水工混凝土碳化危害、预防及处理（钟汉华）

[摘 要] 混凝土碳化是混凝土建筑物普遍存在的不可忽视的问题。水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，超过钢筋保护层厚度处较多，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出，直接影响这些建筑物的安全度。本文介绍混凝土碳化的概念、碳化机理、预防措施、处理方法。

[关键词] 混凝土 碳化 耐久性 预防 处理

1. 混凝土碳化概念

混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

根据湖北省水利水电工程检测研究中心对省内30多个工程碳化检测成果来看，五、六十年代修建的水工建筑物混凝土结构普遍碳化深度较深，一般为20～60mm，最大甚至超过90mm，远均超过钢筋保护层厚度，结构钢筋普遍锈蚀，有些部位甚至有锈水渗出。这些建筑物的安全度普遍较低。

2. 混凝土碳化机理

混凝土碳化是在潮湿环境下渗入混凝土体内部的CO2与水泥石中的Ca（OH）2发生中和反应,降低混凝土中的碱度的过程。

水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。

混凝土具有毛细管—孔隙结构的特点，这些毛细管—孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和骨料接触处的孔穴等等。此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8~10%。

混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应，生成碳酸钙等产物。混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙，里面充满着水分和空气，在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。水泥石中各水化产物稳定存在的pH值如表1（略）。

当混凝土细孔溶液中pH值低于表1（略）中所示值时,各物质开始进行分解。

在混凝土的细孔溶液中，存在较多的是K+、Na+和与之平衡的OH-。Ca2+的浓度很低。但是，这样的溶液在碳酸的作用下，由于碳酸盐中CaCO3的溶解度是最低的，所以CaCO3有选择性地首先沉淀，这是为了补充溶液中Ca2+的不足，固相中的Ca（OH）2 溶解。有的学者指出水与空气的存在是混凝土发生碳化的先决条件。

根据已碳化完了的试件的孔隙壁及内部的取样，测定其钙化比得知，碳化反应主要发生在孔隙内壁上。水泥的水化产物对CO2 具有吸收与缓冲能力，在该能力丧失之前，碳化反应进行，直到缓冲能力丧失，CO2 气体再一步向混凝土内部扩散。所以，碳化是呈阶梯状进行的。混凝土的碳化结果，使凝胶孔和部分毛细管可能被碳化产物CaCO3 等堵塞，混凝土本身的抗渗性和强度会有所提高。但是，碳化降低了混凝土孔隙液体中pH值，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀。钢筋开始锈蚀后，随后钢筋径向膨胀，保护层顺筋开裂，最后钢筋锈蚀加剧直至结构破坏；混凝土碳化破坏了混凝土结构的表面稳定的水化生成物，碳化反应生成的碳酸钙强度较低，从而降低混凝土强度。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土产生裂缝,从而破坏建筑物。

3.混凝土碳化影响因素

由上可知，混凝土的碳化是伴随着CO2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。所以，混凝土的碳化速度取决于CO2 气体的扩散速度及CO2 与混凝土成分的反应性。而 CO2 气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2 气体的浓度、环境温度、湿度等因素影响，所以碳化反应受混凝土内孔隙溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。具体表现在：

3.1内在因素

3.1.1水泥品种

不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。外加剂（减水剂、引气剂）一般均能提高抗渗性，减弱碳化速度，但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀，应严格控制其用量。

3.1.2骨料品种和级配

骨料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实，级配较好的骨料的混凝土，其碳化的速度较慢。

3.1.3磨细矿物掺料的品种和数量

如具有活性水硬性材料的掺料，其不能自行硬化，但能与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶结物质，使混凝土碱度降低。在水灰比不变采用等量取代的条件下，掺料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。

3.1.4水泥用量

增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。

3.1.5水灰比

在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。

3.1.6施工质量

施工质量差表现为振捣不密实，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化。

3.1.7养护质量

混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。

3.2外界因素

3.2.1酸性介质

酸性气体（如CO2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致水泥石逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究已证明，混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。

混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子（Cl-）作用。氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙，氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃灿性锈蚀。

3.2.2温度和光照

混凝土温度骤降，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。

阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了其化学反应和碳化速度。据检测同一结构的背阳面的碳化速度是阳面的60%~80%。

3.2.3相对湿度

周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50~70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。

3.2.4冻融和渗漏

在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。

4.混凝土碳化的防止措施

混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，关键是应采取防止措施。

4.1设计方面

根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素，分别对混凝土的保护层采取不同的厚度，应尽量避免一律采用2~3cm。

