广东惠州公路建设总公司516000
摘要：合理量化碳化环境作用并准确分析混凝土碳化深度，对于碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析与设计具有重要意义。首先基于混凝土碳化分析的多场耦合数值模型，定量分析温度、相对湿度、CO2浓度等环境因素对混凝土碳化深度的影响，并建立混凝土结构的碳化环境作用量化指标；然后通过引入环境修正系数对理论模型进行修正，建立混凝土碳化深度分析的实用预测模型，进而对碳化环境下混凝土结构的服役寿命和耐久性设计参数进行定量分析，并通过试验数据对比验证该方法的有效性和适用性。在此基础上，以碳化速率系数作为耐久性设计参数，可以实现碳化环境下混凝土结构的耐久性定量分析与设计。
关键词：混凝土；碳化；环境作用量化；耐久性分析
前言
目前在我国建筑材料行业领域中，对于建筑材料质量的评价指标名目繁多，而混凝土作为建筑行业中最为常见的建筑材料之一，混凝土的强度和耐久性是评价混凝土质量优劣的重要指标。碳化环境下混凝土结构耐久性设计的基本思路是：首先定性确定混凝土结构的环境作用等级，然后通过限制最大水胶比、最低混凝土强度以及最小保护层厚度等参数来保证混凝土结构的耐久性。
一、混凝土结构碳化研究意义
建筑施工生产不同于其他工业生产，混凝土结构，尤其是钢筋混凝土结构是目前全球最为广泛应用的土木结构形式之一，尤其是进入二十一世纪，随着我国城市化建设、新农村保障性安居工程、社会公共基础设施建设等项目的高速发展，我国每年消耗在钢筋混凝土结构上的费用达2000多亿元，根据中商产业研究院数据显示，2014年全年我国生产商品混凝土1.56亿立方米，同比增长11.39%。特别是2000年之后，建筑业井喷式发展，使得建筑行业增加产值占国内生产总值的比重保持在6.65%左右，总产值约95206亿元，在整个国民经济中占据相当的比重。混凝土结构被普遍认为是一种抗压及抗拉强度极好的建筑应用材料，从而在一定程度上忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，而全球温室效应日益显著，尤其是我国目前大气中CO2的平均浓度接近400ppm，这一浓度水平比工业革命前约增加了40%，预计到2100年将上升到650ppm［1］，由此将对混凝土碳化腐蚀产生明显的促进作用，当CO2进入混凝土结构内，与混凝土内碱性物质发生中性化反应，当超过钢筋混凝土的保护层时，就会使混凝土失去对钢筋的钝化保护，使钢筋脱钝锈蚀，体积膨胀，引起保护层开裂或脱落，且钢筋与混凝土之间粘接力破坏、钢筋受力截面减小、结构耐久性降低，后果将是结构垮塌等安全事故。因此，进行混凝土碳化的深度在线监测和分析具有重要意义。
二、防治混凝土碳化的措施
2.1根据建筑物本身设计使用环境的不同，应选择与之相适应的水泥品种和级别。在满足施工条件的前提下，应优先选择普通硅酸盐水泥。这是因为普通硅酸盐水泥成分中的熟料含量高，搀和量较低，碱度高于其他品种，所以其碳化速度相对较慢。其他品种的水泥，如矿渣硅酸盐漂水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的搀和料成分中含有的活性氧化硅与氢氧化钙反应，会降低混凝土的碱度，导致混凝土碳化速度的加快。
2.2配制混凝土时应选择材质密实，级配好的优质骨料，这样所形成的混凝土结构密实孔隙率小，增强了混凝土的耐久性。另外根据实验可知轻骨料的混凝土较其他混凝土碳化速度快，在拌制时需添加外加剂，如加气剂或引水剂等，以提高混凝土的密实性，进而减缓轻骨料混凝土的碳化速度。
2.3在防治混凝土碳化的措施中，适宜的温度、合理的养护、正确的方法都是影响混凝土碳化的因素。例如夏季施工时，应采用湿草袋等保水材料对混凝土进行覆盖保湿；冬季施工时，应采用保温材料对混凝土进行保温覆盖，避免养护不到位而引起的混凝土裂缝。
2.4根据不同的使用环境，混凝土的钢筋保护层可适当增加厚度，并且在混凝土外表面涂刷抗渗性和耐久性好的有机防渗材料，以阻滞二氧化碳等酸性气体的侵入。同时，对于重要的构件要定期检查，对于容易碰撞的部位要设置包角等防护措施。
三、影响混凝土结构耐久性的因素
影响混凝土结构耐久性的因素主要有内部和外部两个方面。内部因素主要有混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、强度等级和用量、外加剂用量等，外部条件则有环境温度、湿度、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀、二氧化碳含量等。耐久性问题往往是内部存在不完善、外部不利因素综合作用的结果。具有表现在以下几个方面：
