空氣、土壤或地下水等環境中的酸性物質如CO2、HCl、SO2、Cl2深入混凝土表面，與混凝土中的堿性物質發生反應，使混凝土中的PH值下降的過程稱為混凝土的中性化，其中由大氣環境中的CO2引起的中性化過程稱為混凝土的碳化。由于大氣中有一定含量的CO2，故碳化是最普遍的混凝土中性化過程。 混凝土在空氣中的碳化是空氣中二氧化碳與混凝土中的堿性物質相互作用，使其機能下降的一種復雜的物理化學過程。在某些條件下，混凝土的碳化會增加其密實性，提高混凝土的抗化學腐蝕能力。但由于碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時，混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。由此可見，混凝土的碳化對鋼筋混凝土結構的耐久性有很大的影響。因此，分析混凝土的碳化機理、影響因素及其控制是很有必要的。 一、混凝土的碳化機理 混凝土的基本組成材料為水泥、水、砂和石子，其中硅酸鹽水泥熟料礦物主要由硅酸三鈣和硅酸二鈣組成，在拌和混凝土時，它們與水發生如下化學反應： 2(3CaO•SiO2) + 6H2O•3CaO→2SiO2•3H2O + 3Ca(OH)2 2(2CaO•SiO2) + 4H2O•3CaO→2SiO2•3H2O + Ca(OH)2 由上可知，硅酸鹽水泥的主要水化產物為水化硅酸鈣和Ca(OH)2 ,其中Ca(OH)2 在水中的溶解度極低，少量溶于孔隙液中，使孔隙液成為飽和堿性溶液，它的PH值為12.5-13.5，這種高堿性的環境有利于保護鋼筋，相當于在鋼筋周圍產生了一層“保護膜”，使其免遭銹蝕。由于施工過程中的種種原因，混凝土內部存在許多大小不一的毛細孔、孔隙、氣泡，甚至缺陷，因此形成的混凝土實際是一個含固相、液相、氣相的非均勻物質，于是環境中的二氧化碳氣體便通過這些無法避免的缺陷，滲透到毛細孔和孔隙中，與其中的孔隙液所溶解的 Ca(OH)2 進行中和反應，其化學方程式如下: CO2 + H2O→H2CO3 Ca(OH)2 + H2CO3 →CaCO3 + 2H2O 反應后，毛細孔周圍混凝土中的羥鈣石補充溶解為Ca2+和OH- ，反向擴散到孔隙液中，與繼續擴散進來的CO2反應，一直到孔溶液中的PH值降為8.5-9.0時，這層毛細孔才不再進行這種中和反應，即所謂“已碳化”?；炷帘韺犹蓟?大氣中的CO2繼續沿混凝土中未完全充水的毛細孔道向混凝土深處氣相擴散，更深入地進行碳化反應。這些反應使混凝土中的堿度降低，破壞鋼筋周圍的“保護膜”，這樣就會加速鋼筋的銹蝕，因銹蝕就會引起體積膨脹使混凝土覆蓋層遭受破壞，從而發生沿鋼筋界面出現裂縫以及混凝土覆蓋層剝落等現象。 二、影響混凝土碳化的因素 2.1影響混凝土碳化的內在因素 （1）水灰比對碳化速度的影響。水灰比是決定混凝土性能的重要參數，對混凝土碳化速度影響極大。眾所周知，水灰比基本上決定了混凝土的孔結構，水灰比越大，混凝土內部的孔隙率就越大。由于CO2擴散是在混凝土內部的氣孔和毛細孔中進行的，因此，水灰比在一定程度上決定了CO2在混凝土中的擴散速度，水灰比越大，混凝土碳化速度也就越快。 （2）水泥品種的影響。水泥品種不同，水泥水化產物中堿性物質的含量及混凝土的滲透性不同，故對混凝土碳化速度有一定影響。在快速試驗條件下，礦渣水泥混凝土比同一水灰比的普通水泥混凝土碳化快10～20%，在室外暴露條件下，快50～90%。 （3）水泥用量的影響。水泥用量直接影響混凝土吸收CO2的量，因此對混凝土碳化速度有一定影響。混凝土吸收CO2的量取決于水泥用量和混凝土的水化程度，水泥用量越大，其碳化速度越慢。 （4）骨料的品種及顆粒級配。