4.2施工方面

4.2.1限制新拌混凝土氯化物含量。拌和混凝土时，有可能从拌和水、水泥、细骨料、粗骨料以及外加剂等材料带进氯离子。对不接触氯离子的混凝土，拌和物中的氯离子含量应不大于引起钢筋锈蚀的临界值。

4.2.2采用活性掺和料和减水剂技术。国内外大量研究和工程实践证明，掺加适量优质的粉煤灰，在保证强度等级与和易性要求的前提下充分潮湿养护，不仅可以节能、节约水泥，降低工程造价，改善施工和易性、可泵性，消除泌水、离析带来的质量问题，而且可以以火山灰反应生成的水化硅酸钙凝胶体封堵毛细孔，从而显著提高对钢筋的防护性能。如果适量取代水泥，甚至外加法或同时掺加减水剂，以降低其水胶比，则会取得更好的效果。若以硅粉和硅粉粉煤灰双掺，其效果要优于单掺硅粉剂。

4.2.3严格控制施工质量。施工质量与混凝土耐久性关系的重要性超过其他因素。从大量混凝土工程出现碳化看，多出在施工质量上，因此，严格标准要求，严格操作规程、严格控制施工质量，是十分必要的。

4.3使用方面

对于水工建筑物在使用上不要随意改变原设计的使用条件。因为水工建筑物使用条件的改变，直接关系到外界气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化，尤其是对于混凝土构件的容易碰撞部位，更应当设置包角和隔层保护。

4.4管理方面

对于水工建筑中混凝土构件的管理，主要是定期检查、加强维护。对于容易产生碳化的混凝土构件，则应派专人定期观察及测试温度、湿度，检查裂缝情况和碳化深度，并作好详细记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时，则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施，绝对不允许其裂缝继续扩大，必要时可作混凝土补强处理。

5. 几种实用的混凝土碳化处理方案

5.1丙乳(丙烯酸脂共聚乳液)砂浆修补

5.1.1基面清理

丙乳砂浆封闭施工前，必须把混凝土表面的尘污、松散混凝土、裂隙边缘的杂物等用钢丝刷彻底清除，表面有油污时用汽油冲洗干净，然后用高压水泵进行喷洗。对混凝土表面的裂缝或孔洞用丙乳砂浆填充后，不必抹光，以便于与封闭涂料结合。

5.1.2 涂浆封闭

施工前先将混凝土表面洒水，使其充分吸附水分，待稍干并保持湿润状态时开始涂浆。涂浆封闭分三次。

第一遍用毛刷涂刷净浆，涂刷时要力求均匀，对表面低洼点、粗糙处理都要涂刷，不可漏涂。

第二遍涂浆待净浆稍干(约经过2h)后进行。用木抹子涂刷丙乳砂浆，不必抹光，均匀即可，厚度为4～5mm。为了保持砂浆的和易性，便于施工，涂刷要分片进行，一次不可过大，以3～4m2为宜。砂浆随配随用，每次10kg左右，40min内用完。夏季施工时，固化反应加快，不时发生急凝现象，要用力往一个方向拉抹子，不可往返涂抹。另外施工中要特别注意绝对不能往浆料中加水，否则将产生大量气泡，影响质量。

第三遍涂浆待养护2d后进行。浆料配与第二遍相同，每次配料仍为10kg，随配随用。因为最后一遍要求平整光滑，因此要改用铁抹子，仍保持一个方向拉抹。要求推浆薄而均匀，厚度5～6mm，轧光遍数不易太多，基本压平抹光即可，涂抹时如表面开始固结，可用喷雾器喷雾，保持基面潮湿。

5.1.3 养护

洒水养护要贯穿施工的全过程。当第一遍净浆涂刷0.5h后养护即开始，第二遍、第三遍涂浆后更要注意养护，要责成专人负责这项工作，周而复始不停地进行。丙乳砂浆的养护不，最好使用农用喷器不停地喷洒，使工程周围保持雾状的湿润状同于普通混凝土，不可采用湿草袋覆盖、直接喷水等传统的养护方法态。养护工作要昼夜不停地进行，白天循环养护不得间歇，夜间每隔1h养护一次，持续7d。

