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一、引言

近幾十年來，鋼筋混凝土已成為各類工程的首選體系，其服役壽命卻日益受到耐久性拷問，其中“能否抵御碳化”尤為關鍵。碳化深度即使相同，不同配合比、不同環(huán)境的混凝土表現(xiàn)出的剩余壽命也會天差地別。早期設計與施工往往忽視碳化，結果大批建筑提前老化；而全球 CO? 濃度持續(xù)攀升，更把這一問題推向前臺。碳化前鋒一旦抵達鋼筋，鈍化膜失穩(wěn)→銹蝕→膨脹→開裂→剝落，最終結構性能斷崖式下跌。美國 1975 年腐蝕損失 700 億美元中，鋼筋銹蝕占了四成；我國“七五”期間，維修資金已占基建總投資的 54%。可見，碳化-銹蝕鏈式反應是鋼筋混凝土提前退役的主因之一，系統(tǒng)研究刻不容緩。

二、碳化破壞機理

（一）碳化進程

1. 反應方程

水泥石中的水化產(chǎn)物（主要為 Ca(OH)?、C-S-H 等）與擴散進入的 CO? 反應：

CO? + H?O → H?CO?

Ca(OH)? + H?CO? → CaCO? + 2H?O

C-S-H + H?CO? → CaCO? + SiO?·nH?O

上述多相反應發(fā)生在固-液-氣三相界面，是一個持續(xù)進行的物理化學耦合過程。

2. 離子遷移路徑

孔溶液中 Na?、K? 濃度高，Ca2? 濃度低。CO? 溶于孔液生成 H? 與 CO?2?，H? 與固相 Ca(OH)? 釋放的 OH? 中和，CO?2? 與少量 Ca2? 迅速沉淀為 CaCO?。

（二）鋼筋銹蝕機制

鋼筋在高堿環(huán)境中（pH≈12.5~13）形成 γ-Fe?O?/Fe?O? 復合鈍化膜。碳化前鋒到達后，孔液 pH 降至 9 以下，鈍化膜失穩(wěn)，鋼筋進入活化腐蝕階段。腐蝕產(chǎn)物體積膨脹 2~6 倍，導致混凝土順筋開裂、剝落。除 CO? 外，Cl?、SO? 等也會破壞鈍化膜，且破壞更劇烈，故需綜合評估多因素耦合效應。

三、碳化速度的影響因子

碳化是 CO?“擴散-溶解-反應”三部曲，速度受材料、環(huán)境、荷載等多因子耦合控制。

（一）材料自身因素

1. 水泥用量

水泥量越大，可碳化物質(zhì)越多，同時漿體更密實，碳化發(fā)展越慢。

2. 水泥品種

活性高、堿儲備大的早強水泥抗碳化最優(yōu)，普通硅酸鹽水泥次之，礦渣水泥再次。

3. 水灰比

水灰比降低 → 密實度提升 → CO? 擴散阻力增大 → 碳化速率減?。环粗嗳?。

4. 強度等級

強度綜合反映水灰比、骨料品質(zhì)、施工養(yǎng)護水平，強度越高，抗碳化越強。

5. 骨料

連續(xù)級配、表面潔凈的粗骨料可降低孔隙率；輕骨料混凝土因孔隙率高，碳化更快。

6. 施工與養(yǎng)護

振搗不密實、早期失水養(yǎng)護不足，會顯著增大表層滲透系數(shù)，加速碳化。蒸汽養(yǎng)護若控制不當，也會使后期碳化速度提高約 1.5 倍。

（二）外部環(huán)境因素

1. 溫度

升溫加速 CO? 擴散與化學反應，直射陽光更使表面溫度驟升，碳化顯著加快。

2. 相對濕度

50%~70% RH 時孔液既不過干也不過飽，碳化最快；過干 CO? 無法溶解，過濕產(chǎn)物水難以逸出。

3. CO? 濃度

基于 Fick 第一定律，碳化深度與 √CO? 濃度成正比，工業(yè)廠房、隧道等 CO? 富集區(qū)需重點設防。

4. 氯離子

Cl? 與 Ca(OH)? 生成 CaCl?，吸濕性強，可快速瓦解鈍化膜，形成“點蝕”，與碳化協(xié)同加劇銹蝕。

（三）其他因素

1. 應力狀態(tài)

