两个因素。内在因素是指混凝土本身具有腐蚀性， 如使用了含超标准氯盐的地下水搅拌混凝土， 混凝土中使用了过量的氯盐类外加剂等， 使钢筋表面的钝化膜处于不稳定状态， 引起钢筋发生电化学腐蚀。外在因素是指由于周围介质的作
用使混凝土失去保护钢筋的能力， 如混凝土碳化。混凝土碳化实质就是大气中的CO 2、SO 2 等酸性介质， 渗入混凝土内部与Ca （OH） 2 发生中和反应， 中
和反应的结果是降低了混凝土的碱度和含碱的数量。混凝土碱性降低的直接后果是使钢筋表面的钝化膜失去稳定性或破坏， 混凝土就不能保护钢筋免受腐蚀。混凝土碳化后， 完全碳化区的PH 值由13 左右降至9 以下， 此时钢筋必然会受到电化学腐蚀。由此可以看出， 混凝土的碳化是引起钢筋腐蚀的主要原因之一。
2.3 钢筋表面被腐蚀而生成铁锈对混凝土结构的不利影响
2.3.1 铁锈的生成造成钢筋截面减小， 构件承载力降低；
2.3.2 铁锈体积膨胀（体积一般要增长2～ 4 倍） ，使混凝土保护层胀裂甚至脱落， 严重影响结构的正常使用；
2.3.3 铁锈的生成破坏了钢筋与混凝土之间的粘结， 从而使钢筋与混凝土的协同工作能力降低， 甚至造成整个构件失效。
3 结束语
混凝土的碳化是影响钢筋腐蚀重要因素之一，混凝土保持高碱性， 不仅是保护钢筋免遭腐蚀的前提条件， 而且还是维持混凝土自身化学稳定性必要条件， 因此凡是能使混凝土碱性降低的一切因素（不论是先天因素还是环境因素） ， 均对钢筋的腐蚀会产生不利影响。在工业污染严重的今天， 应特别重视混凝土的碳化对钢筋混凝土结构物中钢筋的腐蚀破坏。此外， 在强调使用“低碱度水泥”以防“碱骨料反应”的同时，还应该认识到，保持水泥的高碱度和碱储量[Ca （OH） 2 ]， 适当增加混凝土结构物保护层的厚度， 提高混凝土结构物的密实
度及在混凝土结构物的外表面涂刷聚合物， 对于提高钢筋抗锈蚀能力、保护混凝土结构物的耐久性、延长混凝土结构物的使用寿命有着重大而深远的意义。
混凝土碳化 混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中ＣＯ２气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ｃａ（ＯＨ）2＋ＣＯ2＝ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Ｆｅ2Ｏ3和Ｆｅ3Ｏ4，称为钝化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同；其次，影响混凝土碳化主要还与周围介质中ＣＯ2的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱和水条件下，碳化反应几乎终止，所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因；再次，在渗透水经过的混凝土时，石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ｃａ（ＯＨ）2溶解度的物质，如水中含有Ｎａ2ＳＯ4及少量Ｍｇ2＋时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ｃａ（ＨＣＯ3）2的Ｍｇ（ＨＣＯ3）2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层；另外，混凝土的渗透系数、透水量、混凝土的过度振捣、混凝土附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系。
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： 一是，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；
二是，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； 三是，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；另外，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。还有，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。
