建筑工程事故分析与处理读书报告.docx

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建筑工程事故分析与处理读书报告

建筑工程事故分析与处理读书报告

——混凝土结构碳化研究

摘要

混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一，本文通过对混凝土碳化的机理的分析，从影响混凝土碳化的因素、碳化对混凝土的影响、混凝土碳化深度的测试方法、混凝土碳化深度的预测模型等方面着手进行研究，并提出了防止混凝土碳化或放慢碳化速度的相关措施，以提高混凝土耐久性。

关键词

混凝土，碳化机理，影响因素，测试方法，预测模型，预防措施

正文

1.碳化机理分析

空气、土壤或地下水中酸性物质，如CO2、HCl、SO2、Cl2深入混凝土表面，与水泥石中的碱性物质发生反应的过程称为混凝土的中性化。

空气中混凝土的碳化是混凝土中性化最常见的形式，它是水泥石中的水化产物与空气中CO2发生分解反应，使混凝土成分、结构和性能发生变化，使用功能下降的一种很复杂的物理化学过程。

1.1碳化反应

在充分水化的水泥石中，水化硅酸钙约占70％，氢氧化钙约占20％，钙矾石和单硫型水化铝酸钙约占7％。

混凝土中可碳化成分主要是Ca（OH）2，此外还有水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）以及在有水状态下未水化的硅酸三钙（3CaO·SiO2）和硅酸二钙（2CaO·SiO2）。

有资料显示，硬化水泥石中的Ca（OH）2和C-S-H分别与CO2反应的自由焓最小，因此最易碳化，其碳化反应式为：

混凝土碳化速度主要取决于以下3个方面：

①化学反应本身的速度；②CO2向混凝土内扩散的速度；③混凝土孔隙中可碳化物质，主要是Ca（OH）2的扩散速度。

1.2碳化过程

混凝土是一个多孔体，内部存在许多大小不一的毛细孔、孔隙、气泡，甚至缺陷，形成的水泥石结构是一个含固相、液相和气相的非均匀质体。

空气中的CO2通过这些固有缺陷渗透到混凝土的孔隙和毛细管中，溶解于孔隙液相中形成H2CO3后发生碳化反应，由此可以看出，混凝土的碳化是在固相、液相和气相中进行的一个复杂的多相物理化学连续过程。

反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为Ca2+和OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进来的CO2反应，一直到孔溶液中的pH值降为8.5～9.0时，这层毛细孔才不再进行这种中和反应，即所谓“已碳化”。

碳化是一个由表及里、缓慢向混凝土内部扩散的过程，在混凝土完全碳化区之后形成部分碳化区和未碳化区。

从理论上讲，未碳化混凝土的pH值约为12.5，完全碳化的混凝土的pH值为7，因此以pH值来划分不同的碳化区域。

pH≥12.5的区段为未碳化区，pH=7的区段为完全碳化区，而7＜pH＜12.5的过渡区段则为部分碳化区。

2.影响混凝土碳化的因素

2.1外部因素

2.1.1环境温度

对于一般化学反应，温度每升高10℃，反应速度约增加2~3倍。

温度升高将导致CO2扩散速度，离子运动速度提高。

如新加坡地区常年气温偏高（日平均气温27℃），而欧洲地区的日平均气温仅为8~9℃，相同时间，相似的混凝土建筑物在新加坡的碳化深度要比欧洲地区明显加大。

实验证明：

环境温度对混凝土碳化速度的影响高于环境相对湿度。

环境相对湿度不变，随着环境温度的升高，混凝土碳化速度明显增大，比如，对应70％的相对湿度，环境温度从10℃提高到50℃，混凝土的碳化速度提高了近3倍。

在工程中也发现了由于温度过高而造成碳化速度明显加快的实例，如某企业食堂，1999年5月竣工，2000年5月发现该食堂厨房间两道梁（未做水泥砂浆抹面）底部出现沿梁长方向的裂缝，局部有混凝土脱落现象。

该工程为两层框架结构，现场搅拌混凝土施工，检测中发现该裂缝梁的混凝土表面测试强度较低，设计要求保护层厚为35mm，实测保护层厚度为20mm左右，已完全碳化。

分析原因，该梁处于高湿高温的环境中，再加上其保护层厚度不满足设计要求，致使CO2和水蒸气很容易穿过不密实的混凝土表面到达钢筋，钢筋表面锈蚀产生膨胀，形成向外张力，拱裂混凝土保护层。