骨料的品種和顆粒級配影響混凝土的密實度，從而影響到碳化速度。粗骨料粒越大，越容易造成離析、泌水，影響穩定性，增加了透氣性，降低密實度。而輕骨料本身氣泡多，透氣性大。所以骨料的品種及顆粒級配能影響混凝土的碳化速度。 （5）混凝土摻合料對碳化的影響。在普通水泥混凝土中，摻加粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相應地減少了，致使混凝土吸收CO2的能力降低，同時，由于粉煤灰混凝土的早期強度低，孔結構差，加速了CO2的擴散速度，從而使碳化速度加快。文獻指出，當粉煤灰摻量小于10%時，可不考慮粉煤灰的影響；當粉煤灰摻量超過20%時，則必須考慮粉煤灰對碳化的影響，并應控制粉煤灰摻量（不超過30%）。 （6） 混凝土抗壓強度的影響。混凝土抗壓強度是混凝土最基本的性能指標，也是衡量混凝土品質的綜合參數，它與混凝土的水灰比有非常密切的關系，并在一定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強度、骨料品種、外加劑、以及施工質量與養護方法等對混凝土品質的影響，混凝土強度高，其抗碳化能力強。因此，很多學者都研究了混凝土抗壓強度與碳化的關系。這些研究結果表明，混凝土碳化深度與抗壓強度的倒數成正比。 （7） 施工質量及養護對碳化的影響?；炷潦┕べ|量對混凝土的品質有很大影響，混凝土澆注、振搗不僅影響混凝土的強度，而且直接影響混凝土的密實性，因此，施工質量對混凝土碳化有很大影響。在其它條件相同時，施工質量好，混凝土強度高，密實性好，其抗碳化性能強；施工質量差，混凝土表面不平整，內部有裂縫、蜂窩、孔洞等，增加了CO2在混凝土中的擴散路徑，使碳化速度加快。 混凝土養護狀況對混凝土碳化也有一定影響。混凝土早期養護不良，水泥水化不充分，使表層混凝土滲透性增大，碳化加快。另外，混凝土養護方法對碳化速度也有一定影響。 2.2環境條件對碳化速度的影響 （1）光照和溫度。混凝土碳化與光照和溫度有直接關系。溫度升高，碳化反應和CO2擴散速度加快，所以碳化速度加快。陽光的直射，加速了其化學反應，也能使碳化速度加快。 （2）相對濕度。相對濕度決定孔隙水的飽和程度。碳化是液相反應，在相對濕度低于45%的空氣中(干燥狀態)的混凝土很難碳化；在相對濕度大于95%的潮濕空氣中或在水中的混凝土由于透氣性小，反而難以碳化。在45%-95%的環境相對濕度范圍，隨著環境相對濕度的增大，混凝土的碳化速度降低。 （3）環境中CO2濃度。CO2濃度越高，碳化速度就越快。一般認為，混凝土的碳化速度與CO2濃度的平方根成正比。 2.3其他因素對碳化的影響 （1）不同應力狀態對混凝土碳化的影響。混凝土施加應力之后對內部的微細裂縫起到了抑制或擴散作用。微細裂縫的存在使CO2容易滲透，引起碳化速度加快，但施加了壓應力之后，使混凝土的大量微細裂縫閉合或寬度減小，CO2的滲透速度減慢，從而減弱了混凝土的碳化速度。當然，混凝土中的壓應力過大時，也可使是混凝土產生微觀裂縫，加速碳化過程；相反，施加拉應力后，混凝土的微裂縫擴展，加快了混凝土的碳化速度。另外，碳化速度隨時間的增長也越來越慢。 （2）裂縫對混凝土碳化的影響。混凝土的碳化破壞過程，多是由于各種有害物質從外部向內部的滲透或遷移作用。因而混凝土結構的抗滲性是反應其耐久性的一個綜合性指標。裂縫的存在將直接影響到混凝土的滲透性與耐久性，并且由于碳化能夠通過裂縫較快的滲入到混凝土內部，因而裂縫處混凝土的碳化速度要大于無裂縫處。 三、混凝土的碳化規律 國內外學者對混凝土碳化進行了深入的研究，在分析碳化實驗結果的基礎上，提出了碳化深度D與時間t的關系式： 式中a， 為碳化速度系數, D1、D2分別為測得的和要預測的混凝土碳化深度，t1、t2為測定D1和預測D2時的碳化時間。 