混凝土碳化那些事
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一、引言
近几十年来，钢筋混凝土已成为各类工程的首选体系，其服役寿命却日益受到耐久性拷问，其中“能否抵御碳化”尤为关键。碳化深度即使相同，不同配合比、不同环境的混凝土表现出的剩余寿命也会天差地别。早期设计与施工往往忽视碳化，结果大批建筑提前老化；而全球 CO₂ 浓度持续攀升，更把这一问题推向前台。碳化前锋一旦抵达钢筋，钝化膜失稳→锈蚀→膨胀→开裂→剥落，最终结构性能断崖式下跌。美国 1975 年腐蚀损失 700 亿美元中，钢筋锈蚀占了四成；我国“七五”期间，维修资金已占基建总投资的 54%。可见，碳化-锈蚀链式反应是钢筋混凝土提前退役的主因之一，系统研究刻不容缓。
二、碳化破坏机理
（一）碳化进程
1. 反应方程
水泥石中的水化产物（主要为 Ca(OH)₂、C-S-H 等）与扩散进入的 CO₂ 反应：
CO₂ + H₂O → H₂CO₃
Ca(OH)₂ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2H₂O
C-S-H + H₂CO₃ → CaCO₃ + SiO₂·nH₂O
上述多相反应发生在固-液-气三相界面，是一个持续进行的物理化学耦合过程。
2. 离子迁移路径
孔溶液中 Na⁺、K⁺ 浓度高，Ca²⁺ 浓度低。CO₂ 溶于孔液生成 H⁺ 与 CO₃²⁻，H⁺ 与固相 Ca(OH)₂ 释放的 OH⁻ 中和，CO₃²⁻ 与少量 Ca²⁺ 迅速沉淀为 CaCO₃。
（二）钢筋锈蚀机制
钢筋在高碱环境中（pH≈12.5~13）形成 γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄ 复合钝化膜。碳化前锋到达后，孔液 pH 降至 9 以下，钝化膜失稳，钢筋进入活化腐蚀阶段。腐蚀产物体积膨胀 2~6 倍，导致混凝土顺筋开裂、剥落。除 CO₂ 外，Cl⁻、SO₂ 等也会破坏钝化膜，且破坏更剧烈，故需综合评估多因素耦合效应。
三、碳化速度的影响因子
碳化是 CO₂“扩散-溶解-反应”三部曲，速度受材料、环境、荷载等多因子耦合控制。
（一）材料自身因素
1. 水泥用量
水泥量越大，可碳化物质越多，同时浆体更密实，碳化发展越慢。
2. 水泥品种
活性高、碱储备大的早强水泥抗碳化最优，普通硅酸盐水泥次之，矿渣水泥再次。
3. 水灰比
水灰比降低 → 密实度提升 → CO₂ 扩散阻力增大 → 碳化速率减小；反之亦然。
4. 强度等级
强度综合反映水灰比、骨料品质、施工养护水平，强度越高，抗碳化越强。
5. 骨料
连续级配、表面洁净的粗骨料可降低孔隙率；轻骨料混凝土因孔隙率高，碳化更快。
6. 施工与养护
振捣不密实、早期失水养护不足，会显著增大表层渗透系数，加速碳化。蒸汽养护若控制不当，也会使后期碳化速度提高约 1.5 倍。
（二）外部环境因素
1. 温度
升温加速 CO₂ 扩散与化学反应，直射阳光更使表面温度骤升，碳化显著加快。
2. 相对湿度
50%~70% RH 时孔液既不过干也不过饱，碳化最快；过干 CO₂ 无法溶解，过湿产物水难以逸出。
3. CO₂ 浓度
基于 Fick 第一定律，碳化深度与 √CO₂ 浓度成正比，工业厂房、隧道等 CO₂ 富集区需重点设防。
4. 氯离子
Cl⁻ 与 Ca(OH)₂ 生成 CaCl₂，吸湿性强，可快速瓦解钝化膜，形成“点蚀”，与碳化协同加剧锈蚀。
（三）其他因素
1. 应力状态
压应力闭合微裂缝，减慢碳化；拉应力扩展裂缝，加速碳化；过高压应力也可能诱发微裂缝。
2. 裂缝
裂缝成为 CO₂、Cl⁻ 等入侵的高速通道，裂缝处碳化深度可达无裂缝区的 2~3 倍。
3. 施工缺陷
蜂窝、麻面、冷缝等均会显著提高渗透系数，是碳化-锈蚀的“温床”。
4. 养护制度
养护期越长，水泥水化越充分，微观结构越密实，碳化系数随龄期增加而降低。
四、碳化防控技术体系
（一）材料与配合比
按环境等级选用早强或抗硫酸盐水泥；
采用连续级配、洁净骨料；
低水灰比、高胶材体系，掺减水剂、矿物掺合料（粉煤灰、硅灰）提高密实度。
（二）施工与养护
避开极端天气施工，分层浇筑、均匀振捣；
拆模强度≥设计强度 50%，且与内外温差＜20 ℃；
初凝后立即覆盖保湿，养护期≥7 d（大体积混凝土 14 d）。
（三）表面防护
环氧厚浆、呋喃改性环氧、丙烯酸等封闭涂层；
水下变形缝采用 SBS 改性沥青灌缝，水上部分用 SR 嵌缝膏封闭；
必要时增设≥50 mm 保护层或阴极保护系统。
五、结论与展望
碳化是钢筋混凝土结构最常见的耐久性病害之一。通过“材料-结构-环境-荷载”多维度控制：
材料：低水胶比、高活性掺合料、抗蚀骨料；
施工：全过程质量监控、精细化养护；
防护：表面封闭、阴极保护、增厚保护层；
可显著延缓碳化前锋推进，实现“设计使用年限内免大修”的目标。未来应进一步开展碳化-氯离子-荷载-冻融多因素耦合模型研究，并建立快速现场检测与长期监测的智能化平台，为既有建筑延寿及新建工程全寿命设计提供科学依据。
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和尾矿泥浆处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
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预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
【建材“双碳”业务】
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复合掺合料和再生复合掺合料研发与制备
建筑垃圾处置与资源化利用
建筑垃圾再生砂粉应用技术
建筑垃圾再生轻粗骨料技术
碳化再生骨料制备技术
【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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