壓應力閉合微裂縫，減慢碳化；拉應力擴展裂縫，加速碳化；過高壓應力也可能誘發(fā)微裂縫。

2. 裂縫

裂縫成為 CO?、Cl? 等入侵的高速通道，裂縫處碳化深度可達無裂縫區(qū)的 2~3 倍。

3. 施工缺陷

蜂窩、麻面、冷縫等均會顯著提高滲透系數(shù)，是碳化-銹蝕的“溫床”。

4. 養(yǎng)護制度

養(yǎng)護期越長，水泥水化越充分，微觀結構越密實，碳化系數(shù)隨齡期增加而降低。

四、碳化防控技術體系

（一）材料與配合比

按環(huán)境等級選用早強或抗硫酸鹽水泥；

采用連續(xù)級配、潔凈骨料；

低水灰比、高膠材體系，摻減水劑、礦物摻合料（粉煤灰、硅灰）提高密實度。

（二）施工與養(yǎng)護

避開極端天氣施工，分層澆筑、均勻振搗；

拆模強度≥設計強度 50%，且與內(nèi)外溫差＜20 ℃；

初凝后立即覆蓋保濕，養(yǎng)護期≥7 d（大體積混凝土 14 d）。

（三）表面防護

環(huán)氧厚漿、呋喃改性環(huán)氧、丙烯酸等封閉涂層；

水下變形縫采用 SBS 改性瀝青灌縫，水上部分用 SR 嵌縫膏封閉；

必要時增設≥50 mm 保護層或陰極保護系統(tǒng)。

五、結論與展望

碳化是鋼筋混凝土結構最常見的耐久性病害之一。通過“材料-結構-環(huán)境-荷載”多維度控制：

材料：低水膠比、高活性摻合料、抗蝕骨料；

施工：全過程質(zhì)量監(jiān)控、精細化養(yǎng)護；

防護：表面封閉、陰極保護、增厚保護層；

可顯著延緩碳化前鋒推進，實現(xiàn)“設計使用年限內(nèi)免大修”的目標。未來應進一步開展碳化-氯離子-荷載-凍融多因素耦合模型研究，并建立快速現(xiàn)場檢測與長期監(jiān)測的智能化平臺，為既有建筑延壽及新建工程全壽命設計提供科學依據(jù)。

【標準規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規(guī)范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規(guī)程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

《預拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團標

【會議培訓】

2025全國混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術交流大會

第十屆全國建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會暨中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預拌（商品）混凝土應用技術和工藝技能線上培訓

混凝土（砂漿）試驗檢測方法實操教學線上培訓

【咨詢服務】

科技成果評價

預拌混凝土質(zhì)量追溯研究

高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢

課題研究

研發(fā)中心建設

產(chǎn)品檢測

綠色建材產(chǎn)品認證

[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等

【建材“雙碳”業(yè)務】

低碳膠凝材料研發(fā)與制備

復合摻合料和再生復合摻合料研發(fā)與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應用技術

建筑垃圾再生輕粗骨料技術

碳化再生骨料制備技術

【期刊著作】

《新技術在混凝土中的應用》圖書

《常見預拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預拌混凝土企業(yè)標準化試驗室建設指南》圖書

混凝土技術發(fā)展中心（以下簡稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術情報研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài)，為全國混凝土行業(yè)開展技術服務工作，包括出版技術期刊、研究制定標準、開展技術咨詢、舉辦技術會議、承擔行業(yè)培訓、從事認證評價和開發(fā)研究等，中心是建材情報所主要業(yè)務部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機構包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來工程技術研究院（會員制技術和管理服務）。

中心每年參與多個混凝土技術咨詢和技術服務項目，包括雄安新區(qū)混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術咨詢、固廢基膠凝材料和再生復合摻合料研發(fā)和制備技術，以及數(shù)十個混凝土企業(yè)的技術服務工作。開展預拌混凝土綠色產(chǎn)品認證和科技成果評價工作。

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