混凝土的碳化及其控制措施

徐展，陆新，王龙生

（苏州鼎恩建材科技有限公司，江苏 苏州 215003）

混凝土的碳化及其控制措施

徐展，陆新，王龙生

（苏州鼎恩建材科技有限公司，江苏 苏州 215003）

本文介绍了混凝土碳化的原因、条件以及碳化的危害，并介绍了几种控制混凝土碳化的手段，特别推出一种以水溶性高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）溶液作为混凝土碳化抑制剂。通过试验确定了 PVA 具有良好的控制混凝土碳化的效果。

混凝土；碳化；聚乙烯醇

1 混凝土碳化的原因

混凝土是由水泥、粉煤灰、矿粉等作为胶凝材料，与水反应后胶结砂、石子而形成具有一定机械性能的人造材料。

通常而言，混凝土具有较高的力学性能，完全可以满足设计性能的要求。混凝土保持性能稳定的前提是必须保证混凝土体系的碱环境（pH 约为 12～13），如果混凝土在服役过程中，由于外界原因，可能导致混凝土体系的 pH 值下降，即混凝土发生“中性化”。

混凝土碳化又叫混凝土碳酸化，属于混凝土“中性化”的一种。从广义上讲，任何酸性气体都可以与氢氧化钙反应而降低混凝土体系的 pH 值，从而导致混凝土中性化的发生，但在正常的环境中，二氧化碳浓度远大于其他酸性气体的含量，在通常情况下主要考虑二氧化碳导致的混凝土中性化，即常说的碳化[1,2]。

总之，混凝土碳化的主要原因是环境中的二氧化碳与混凝土体系的氢氧化钙反应，导致混凝土体系的 pH 值下降所致。

2 混凝土碳化的条件

2.1 外部条件

混凝土所处的外界环境具有一定的二氧化碳浓度是混凝土发生碳化的前提条件。只有二氧化碳达到一定的浓度（二氧化碳分压），才能自发向混凝土内部扩散。而在通常的环境下，尤其是城市建筑、路面以及停车场等场所，其空气中的二氧化碳浓度通常较高，较易导致混凝土发生碳化。

2.2 内部条件

混凝土发生碳化的内部条件是指混凝土结构自身的密实度和湿度条件。混凝土自身致密性越高，则二氧化碳向内部扩散越困难，体系难以发生碳化。混凝土的致密性与配合比有密切的关系，目前的商品混凝土通常大量掺加矿粉、粉煤灰等早期活性相对较低的掺合料，导致混凝土的相对有效水灰比较大，早期混凝土内容易形成大量的空隙，为二氧化碳向内部扩散提供了通道。研究表明，混凝土的相对湿度达到50% 以上足以导致混凝土碳化，而混凝土的毛细孔内的相对湿度通常在 70% 以上，完全满足混凝土发生碳化的条件[3,4]。

综上，酸性气体二氧化碳的存在只是混凝土发生碳化的前提条件，通常情况下，混凝土发生碳化必须同时具备外部和内部条件。外部的二氧化碳浓度在通常情况下是不可控的，即使在现代商品混凝土常用的配合比下，混凝土的早期碳化也难以避免，只有采取其他处理措施，才能有效控制混凝土的碳化。

3 混凝土碳化的危害

混凝土碳化的危害主要表现在以下几个方面：

（1）降低混凝土体系的 pH 值，使硬化水泥石逐渐发生解体（C-S-H 分解），导致混凝土的力学性能下降，甚至达不到设计的强度等级，损害混凝土的质量。

（2）对于钢筋混凝土而言，由于碳化使得钢筋保护膜被破坏，同时碳化也容易使氧气等易于到达钢筋表面，而造成钢筋的电化学腐蚀，严重降低钢筋混凝土的性能[3-5]。

为了保证混凝土的质量，必须采取必要措施，有效防止混凝土碳化的发生。

4 控制混凝土碳化的技术措施

对于混凝土碳化的控制，已经引起混凝土公司技术部门的高度重视，目前采取的措施主要有：在混凝土表面涂抹市售的聚合物乳液或硅酸钠溶液，或者组织专门人员对早龄期的混凝土柱采用人工包裹塑料薄膜的方法来抑制混凝土的碳化。由于市售的聚合物乳液价格较高，硅酸钠溶液抑制碳化的效果有限，所以目前采取的最常用手段还是人工包裹熟料薄膜。