测碳化很简单：
1.在砼表面凿个小洞，深1cm左右；
2.用洗耳球或小皮老虎吹掉灰尘碎屑；
3.在凿开的砼表面滴或者喷1％的酚酞酒精溶液；
4.用游标卡尺或碳化深度深度测定仪测定没有变色的砼的深度。
碳化深度值测量行标（JGJ/T 23-2001）：采用适当工具在测区表面形成直径约15mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度。孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗。同时，应采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，测量不应少于3次，取其平均值。每次读数精确至0.5mm。混凝土碳化用1%的酚酞试剂这个试剂怎么配；
1%的酚酞试剂配制：1%是质量比，将1g酚酞溶于100ml 95%乙醇中摇匀。一般用滴瓶存放，如果酒精挥发光了，只要再加入酒精就可以了。测量时酚酞试剂由红色变成无色区域为碳化区域。 碳化深度值测量:可采用适当的工具在测区表面形成直径约15mm 的孔洞,其深度应大于混凝土的碳化深度。孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗，同时应采用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离测量，不应少于3 次,取其平均值每次读数精确至0.5mm。酚酞常识：
酚酞是一种酸碱指示剂也是一种弱有机酸，在pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构，当8.2醌式结构。酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中很不稳定，它会慢慢地转化成无色羧酸盐式；遇到较浓的碱液，会立即转变成无色的羧酸盐式。所以，酚酞试剂滴入浓碱液时，酚酞开始变红，很快红色退去变成无色。酚酞遇浓硫酸变橙色。酚酞为白色或微带黄色的细小晶体，难溶于水而易溶于酒精。因此通常把酚酞配制成酒精溶液使用。当酚酞试剂滴入水或中性、酸性的水溶液时，会出现白色浑浊物，这是由于酒精易溶于水，使试剂中难溶于水的酚酞析出的缘故。
混凝土碳化的主要危害是什么 混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙在有水存在的条件下发生化学作用，生成碳酸钙和水。
碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。 碳化对混凝土最主要的影响（危害）是：使混凝土的碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用，可能导致钢筋的锈蚀。碳化还会引起混凝土收缩（碳化收缩），容易会使混凝土的表面产生细微的裂缝。
混凝土的碳化过程的深度是随时间的延续而增大，但是增大的速度逐渐减慢。影响碳化速度的环境因素主要是二氧化碳浓度及环境湿度。
假如在相对湿度50%的环境中，碳化速度最快，当相对湿度达到100%时，或是相对湿度小于25%时，碳化停止进行。同时在环境条件相同的情况下，瘫痪速度本身的碱要取决于混凝土本碱度及抗渗性，碱度越大抗渗性强的混凝土，碳化速度慢，这就说明混凝土的抗碳化性能强。
混凝土的碳化及其对钢筋腐蚀的影响
闫宏生
《内蒙古科技与经济》2004 年第18 期
摘 要： 本文分析了大气环境中CO 2、SO 2 等物质使混凝土发生碳化的作用机
理及影响混凝土碳化的主要因素， 阐述了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学过程， 运用混凝土碳化原理分析了混凝土的碳化对钢筋蚀的影响。
关键词： 混凝土； 碳化； 钝化膜； 钢筋腐蚀
自从1824 年波特兰水泥（又称之为硅酸盐水泥） 问世以来， 混凝土材料就以
其性能优越、施工方便和经济成本低等方面的显著优势在土木工程领域内得到广泛的应用。然而在大气中的CO 2、SO 2 等外部介质作用下， 混凝土结构会逐渐
发生碳化， 从而导致钢筋腐蚀（锈蚀） ， 其性能产生衰减， 混凝土结构的使用寿命往往也没有人们所预想的那样长。根据煤碳部1996 年对部分矿区生产系统的钢筋混凝土结构建筑的调查报告， 显示因混凝土碳化造成混凝土中钢筋锈蚀， 其钢筋锈蚀深度达20% 以上， 结构的可靠度大大降低。因此混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响逐渐引起了结构工程界的重视。