3.1材料的质量
1）钢筋混凝土材料的耐久性，主要取决于混凝土材料的耐久性，混凝土的水灰比越大，混凝土中粗骨料和水泥浆之间界面的裂隙和孔隙也越大，因此，降低了材料的耐久性。
2）混凝土水泥用量过少和强度等级过低，使材料孔隙率增加，密实度差，也降低了材料的耐久性。
3.2钢筋的锈蚀
混凝土对钢筋具有保护作用。在一般情况下，钢筋混凝土结构中的钢筋不容易受到腐蚀，但当混凝土保护层失去保护作用后，混凝土中的钢筋也会像裸露的钢筋一样受到腐蚀。混凝土保护层本身对钢筋并没有保护作用。混凝土之所以对钢筋具有保护作用，是因为混凝土中含有碱性物质，pH值为12一13。在这样的碱性环境中，钢筋表面会形成一种钝化膜，它是一层不渗透的牢固吸附于钢筋表面上的氧化物（Fe203，?nH20）。钝化膜的存在，使钢筋表面不存在活性状态的铁，从而使钢筋免受腐蚀。当钢筋表面的钝化膜破坏时，在存在氧气和水分的情况下，钢筋就会被破坏［2］。因此，钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀，是由于保护钢筋的混凝土的碳化和氯离子渗入引起的腐蚀作用。
1）混凝土的碳化
混凝土的的碳化是指混凝土中的成分（主要是Ca（OH）2）与渗进混凝土中的二氧化碳（CO2）和其它酸性气体，如二氧化硫（SO2）、硫化氢（HS）等发生化学反应使混凝土碱性降低的现象。碱性降低的直接后果是使钢筋表面钝化膜失去稳定性。当混凝土中的pH值小于11.5一11.8时，钢筋表面的钝化膜就会失去稳定性或被破坏，混凝土就不能保护钢筋免受腐蚀。而当混凝士被碳化时，其pH值约为8―9，钢筋表面在混凝土孔隙中的水和氧共同作用下发生化学反应，生成新的氧化物Fe（OH）3，（即铁锈），这种氧化物生成后体积增大，使用周围混凝土产生拉应力直接引起混凝土的开裂。
2）氯离子引起锈蚀
由于混凝土中氯离子吸附于钢筋氧化膜表面，使氧化膜中的氧离子被氯离子替代生成金属氯化物，析出№，也会使钝化膜遭到破坏。同样，在氧和水的作用下，钢筋表面开始电化学腐蚀，所以，氯离子的存在对钢筋锈蚀影响很大。一般情况下，钢筋混凝土结构中的氯盐掺量不应大于水泥用量的1.0%，而且，掺氯盐的混凝土结构必须振捣密实，也不宜采用蒸汽养护。
3.3混凝土的碱集料反应
碱集料反应一般指混凝土微孔中的碱溶液和骨料中的活性硅发生反应，生面碱一硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱集料反应引起的混凝土开裂，在混凝土表面一般形成网状或地图状裂缝，并在裂缝处渗出白色凝胶物质，而且裂缝的宽度越宽，则深度越深，裂缝总长度也越长［3］。碱集料反应引起的混凝土结构破坏的发展速度和破坏程度，比其它耐久性破坏更快、更严重。当混凝土结构发生碱集料反应时，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，而且，碱集料反应一旦发生，就比较难以控制，还会加速结构的其它耐久性破坏进程［4］。
3.4冻融破坏
渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，将从内部损伤混凝土的微观结构。经过多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂而降低混凝土的强度。
3.5温度和湿度变化的影响
混凝土会热胀冷缩，同样也会在干燥失水时收缩而泡水浸润后膨胀，这种作用的交替进行，特别在骤然发生时，会因混凝土表层及内部体积变化不协调产生裂缝。这些因胀缩不均而引起的损伤日积月累，导致混凝土内部组织的破坏，最终会削弱结构抗力。
3.6侵蚀性介质的腐蚀
酸、碱、盐对混凝土都有程度不同的腐蚀性。酸性介质对混凝土的腐蚀是一种电化学腐蚀过程，由于酸同水泥中的硅酸三钙，以及游离氢氧化钙发生化学反应而生成溶性盐。因此，混凝土抵抗各种强酸腐蚀的能力很差。
结束语
本文通过对混凝土结构的碳化环境作用量化与耐久性简单分析，混凝土的碳化对于混凝土的耐久性有着巨大的影响，要想有效控制混凝土的碳化，作为工程技术人员，就要从工程设计、材料制作、具体施工等各个环节严加控制。应严格控制水灰比和选择合理的原材料，加强混凝土的日常养护，这样混凝土的碳化深度也就可以得到很好的控制。
参考文献
[1]徐善华.牛荻涛.钢筋混凝土结构碳化耐久性分析.2015.3
[2]黄涛．荷载作用下混凝土碳化与氯盐侵蚀相互影响试验研究.2013.4
[3]张海燕．混凝土碳化试验研究.2006.8
[4]陈立亭．混凝土碳化模型及其参数研究.2007.6