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1、摘要：混凝土的抗碳化性能作为影响其耐久性的重要因素之一，对于混凝土 结构的可持续性发展具有十分重要的意义。本文介绍了混凝土的碳化影响因素、 碳化机理及相关模型，展望了大产量矿物掺合料混凝土抗碳化性能的发展及方向关键词：混凝土，碳化，大掺量矿物掺合料混凝土1、绪 论混凝土作为一种重要的建筑材料，其质量优劣直接关系到建筑整体质量。在 混凝土长期使用过程中，由于人们对其耐久性问题认识不够深入，严重影响其安 全使用，而其中，一个重要的问题就是混凝土的碳化，这是关系到混凝土耐久性 的经典问题，经过大量研究和实践，许多具有潜在化学活性的矿物掺合料（粉煤 灰、磨细矿渣等）逐渐步入人们视野。研究发现，对于粉煤
2、灰混凝土，粉煤灰掺量增大时混凝土抗碳化能力会降低 当粉煤灰掺量不超过40%时，混凝土抗碳化能力基本满足，但当其掺量大于50 % 后，混凝土碳化速率将明显提高。另对于矿渣混凝土其抗碳化性能要弱于普通混 凝土，当选用的矿渣粉比表面积在600 m2/kg以上时，其抗碳化能力相对较好。 同时，对双掺粉煤灰、矿渣与粉煤灰、硅灰的混凝土的抗碳化性能进行了研究发 现掺入硅灰后，其抗碳化性能增强。一般来说，矿物掺合料的二次水化反应会使混凝土浆体碱度会更低，使混凝 土的抗碳化性能远低于纯硅酸盐水泥混凝土，不利于其广泛应用。如何处理好该 问题，对于混凝土结构的可持续性发展具有十分重要的意义。2、矿物掺合料混凝土的
3、抗碳化性能研究2.1 混凝土碳化影响因素研究混凝土碳化同诸多因素相关，这些影响因素基本可以以内部因素和外部因素 来进行区分。2.1.1 混凝土内部因素的影响（1）水泥品种及用量水泥对 CO2 的吸收速率随其品种的不同而存在差异，水泥用量一定的前提下 混凝土的抗碳化性能：粉煤灰混凝土普通硅酸盐水泥混凝土硅酸盐水泥混凝 土。许丽萍等研究了水泥品种对混凝土碳化速率的影响，试验结果如表1所示， 另外，不同水泥用量对混凝土碳化深度的影响如表2所示。表1 水泥品种对混凝土碳化速率的影响15水泥品种对碳化速率的影响系数普通硅酸盐水泥1.0矿渣硅酸盐水泥（矿渣掺量30 %40 %）1.4矿渣硅酸盐水泥（矿渣含
4、量60 %）2.2火山灰质硅酸盐水泥及掺矿渣及粉煤灰的水1.7泥表2 混凝土中水泥用量对碳化深度的影响16水泥用量/（kg/m3碳化深度比值2001.803001.003500.854000.704500.60（2）外加剂外加剂掺入会改善混凝土的抗碳化性能。减水剂和引气剂做为两种常用外加 剂，两者都可有效地阻碍CO2气体和水分在混凝土内部扩散，从而达到降低混凝 土碳化速率的目的。（3）骨料级配、水胶比等合理的骨料级配会使混凝土成型凝固过程中各组分更加紧密结合，提高其密 实度，从而提高混凝土抗碳化性能；另外水胶比作为混凝土的重要考虑因素之一 Skijolsvold 研究得到了混凝土碳化深度与其重
5、要关系，如图 1所示。图1 水胶比对碳化深度的影响2.2.2 混凝土外部因素的影响（1）施工及养护方法良好的施工质量，可提高混凝土密实性，减缓其碳化进程。混凝土的养护龄 期直接关系到其水化程度，水化不充分时，其抗碳化能力显著降低。2）外界温湿度碳化反应是在位于混凝土孔壁内部的水膜上进行的。低相对湿度会过分降低 水膜厚度，对CO2和Ca（OH）2在水中的溶解过程起到阻碍作用。温度对于混凝土 碳化带来的影响比相对湿度还要显著，因为温度会对 CO2 在混凝土内部的扩散速 率产生影响，因此，温度对混凝土碳化影响尚无统一公认结果。（3）二氧化碳浓度碳化深度随二氧化碳浓度的增大而发展变快。另有学者给出了碳
6、化深度与浓度的关系曲线如图 2 所示。时闻:图2二氧化碳浓度与时间关系（3）应力状态处于不同应力状态下的混凝土构件，碳化程度亦有关系。混凝土的应力状态 会对其内部微裂缝产生一定程度影响。一般而言，拉应力会使其抗碳化能力降低2.2 混凝土碳化评价方法研究对混凝土的碳化深度及程度作出合理的评价，对于混凝土结构特别是钢筋混 凝土结构的使用具有十分重要的作用。目前，国内外常用的几种混凝土碳化评价 方法主要有酚酞指示剂法、钻孔法、热分析法、X射线物相分析法、电子探针显 微分析法。酚酞指示剂作为一种简便且成本低的混凝土碳化程度评价方法，可间接反映 混凝土的碳化程度，但精度不高，而其他方法，价格又太高。因此