碳化系數體現了混凝土的抗碳化能力，它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養護方法、孔尺寸與分布有關，而且還與環境的相對濕度、溫度及CO2濃度有關。 混凝土構件角部的雙向碳化使得角部的鋼筋銹蝕比較嚴重，文獻試圖經過簡化得到它的解析解，但有待實驗的進一步驗證。文獻把混凝土的抗壓強度視為服從正態分布的變量，并且均值與方差隨著碳化時間的變化而變化，通過總結國內外暴露實驗的數據，提出了均值與方差的具體表達式，這對了解混凝土構件的抗力變化是十分有益的。 四、混凝土碳化的防止措施 （1）設計方面。根據建筑物混凝土所處不同的構件、強度等級和環境類別，分別對混凝土的保護層采取不同的厚度，設計單位在保護層厚度上應考慮碳化對保護層作用的影響，要構件應適當加大保護層厚度。 （2）施工方面。混凝土質量好壞施工是關鍵。 一是要認真選擇建筑材料。水泥選用抗碳化能力強的硅酸鹽水泥；集料選用質地硬實和級配良好的砂和石料；施工中除砂要篩、石要選外，還要特別注意剔除集料中的有害物質。二是在混凝土中可摻入優質適宜的外加劑，如減水劑、阻水劑等，以改善混凝土的某些性能， 提高其強度和密實性、抗滲性、抗凍性。三是要嚴格控制混凝土的水灰比，要求是小水灰比、低塌落度，要把水的用量控制在滿足配料和施工需要的最低范圍內，盡量減少混凝土的自由水。四是振搗和養護，振搗一定要充分并嚴格按照規定標準進行，必要時可作表面處理；養護一定要及時，一旦混凝土達到初凝時，就應立即進行養護，并堅持按不同水泥品種所要求的時間養護，控制好環境的溫度和濕度，以使混凝土在適宜的環境中進行養護。五是鋼筋混凝土保護層厚度，施工時要將鋼筋用事先預制好的高標號砂漿墊塊墊好，使鋼筋的混凝土保護層厚度滿足設計要求。若混凝土發生碳化深度較大，最好采用環氧材料修補，也可鑿除混凝土松散部分，將混凝土銜接面鑿毛，用優質混凝土重做鋼筋保護層使用方面。 （3）使用方面。對于建筑物在使用上不要隨意改變原設計的使用條件。因為建筑物使用條件的改變，直接關系到外界氣體、溫度、濕度等因素變化所引起的混凝土內部某些情況的變化。 五、結束語 本文在查閱大量國內外參考文獻的基礎上，簡要分析了混凝土的碳化原理及危害，逐一詳細介紹了影響混凝土的碳化深度和碳化速度的各種因素。由于混凝土結構的耐久性是一個影響著混凝土壽命長期而重要的因素。但混凝土的碳化耐久性壽命與混凝土結構環境條件、混凝土保護層厚度以及混凝土強度等諸因素有關，我們仍需進行大量的實驗和研究，才能對混凝土結構的耐久性壽命進行科學的、綜合的評估。 參考文獻： [1] 張譽，蔣利學，張偉平，屈文俊. 混凝土結構耐久性概論[M].上海：上?？茖W技術出版社，2003. [2] 金偉良，趙羽習. 混凝土結構耐久性[M].北京：科學出版社，2002 [3] 侯聰霞. 淺析影響混凝土碳化的因素[J].中國科技財富，2009，2 [4] 王國海. 混凝土碳化機理及影響因素[J].經營管理者，2009,10 [5] 屈文俊. 既有混凝土橋梁的耐久性評估及壽命預測[D].博士學位論文.西南交通大學，1995. [6] 牛荻濤，王慶霖. 一般大氣環境下混凝土強度經時變化模型[J].工業建筑， 1995（6）. [7] 張鵬. 小議混凝土的碳化[J].福建建材，2009（110）：78-79. [8] 揚帆. 混凝土碳化的影響因素研究[J].廣東建材，2009,6：36-40.
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