施工后28d达到设计强度后，建筑物即可正常运行。

利用丙乳砂浆封闭混凝土表面的施工工艺复杂，技术性强，精度要求高。如构件表面处理不当，则涂层附着力大幅度下降甚至脱落；水灰比、水聚比掌握不好，浆体会产生大量气泡；施工环境温度过高或过低以及养护不当均会给施工带来困难，影响工程质量。因此，必须严格遵守操作规程，真正做到精心施工，才能达到预期的防护效果。

5. 2 环氧厚浆涂料

5. 2.1 性能特点

环氧厚浆涂料是由环氧基料、增韧剂、防锈剂、防锈防渗填料及固化剂等多种成份组成，适用于混凝土表层封闭。它具有以下一些特点：①稳定性好。该涂料在大气、淡水、海水及酸碱溶液等介质中长期稳定。②物理机械性能好。该涂料附着力强，涂层坚硬耐磨，耐热性及电绝缘性好。③密封性能好。该涂料涂刷后能完全密闭受涂物表面，耐水、耐湿。④保护周期长。使用寿命在12年以上。⑤、施工方便。既适合手工涂刷，又适合机械喷涂。

5. 2.2 施工工艺

（1）表面处理。混凝土表面处理是除掉混凝土上的污迹、浮物，一般有手工清理和机械清理两种方法。手工清理用钢丝刷在混凝土上来回拉刷，直至除掉混凝土表面的污迹，再用水清洗。机械清理常用喷砂及高压水、高压气冲洗，以不损伤混凝土表层为限。表面处理后，对于混凝土上显露出来的裂缝、蜂窝、麻面等缺陷要先进行修补，完全补好后才能进行涂装，这样才能彻底保护混凝土。混凝土表面处理后待完全干燥后才能进行涂装。

（2）涂料使用要求。环氧厚浆涂料分甲、乙两组分，使用时一般按甲、乙组分比7∶1混合均匀后使用。配制量要根据需求适量配制，及时用完。二次涂装要在一次涂装漆膜完全干燥后进行。

（3）表面涂装。环氧厚浆涂料的人工涂装方法与一般涂料相同，机械喷涂采用高压无气喷涂工艺。

（4）用量。环氧厚浆涂料固体组分多，挥发组分少，一般应涂刷3～4遍，厚度达到250μｍ左右，用量0.5～0.6kg/m2。

5. 3 硅粉砂浆

硅粉砂浆由普遍水泥砂浆掺和硅粉拌制而成，适用于混凝土碳化层凿除后的重新粉刷。硅粉砂浆因其优越的力学性能和抗渗性能而尤其适用于船闸、通航节制闸闸室岸翼墙墙面的防碳化处理。

根据试验，其抗冲磨性能比C60水泥砂浆高1.5倍，其抗压强度达120MPa，抗拉强度5.2MPa，粘结强度3.6MPa，CO2浓度为30%的28d碳化试验的碳化深度为0。

硅粉砂浆的施工工艺为：混凝土表面凿毛、冲洗、刷水泥硅粉净浆、粉硅粉砂浆，养护14d。硅粉砂浆粉层厚度一般为2cm左右。

5.4 混凝土结构变形缝的缝面处理

混凝土结构变形缝的缝面处理难于一般方法进行防碳化处理。为阻缓缝内混凝土的继续碳化，并能满足变形缝的变形要求，对于水上部位的变形缝，可采用SR嵌缝膏进行表面封闭；对水下部位的变形缝，可采用SBS改性沥青灌注封闭，能起到闭气止水的双重作用。

(由湖北水利水电职业技术学院供稿)

参考文献

[1]中国建筑科学研究院混凝土研究所主编.混凝土实用手册.北京：中国建筑工业出版社，1987

[2]蒋学利等.混凝土碳化深度的计算与试验研究[M].混凝土.1996(4)

[3]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护.北京：中国铁道出版社，1998

[4]郑昌利.用硅粉水泥砂浆修复船闸闸墙[M].水运工程.1994（7）

[5]钟汉华.混凝土的碳化机理及其影响因素[M].湖北水利.1998(4)

[6]湖北省水利水电工程检测研究中心.湖北省富水水库溢洪道安全检测报告.2001年3月

[7]湖北省水利水电工程质量检测中心.夹河沟泵站安全检测报告.2005年12月

作者简介

钟汉华（1965.2—），男，汉族，籍贯湖北，副教授、高级工程师、注册监理工程、注册造价工程师，毕业于武汉水利电力学院水利水电工程施工专业，主要从事水利水电工程施工方面的教学与研究工作。

来源：《中国水利水电市场》2007年9期