1 混凝土的碳化
1．1 混凝土碳化的作用机理
混凝土的碳化是指空气中的CO 2、SO 2 等酸性气体与混凝土中液相的Ca （OH）
2 作用， 生成CaCO3和H2O 的中性化过程。此外水泥石中水化硅酸钙（CSH） 和
未水化的硅酸三钙（C3S） 及硅酸二钙（C2S）也要消耗一定的CO 2 气体。
由于混凝土是一种多孔性材料， 在其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷， 具有一定的透气性。空气中的CO 2 首先渗透到混凝土内部充满空
气的孔隙和毛细管中， 而后溶解于毛细管中的液相， 与水泥水化过程中产生的Ca （OH） 2 和水化硅酸钙（CSH） 等物质相互作用， 形成CaCO3。
Ca （OH） 2 是水泥的主要水化产物之一， 对于普通硅酸盐水泥而言， 水化生
成的Ca （OH ） 2 可达10%～ 15%。Ca （OH） 2 一方面是混凝土高碱度的主要
提供者， 另一方面又是混凝土中最不稳定的成分之一， 很容易与环境中的酸性介质发生中和反应， 从而使混凝土碳化。
经过大量的研究表明， 混凝土的碳化过程是CO 2 气体由表及里向混凝土内部逐
渐扩散、反应复杂的物理化学过程， 主要的碳化反应方程如下：
Ca （OH ） 2 + H 2O + CO 2 → CaCO 3 + 2H 2O
3CaO·2S iSO2·3H O2 + 3CO3 → 3CaCO 3·S iO 2·3H 2O
3CaO·2S iSO 2·3H O 2 + nH 2O → 3CaCO 3·2S iO 2·nH 2O
3CaO·2S iSO 2·3H O 2 + nH 2O → 2CaCO 3·S iO2·nH 2O
随着混凝土碳化过程的进行， 混凝土毛细孔中Ca （OH） 2 的含量会逐渐减少，
必然要使混凝土PH值降低。碳化后混凝土的PH 值可以用下式表示： PH = 14 + log 10 [2 × 103 × Ca （OH ） 2 （aq） ]
式中Ca （OH ） 2 （aq） —— 表示混凝土内部毛细孔中液态Ca （OH） 2 的含量。
混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构， 对混凝土的化学性能和物理力学性能有着明显的影响。
1．2 混凝土碳化的影响因素
从混凝土碳化作用机理的阐述中可知， 影响混凝土碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小， 即混凝土的渗透性及其Ca （OH） 2 碱性物
质含量的大小。可以说， 如果混凝土的孔隙率越小、渗透性越低、密实性越高、Ca （OH ） 2 含量越大，则混凝土的抗碳化性能越好； 反之， 则越差。影响
混凝土密实性及其碱性储备的因素十分复杂， 与多种因素有关， 具体来说有材料因素、环境因素和施工因素三大方面。材料因素包括混凝土水灰比大小、水泥品种及其用量、混凝土强度等级、骨料级配、外加剂等； 环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及CO 2 气体浓度等”施工因素包括混凝土搅拌、振捣和
养护条件等。
1．2．1 水灰比的影响。水灰比增加， 混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残留在混凝土中， 会提高混凝土内部毛细孔的含量， 渗透性提高， 因此CO 2 气体
在混凝土毛细孔中的扩散速度加快， 从而将加快混凝土的碳化速度， 使混凝土碳化区的碳化深度提高。
对于普通混凝土， 水灰比大小对混凝土碳化的影响可以用下式表述：η=
4.15×W /C-1.03
式中 η——水灰比对混凝土碳化影响系数；
W /C ——混凝土水灰比大小。
图1 为几种不同水灰比下的混凝土制作成标准试件， 进行混凝土快速碳化试验（快速碳化试验条件： CO 水泥为普通硅酸盐水泥） ， 从2 的浓度为20±5℃，
试验结果中可以看出增加混凝土的水灰比，可以加快混凝土的碳化速度。
1.2.2 水泥品种的影响。矿不渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸盐水泥混凝土的碳化速度快。这是因为火山灰水泥、粉煤灰水泥熟料中的CaO 含量低而SiS2 的含量高， 水泥水化时， SiO 2 和CaO 发生反应大