但采用人工包裹塑料薄膜的方法也存在一定的弊端：

（1）劳动强度相对较大，包裹一根混凝土柱至少 2 人同时操作，消耗的人力成本较大，同时受条件限制，超出人身高的部分难以进行操作，且效率较低。

（2）塑料薄膜必须紧贴混凝土柱的表面，但在实际操作过程中，尤其风力较大时，塑料薄膜容易起鼓，甚至被风吹破，大大降低对二氧化碳的阻隔作用。

（3）塑料薄膜属于耗材，无法循环利用，不仅造成浪费，而且造成一定的“白色污染”。

5 成膜型高分子聚合物基混凝土表面碳化抑制剂

我公司尝试采用一种易成膜的水溶性高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）溶液作为混凝土碳化抑制剂。其基本的作用原理是：PVA 属于两亲型的水溶性聚合物，对于特定分子链段的 PVA 分子，其水溶液具有较大的粘度，将其涂覆到混凝土表面后，随着水份的蒸发，将在混凝土表面形成一层膜，从而有效阻隔气体和水份进入混凝土内部，提高混凝土的抗碳化能力，同时能防止其他腐蚀性介质进入混凝土，从而提高混凝土的耐久性。

聚乙烯醇形成的膜具有如下优点：

（1）操作更方便，只要在实验室配制一定浓度的 PVA溶液，一个人用滚筒或毛刷即可操作，亦可用喷雾器直接喷涂，劳动强度小，且工作效率较高。

（2）聚乙烯醇形成的膜比塑料薄膜更耐久，其在操作阶段以溶液形式粘附在混凝土表面，待水份蒸发后，就会在混凝土表面形成一层聚乙烯醇膜，由于此膜是高分子相互作用形成的，具有较好的机械强度，能够抵挡风吹日晒，而塑料薄膜在风吹日晒环境下容易老化。

（3）此膜可以长期存在于混凝土表面，起到长期的保护效果，且不会对混凝土外观产生任何影响。

6 控制碳化效果对比

在同等条件下，采用 C30 混凝土试块进行室外自然条件放置，60 天碳化情况如图 1～4 所示。对于没有表面涂覆的混凝土试块，其碳化深化为 3.0 左右，表面采用硅酸钠处理的碳化深度为 2.0 左右，表面采用聚合物乳液处理的碳化深度为0.5 左右，而表面采用 PVA 处理的混凝土试块碳化深度为 0。

图 1 表面未处理 碳化深度 3.0

图 2 表面硅酸钠处理 碳化 2.0

7 成本估算

目前市场上的 PVA，价格约为 10000 元/吨，按照 5% 浓度配制，则一吨 PVA 可配制 20 吨水剂，则一吨制剂的成本为5000 元，即 0.5 元/千克，而市售的聚合物乳液售价为 100 元/千克左右，远高于 PVA 碳化抑制剂。按照每根混凝土柱使用5 公斤计算，则 PVA 碳化抑制剂原料成本仅为 2.5 元。由于操作劳动强度小，一个人即可操作，效率较高、人工成本低于包裹塑料薄膜，因此采用 PVA 作为混凝土的碳化抑制剂技术效果显著，具有良好的经济效益。

图 3 表面聚合物乳液处理 碳化深度 0.5

图 4 表面 PVA 处理 碳化深度 0

[1] 石亮，刘建忠，刘加平．聚合物涂层对混凝土碳化的影响及作用机理[J]．东南大学学报，2010,(40): 208-212．

[2] 柳俊哲．混凝土碳化研究与进展(Ⅰ)——碳化机理及碳化程度评价[ J]．混凝土，2005(11): 10-14．

[3] 邹涛，李珍，韩炜，等．混凝土表面保护材料的研究进展[J]．混凝土，2008( 12): 66-68．

[4] 柳俊哲，吕丽华，李玉顺．混凝土碳化研究与进展(Ⅱ)——碳化速度的影响因素及碳化对混凝土品质的影响[J]．混凝土， 2005(12): 10-14．

[5] 殷顺湖，许强．混凝土碳化防护材料的研究[J]．建筑石膏与胶凝材料， 2004(11): 54-55．

［通讯地址］江苏省苏州市齐门外新丰路 16 号（215003）

徐展（1977—），男，工程师，从事新型建筑材料的生产与研究。