2.1.2环境相对湿度

CO2只有溶于水后形成H2CO3方能和Ca（OH）2发生反应，但由于混凝土碳化本身即是一个释放水的过程，环境湿度过大造成CO2扩散速度变慢会抑制碳化。

在对沿海地区的房屋进行调查后发现，在房屋上部碳化深度明显比下部大，主要原因为下部相对湿度较上部大。

湿度过小时，混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态，虽然CO2气体的扩散速度较快，但由于碳化反应所需水分不足，故碳化速度较慢，这就是为何我国内陆地区较沿海地区碳化明显的原因：

文献认为相对湿度在55％时碳化速度最快；我国规范规定加速碳化试验的相对湿度是70％。

虽然对于混凝土碳化速度较快的相对湿度范围看法不尽相同，但集中在50％~70％之间。

2.1.3CO2浓度

CO2是引起碳化的最直接原因，对于CO2的影响，学者们提出了多达几十种观点，其理论模式大多基于Fick第一扩散定律，即

其中，x为碳化深度；D为CO2渗透系数；q为空气中CO2浓度；a为单位体积混凝土吸收CO2能力的系数。

上式表明混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。

即

式中q1、q2分别为相对于碳化深度为x1、x2外界CO2气体的浓度

尽管这一公式考虑的影响因素较少，但是它抓住了碳化进程的主要特征，此后，不少学者又提出了许多公式，但是二者成正比这一点得到了实验验证。

需要强调的是，在自然界CO2浓度一般为0.03％，在室内一般为0.1％。

自然界中的碳化深度是最符合本身规律的，不过观测碳化深度的时间需要几年甚至几十年，现在普遍的做法是人工碳化，试验所采用的CO2浓度因国家而异。

瑞典用3％，澳大利亚用4％，日本用5％或10％，我国用20％，也有的甚至用50％。

人工气候中CO2的浓度远远大于自然环境下的浓度，其碳化的机理也就相应的存在着很大差异，碳化所经历的时间和碳化时混凝土所处的龄期差别也很大，两种方法形成的碳化过程的差别和相关性是人们普遍关心的。

张令茂等在长达10年的自然碳化试验的基础上，作了对应的人工碳化试验，证明两种方法下的混凝土碳化规律基本符合公式

，初步建立了人工碳化和自然碳化速率的相关式，说明混凝土在自然条件下的碳化是可预测的。

2.1.4荷载的影响

混凝土中微裂缝是CO2向混凝土扩散的快速通道，而荷载往往是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受荷载的形式和大小必然影响混凝土的碳化速率。

施加预应力能够控制混凝土裂缝的发展、消除或限制裂缝的宽度，从而延长结构的耐久性。

东南大学的涂永明等人通过试验证明：

拉、压应力分别加快和减缓了混凝土的碳化速率，且应力越大，碳化速率的改变越大；袁承彬采用受拉杆对试件加载的方法，研究了压应力和拉应力作用下混凝土的碳化特性，发现在压应力小于0.7fc范围内，应力的增大会降低混凝土的碳化速率。

但也有相反的研究，金祖权通过试验认为，施加荷载后混凝土的抗碳化能力显著劣化，荷载增加，混凝土受到的外力增大，加剧了混凝土内部原有微小裂隙尖端应力的集中，促使了微裂纹的扩展，混凝土内部裂纹增加，CO2的扩散系数提高，因此混凝土的碳化深度也随之增加。

文章还发现当荷载在0~25％变动时混凝土的碳化深度增值小于荷载率在25％～50％变动时碳化深度增值。

其原因在于：

当荷载率较小时，混凝土先密实后开裂，且裂隙较小，混凝土的碳化产物CaCO3等甚至可以填充部分裂隙，使混凝土致密度增加，碳化深度增加较小；当荷载较大时，混凝土的内部裂隙宽度大幅提高，其碳化产物不足以密实裂隙，且其膨胀应力还导致了裂隙尖端应力集中，裂缝宽度迅速增加，CO2扩散系数提高，从而使碳化速度大幅提高。

2.1.5风压的影响

风环境中CO2等酸性气体在混凝土中的运动是扩散和渗透同时进行的，扩散的驱动力是浓度梯度，所有暴露在空气中的混凝土表面均有扩散发生；渗透的驱动力是压力梯度，外界风压作用于混凝土表面引起气体在混凝土多孔介质中流动，引起的碳化深度可由达西定律进行计算。