量生成水化硅酸钙， 而生成的Ca （OH） 2 含量较少， 混凝土的碱性低； 而
硅酸盐水泥中CaO 的含量高， 能生成较多的Ca（OH） 2， 碱性高。另外， 混
凝土的碳化还与CO 2 气体的渗透速度有关。经过大量实践可以证明： 在相同湿
度情况下， 火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土中CO 2气体的渗透速度要比硅酸盐
水泥混凝土的渗透速度大。
图2 为在水灰比相同、CO 空气相对温度和温度相同情况下， 几2 气体浓度相同、
种混凝土碳化深度的比较， 可见硅酸盐水泥混凝土的碳化深度为最小。
1.2.3 空气相对湿度的影响。混凝土的碳化与混凝土环境的相对湿度有着重要关系。Ca （OH） 2 与CO 2反应生成的水要向外扩散， 以保持混凝土内部与大
气之间的湿度平衡。如果水向外的扩散速度由于环境湿度大而被减慢， 混凝土内部的水蒸气压力将增大， CO 2 气体向混凝土内部扩散渗透的速度将降低乃至
终止， 混凝土的碳化反应也随之减慢。在相对湿度接近100%时， 混凝土中的孔隙被水蒸气的冷凝水所充满， 反应产生的水向外扩散和CO 2 向内渗透的速度
大幅度降低， 碳化将终止。而当相对湿度小于25% 时， 虽然CO 2 的扩散渗透
速度很快， 但混凝土毛细孔中没有足够的水， 空气中的CO 2 无法溶解于混凝
土毛细管水中， 或其溶解量非常有限， 使之不能与碱性溶液发生反应， 因此碳化反应实际上也无法进行。有资料表明， 在相对温度为50%～ 70% 的条件下， 最有利于促进混凝土的碳化。这就是为何我国内陆地区较沿海地区碳化明显的原因。
图3 给出了水灰为0.65， 浓度为50% ， 碳化时间为5 天， 在不同湿度环境下， 混凝土的碳化深度。
1.2.4 空气中CO 2 浓度的影响。通常认为， CO 2 在混凝土中的碳化深度可按下
式计算：
式中D ——混凝土碳化深度；
K——CO 2 扩散系数；
C——混凝土表面CO 2 的浓度；
t——混凝土碳化持续时间；
m ——单位体积混凝土所吸收CO 2 的体积。
由上式可以看出， 在其他条件不变的情况下， 环境中CO 2 气体的浓度越高（C
值越大） ， 则在一定使用期内混凝土碳化速度越快， 碳化深度（D） 越大。
1.2.5 混凝土强度等级的影响。混凝土强度等级越高， 混凝土则越密实， CO 2 的扩散速度则降低， 从而使混凝土的碳化速度随之降低， 混凝土的抗碳化能力得到提高。混凝土强度等级大小与混凝土碳化速度之间的关系， 可以用下式表述：K = 210/f cu-3.3
式中 K——混凝土碳化速度系数；
fcu——混凝土的立方体抗压强度
1.2.6 混凝土振捣、养护的影响。混凝土在施工操作过程中如振捣和养护良好， 则混凝土硬化后密实度较高， 混凝土的碳化速度慢。如果混凝土在施工初期养护不良， 混凝土中的水分蒸发过快， 混凝土面层的渗透性增大， 则可加快混凝土的碳化。
2 混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响
2.1 钢筋腐蚀的作用机理
根据钢筋腐蚀的不同机理， 钢筋腐蚀一般分为化学腐蚀与电化学腐蚀等几种形式， 对于钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀主要是电化学腐蚀。钢筋发生电化学腐蚀必须具备两个条件：
2.1.1 阳极部位的钢筋表面处于活性状态， 可以自由地释放电子， 在阴极部位钢筋表面存在足够的水和氧气。在潮湿的环境下， 钢筋表面总是存在水膜和深于水膜中的氧气。
由于钢筋不是单一的金属铁， 同时含有碳、硅、锰等合金元素和杂质， 这样不同元素处在相同或不同介质中， 其电极电位也不同， 其间必然存在着电位差， 因此， 在潮湿的环境下钢筋表面的钝化膜受到破坏时， 就可以发生电化学反应。电化学反应过程如下：
阳极反应： 阳极区铁原子离开晶格转变为表面吸附原子， 并释放电子转变为阳离子。
Fe-2e→Fe2+
电子传送过程： 阳极区释放的电子能冠军钢筋向阴极区传送。
阴极反应： 阴极区由周围环境通过混凝土孔隙吸附、扩散、渗透作用进来并溶解于孔隙水中的O 2吸收阳极区传来的电子， 发生还原反应。
2H2O + O 2+ 4e-→4 （OH） -