7、，混凝土碳化 程度评价方法的选取应具体情况具体分析，正确选取。3、混凝土碳化机理及预测模型混凝土碳化包括一系列反应式：Ca(OH) 2+CO2-CaCO3+H2O2232(31)(3CaO 2 SiO2 3H2O) +3CO2-(3CaCO3 2SiO2 3H2O)222322(32)3CaO SiO2+ YH2O+3CO2-3CaCO3+SiO2 yH2O222322(33)2CaO SiO2+ YH2O+2CO2-2CaCO3+SiO2 yH2O222322(34)国内外学者对此进行了大量研究，并建立了相应的碳化计算模型，这些模型基本可分为以下三类：(1)基于扩散的模型； (2)基于试验的
8、经验模型； (3)两者相结合的综合模型。3.1 理论模型目前比较常见的混凝土碳化理论模型有基于FICK定律的碳化模型邛和Papadakis碳化理论模型，其理论较好，但应用于工程中误差较大。两种模型都表明混凝土的碳化深度与碳化时间的平方根成正比，并且Papadakis还得出DCO2 的计算公式：3- = 5-(28)式中 亠CO2在混凝土中的扩散系数；一：一混凝土中已碳化的孔隙率；RH环境相对湿度。3.2 经验模型表3所示几种典型模型。表3 混凝土碳化经验模型模型名称日本Nishi 模型民模型坛模型表 3（续表）/C/C模型表达式0.6数。0.6朱安邱小模型名称 模型表达式基 Smoleazyk
9、 模型W/C水灰比;t碳化时间,a。耳一水泥品种影响系数;ra骨料品种影响系数;%混凝土掺加剂影响系W/C水灰比;t碳化时间,a。丫1水泥品种影响系数;丫2粉煤灰影响系数;匕一气候条件影响系数。W/C水灰比;C水泥用量;t碳化时间,Fc混凝土抗压强度，MPa；a。极限强度，Fs=62.5MPa。Kmc计算模型不定性随机变量；T环境年平均温度,0C；牛荻涛模型（1- RH心-0.76）-/rJeuRH环境年平均相对湿度；Feu混凝土立方体抗压强度，MPa，是随机变量;t碳化时间,a。t碳化时间，a；Knw室内外混凝土影响系数;张海燕模型砒=心口1呼皿岔 _1阴冃+l.SMx，尺7丽/变竺山缈“X
10、uJirT一温度，oC；Ht相对湿度;Co二氧化碳浓度，%;Feu,k标准抗压强度,MPa。a碳化系数，普通混凝土取2.32，轻集料混凝土取 4.18;龚洛书模型t碳化时间，年;Kw、Kc、Kg、KFA、Kb、心一分别表示水灰比、水泥用泥量、养护方法和水泥品种影响系数；t碳化时间，a。混凝土的水灰比影响着其物理化学过程，基于水灰比的经验碳化模型是发展 较早、研究较多的一种碳化模型，但是混凝土水灰比并不能全面反映其质量，再 者是实际工程中不易准确得到混凝土水灰比；另外由于混凝土抗压强度易测定， 这个模型可弥补水胶比模型的不足，但其并不能对矿物掺合料在混凝土中对其造 成的微观影响进行反映，且采用该
11、类模型在对混凝土碳化深度进行预测过程中误 差因素影响较大，试验结果精度较低；多系数模型主要反映在一定条件下混凝土 碳化的规律，在对混凝土碳化深度进行预测过程中，需要对具体的试验条件、材 料等多因素展开探讨，过程较复杂，模型适用范围受限。3.3 基于扩散理论和试验结果的经验模型综合模型中的主要模型有同济大学模型和刘亚芹模型。同济大学模型如下式所示：& 二訂9(1-朋)1邛:弭 G VF(3-9)式中XC一碳化深度，mm；RH环境相对湿度，%, RH55%时适用；W/C混凝土的水灰比；C水泥用量，kg/m3。刘亚芹模型如下式所示：倍(i 汕(3-10)式中 I： “匚一相关影响系数；c0环境中二氧
12、化碳浓度，%；XC一碳化深度，mm；RH环境相对湿度，%, RH55 %时适用；W/C混凝土的水灰比；C一水泥用量，kg/m3。该模型理论依据充分，且可实际操作性较强，是较理想的碳化预测模型。4、结论通过以上对混凝土碳化的总结分析可发现，目前，对大掺量矿物掺合料混凝 土的研究还较少，而在这些研究中对混凝土在单掺粉煤灰情况下的碳化性能研究 较多；另外，对混凝土碳化影响因素、评价方法、评价模型的研究相对较少，仍 有待于进一步展开相关试验，为大掺量矿物掺合料混凝土的发展提供可靠保证。参考文献1 姚武. 绿色混凝土. 北京: 化学工业出版社, 2005.2 刘斌. 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能. 混
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