风压加速空气中酸性气体在混凝土介质中的渗透，具体表现在一方面单位时间内流过流场微元体中的酸性气体质量通量增加。

另一方面酸性气体在外压力梯度作用下溶于孔隙水的速度和向介质内部的流动速度加快。

大气环境下混凝土结构耐久性通常都受到风的影响，集中体现在风压会加速混凝土的碳化，引起构件截面耐久性不等。

前苏联学者古谢耶夫对巴库地区混凝土高压输电塔碳化情况的调查资料表面，长期受强风影响的迎风面和背风面的碳化深度是其它各面的1.5~2.0倍；目前，风压对混凝土碳化影响的研究还处于探索阶段。

2.2内部因素

2.2.1水泥种类

水泥种类不同，碳化速度有明显的差异。

（1）在相同的水泥用量、水灰比条件下，水泥中CaO含量越高，硬化的水泥石中生成的Ca（OH）2量越多，混凝土的碱度降低的越慢，所以硅酸盐水泥混凝土的碳化速度慢于掺用活性混合料的水泥混凝土。

相同水灰比条件下混凝土碳化速度之比为普通水泥∶早强水泥∶矿渣水泥（30％矿渣）∶矿渣水泥（60％矿渣）∶粉煤灰水泥（20％粉煤灰）=1∶0.6∶1.4∶2.2∶1.9。

可见混合材料含量越多，碳化速度越快。

但是，如果在掺用混合材料的同时另掺入减水剂降低水灰比，情况又有不同。

减水剂是一种表面活性材料，加入混凝土中，对水泥颗粒其扩散作用，把水泥凝聚体中的游离的离子释放出来。

从而保持混凝土的工作性能不变而显著的减少水泥用量。

掺加优质的减水剂可以大大改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高抗渗性，制成密实的混凝土使碳化减慢。

（2）混凝土的碳化还与CO2气体的渗透性有关。

经过大量的实践证明：

在相同湿度情况下，火山灰水泥或粉煤灰水泥混凝土的渗透速度要比硅酸盐水泥混凝土的渗透速度大。

（3）混凝土的碳化与石灰的溶出速度密切相关。

石灰的溶出速度取决于水中是否存在影响Ca（OH）2溶解度的物质，如水中含有Na2SO4及少量Mg2+时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有Ca（HCO3）2或者Mg（HCO3）2，对抵抗溶出侵蚀十分有利。

2.2.2水灰比

混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残留在混凝土中，会提高混凝土内部毛细孔的含量，渗透性提高，因此，CO2气体在混凝土毛细孔中的扩散速度加快，从而将加快混凝土的碳化速度，使混凝土碳化区的碳化深度提高。

国内外学者进行了大量的快速碳化实验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化速度的关系。

颜承越通过长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关系，此关系大致呈线性关系；山东建科院在济南、青岛、佛山进行了室外长期暴露试验及快速试验，得到碳化速度系数与水灰比的关系，并根据济南地区暴露试验给出了碳化速度系数与水灰比的表达式

李果等的研究表明，水灰比分别为0.35，0.42，0.55，0.59，0.63，0.74的混凝土，在温度为20℃，相对湿度为70％的条件下，碳化240h，碳化深度分别是8.592mm，11.492mm，13.667mm，15.125mm，20.375mm，22.667mm。

可以看出随着水灰比增大，碳化深度明显增加，水灰比从0.35增大到0.74，其碳化速度提高了2.8倍。

这是因为混凝土凝固时，水占据的空间会变成微孔或毛细管孔，水灰比越大，混凝土中孔隙越多，越有利于CO2的扩散。

2.2.3水泥用量

目前，水泥用量对混凝土碳化速度的影响，学术界的观点比较统一，增加水泥用量不但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，直接影响混凝土吸收CO2的量，所以水泥用量越大，其碳化速度越慢。

蒋利学等人在水灰比均为0。

5，温度为20℃，相对湿度为75％，CO2浓度为20％的情况下对水泥用量分别为200kg／m3，300kg／m3，500kg／m3的混凝土进行了50d碳化，碳化深度分别是36.6mm，21mm，15.9mm。

2.2.4混凝土强度等级

目前建立的碳化模型大多数都是以水灰比作为反映混凝土品质的主要参数，由于混凝土水灰比与混凝土碳化的物理化学过程有密切联系，因此，碳化速度与混凝土水灰比的相关性很好。