综合反应： 阳极区生成Fe2+ 与阴极区生成的OH- 反应， 生成Fe （OH） 2。在高氧条件下， Fe （OH） 2进一步氧化转变为Fe （OH） 3， Fe （OH） 3 脱水后变为疏松多孔的红锈Fe2O 3： 在少氧条件下， Fe （OH） 2 氧化不完全部分
形成黑锈Fe3O 4。
Fe2+ + 2 （OH） - →Fe （OH） 2
4Fe （OH） 2+ O 2+ 2H2O →4Fe （OH） 3
2Fe （OH） 3→Fe2O 3+ 3H2O
6Fe （OH） 2+ O 2→2Fe3O 4+ 6H2O
通过对上述反应过程进行分析， 可知： 钢筋腐蚀过程实质上就是活性状态的铁转化为铁离子的过程。
2.2 混凝土碳化对钢筋腐蚀的影响
众所周知， 混凝土对钢筋具有一定的保护作用，在一般情况下， 钢筋混凝土结构中的钢筋不容易受到腐蚀。混凝土之所以对钢筋具有保护作用， 是因为水泥水化过程中可产生一定量的Ca （OH） 2 （对于普通硅酸盐水泥， Ca （OH） 2 含量可达10%～ 15% ） ， Ca（OH） 2 的溶解度很小， 通常以固体形式存在，
从而能使混凝土具有高碱度， 其PH 值一般为12～ 13，在这样的高碱性环境中， 会在钢筋表面形成一层化学性质非常稳定的钝化膜——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， 不仅使钢筋表面不存在活性状态的铁， 而且还将钢筋与水介质隔离， 水和氧气无法渗透过去， 因此电化学腐蚀无法进行， 从而使钢筋免受腐蚀。
在理想的情况下， 混凝土中的PH 值为12.5～13， 此时钢筋处于钝化状态， 只要保持这个条件， 钢筋就不会腐蚀， 这正是一些钢筋混凝土建筑物能够耐久的重要原因。经过大量的研究与实践表明， 混凝土中钢筋表面钝化膜的稳定性主要取决于周围混凝土的PH 值。当混凝土PH 值〈9.88 时， 钢筋表面的氧化物是不稳定的， 钢筋表面不可能有钝化膜存在，完全处于活化状态， 即对钢筋没有保护作用； 当混凝土PH 值处在9.88～ 11.5 之间时， 钢筋表面的钝化膜呈不稳定状态， 会逐渐溶解、破裂， 钢筋表面可能发生锈蚀， 即不能完全保护钢筋免受腐蚀； 只有当混凝土PH 值〉11.5 时， 钢筋才能完全处于钝化状态。 当钢筋表面的氧化物钝化膜被破坏时， 在存在氧气和水化的情况下， 钢筋就会被造成腐蚀而破坏。能够使混凝土中的钢筋表面钝化膜破坏的因素内在和外在两个因素。内在因素是指混凝土本身具有腐蚀性， 如使用了含超标准氯盐的地下水搅拌混凝土， 混凝土中使用了过量的氯盐类外加剂等， 使钢筋表面的钝化膜处于不稳定状态， 引起钢筋发生电化学腐蚀。外在因素是指由于周围介质的作
用使混凝土失去保护钢筋的能力， 如混凝土碳化。混凝土碳化实质就是大气中的CO 2、SO 2 等酸性介质， 渗入混凝土内部与Ca （OH） 2 发生中和反应， 中
和反应的结果是降低了混凝土的碱度和含碱的数量。混凝土碱性降低的直接后果是使钢筋表面的钝化膜失去稳定性或破坏， 混凝土就不能保护钢筋免受腐蚀。混凝土碳化后， 完全碳化区的PH 值由13 左右降至9 以下， 此时钢筋必然会受到电化学腐蚀。由此可以看出， 混凝土的碳化是引起钢筋腐蚀的主要原因之一。
2.3 钢筋表面被腐蚀而生成铁锈对混凝土结构的不利影响
2.3.1 铁锈的生成造成钢筋截面减小， 构件承载力降低；
2.3.2 铁锈体积膨胀（体积一般要增长2～ 4 倍） ，使混凝土保护层胀裂甚至脱落， 严重影响结构的正常使用；
2.3.3 铁锈的生成破坏了钢筋与混凝土之间的粘结， 从而使钢筋与混凝土的协同工作能力降低， 甚至造成整个构件失效。
3 结束语
混凝土的碳化是影响钢筋腐蚀重要因素之一，混凝土保持高碱性， 不仅是保护钢筋免遭腐蚀的前提条件， 而且还是维持混凝土自身化学稳定性必要条件， 因此凡是能使混凝土碱性降低的一切因素（不论是先天因素还是环境因素） ， 均对钢筋的腐蚀会产生不利影响。在工业污染严重的今天， 应特别重视混凝土的碳化对钢筋混凝土结构物中钢筋的腐蚀破坏。此外， 在强调使用“低碱度水泥”以防“碱骨料反应”的同时，还应该认识到，保持水泥的高碱度和碱储量[Ca （OH） 2 ]， 适当增加混凝土结构物保护层的厚度， 提高混凝土结构物的密实
度及在混凝土结构物的外表面涂刷聚合物， 对于提高钢筋抗锈蚀能力、保护混凝土结构物的耐久性、延长混凝土结构物的使用寿命有着重大而深远的意义。