其不足之处为：

（1）水灰比是决定混凝土性能的一个主要参数，但不能全面反映混凝土的质量；

（2）工程技术人员熟悉的是混凝土抗压强度，而在实际工程中，混凝土抗压强度容易测定，但是水灰比很难确切得到。

混凝土抗压强度是反映混凝土力学性能的合理指标，它综合反映了混凝土水灰比、水泥品种、骨料品种、水泥用量，施工质量及养护条件等对混凝土品质的影响，混凝土强度高，其密实性好，抗碳化能力强。

因此，以混凝土抗压强度为随机变量，建立碳化预测模型更具实际意义。

牛荻涛收集了国内外长期暴露试验与实际工程调查的碳化数据64组，将实测数据换算成同一标准环境，以抗压强度为主要参数，建立了便于应用的碳化计算模型。

随着混凝土强度的提高，混凝土的碳化深度显著的降低。

因为混凝土强度等级越高，混凝土则越密实，CO2的扩散速度则降低，从而使混凝土碳化速度随之降低，混凝土抗碳化能力得到提高。

2.2.5水泥含碱量

水泥含碱量越高，孔溶液pH值越高，碳化速度越快。

这是因为：

（1）含碱量越高，水泥石中的C-S-H结构越不均匀，毛细孔增多，水泥石中粗大的孔隙增多；

（2）含碱量越高，孔溶液中OH-离子浓度越大，碳化后沉积的碳酸钙溶解度减少，即孔溶液钙离子浓度减少，补充钙离子浓度的氢氧化钙晶体得以溶解，加速混凝土碳化。

即混凝土的含碱量越高，碳化速度越快。

2.2.5骨料种类

由于粗骨料的形成或生产条件不同，其内部孔隙结构差别很大。

普通粗骨料一般为水成岩，火成岩和变质岩经加工而成，其结构致密，吸水性小；天然轻骨料（如浮石、火山渣等）属喷出岩，其结构多孔，称海棉或蜂窝状，吸水率较大；人造轻骨料（如陶粒）孔隙率较大，但多为圆形封闭孔，吸水率较小。

总的来说天然砂，砾石，碎石比水泥浆的透气性小，但是轻骨料的透气性大，有利于CO2在混凝土中的扩散。

同等条件下，普通混凝土的碳化速度约为轻砂，天然轻骨料混凝土的0.56倍。

并且在水灰比相同时，使用粒径大的骨料比使用粒径小的骨料容易碳化。

这是由于大石子底部容易产生净浆的离析、沉淀，从而增加了渗透性。

2.2.6氯离子浓度

在钢筋混凝土结构的实际使用中，混凝土的碳化和氯离子的侵蚀是交织在一起的。

在含有氯离子的混凝土中，混凝土的碳化深度随氯离子含量增加而下降，游离氯离子与Ca（OH）2作用形成CaCl2，CaCl2具有高吸湿性，将使混凝土内部保持较高的湿度，阻碍碳化的进行，但是研究同时表明：

氯离子虽有阻碍混凝土碳化的作用，但在碳化和氯离子共同作用下会使钢筋遭受更为严重的腐蚀。

2.2.7施工质量

混凝土浇筑和养护质量是影响混凝土密实性的一个重要原因。

施工因素对混凝土的影响主要是指混凝土搅拌、振捣和养护条件的影响，施工因素主要是通过影响混凝土的密实性来影响混凝土碳化。

施工良好的混凝土比较密实，碳化速度小，而施工不良的混凝土由于振捣不密实，养护不善或养护时间不足，会造成混凝土内毛细孔粗大，且混凝土蜂窝麻面比较多，为大气中CO2，水，氧等气体的渗透提供了条件。

特别是构件的棱角部位和预应力构件的底部。

此外空洞，裂缝，施工缝等也会造成混凝土局部碳化严重。

一般来说施工缝下部混凝土碳化速度大于上部混凝土碳化速度，这是由于泌水作用施工缝下层混凝土表面水灰比较大，结构疏松所致。

2.2.8含泥量

混凝土中骨料体积约占混凝土体积的70％左右，骨料质量的好坏对混凝土性能具有十分重要的影响。

含泥量就是骨料众多性能指标中的一项，粘土、石粉等微物质是常见的泥分。

他们可能引起需水量增加、减弱混凝土性能或更容易被风化、阻碍水泥与骨料胶结的充分发展、妨碍水泥的正常水化或与水泥中成分进行化学反应。

大多数骨料中含有一种或几种杂质，其中以粘土和石粉最为常见。

它们在混凝土中以种种不同的形式起作用。

对混凝土的强度、收缩、徐变、抗渗、抗冻、耐磨等性能往往都会产生不利的影响。

2.2.9外掺加剂

混凝土中掺加减水剂，能直接减少用水量，而引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡，切断毛细管的通路，两者均可以使CO2有效扩散系数显著减小，从而大大降低混凝土的碳化速度。

2.2.10覆盖层

在工程结构中所用的覆盖层一般为可以碳化的砂浆、石膏等，另外还有不含碳化物质的覆盖层，如沥青、涂料、瓷砖等，同济大学的刘亚芹，张誉等通过实验分析了覆盖层对混凝土碳化的影响机理，从理论上推导出考虑覆盖层影响的碳化深度计算公式，并分析了覆盖层各参数对碳化延缓效果的影响。

HartYoungMoon等人通过实验证明了覆盖层不但能很好的起到延缓碳化的作用，而且对比有无覆盖层的混凝土发现有覆盖层的混凝土弹性模量也高于无覆盖层混凝土。

蒋利学等人在同等条件下分别对无覆盖层混凝土，10mm厚石狄砂浆覆盖层，16mm厚石灰砂浆覆盖层进行了50d碳化，碳化深度分别是17.5mmm，15.1mm，13.5mm。

3.碳化对混凝土的影响

混凝土碳化既会造成混凝土自身物质结构、力学性能的改变，同时也破坏钢筋表面碱性保护膜，导致钢筋锈蚀，从而降低整个结构或构件的耐久性。

3.1对钢筋锈蚀的影响

碳化对钢筋混凝土结构来说最大的危害是由于混凝土pH值的降低破坏钢筋表面的钝化膜使钢筋产生锈蚀。

混凝土的护筋机理是，混凝土由于水泥水化，产生了大量的Ca（OH）2等碱性水化产物，混凝土pH值高达12.5~13.5，钢筋表面形成200～1000µm厚的钝化膜，有效地保护了混凝土中的钢筋不被锈蚀。

随着碳化反应的进行，pH值逐渐降低，混凝土中的钢筋脱钝，产生锈蚀。

过去一直认为碳化要进行到混凝土中钢筋表面时，钢筋才脱钝产生锈蚀，因此常把CO2扩散到钢筋表面的时间作为预测钢筋混凝土结构寿命的一个重要手段。

英国著名学者Parrott最先通过试验验证了部分碳化区的存在，很好地解释了在碳化未到达钢筋表面之前钢筋已开始锈蚀的现象，为更好地认识钢筋锈蚀与混凝土碳化之间的关系提供了依据。

从碳化对钢筋锈蚀速度的影响来看，当pH＞11.5时钢筋处于钝化状态，不发生锈蚀，pH≤9时锈蚀速度不再受pH值的影响，只有当9＜pH＜11.5时锈蚀速度随pH值下降而增大。

由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展，同时生成的铁锈体积约为原先体积的2.5倍，产生的膨胀压力将使混凝土出现裂缝和引起剥落，促使混凝土保护层开裂，导致更大的腐蚀。

3.2对孔结构的影响

碳化时混凝土的孔径和总孔隙率均减少。

随着碳化时间的延长，碳化使混凝土的孔隙率降低，早期降低迅速，后期缓慢，且低强度的混凝土更为显著。

碳化反应造成了混凝土孔隙率下降，在一定程度上堵塞了部分毛细孔隙，抑制水分侵入，但另一方面使混凝土微观结构重分布，破坏了混凝土基体原先的过滤机制，使得有害物质更容易侵入到混凝土内部。

3.3对腐蚀因子迁移的影响

混凝土碳化使Friedel复盐和硫铝酸盐分解产生的Cl-和SO42-向未碳化区迁移产生浓缩，使得这两种离子在碳化区浓度显著降低，碳化前沿的浓度显著升高，同时混凝土中的Na+、K+等碱金属离子向Cl-和SO42-相反方向迁移和浓缩，致使碳化未到达钢筋表面时钢筋已经开始锈蚀。

3.4对收缩的影响

混凝土碳化时产生较大的收缩，其原因是在干缩产生的压应力下的Ca（OH）2晶体溶解和CaCO3在无压力处沉淀所致，此时加大了水泥石的可压缩性。

碳化收缩的诸多影响因素中湿度的影响最大。

3.5对强度的影响

碳化增加了混凝土的质量，使混凝土的强度增大，这是由于混凝土碳化时生成的CaCO3密实了混凝土结构。

也有资料表明，碳化对混凝土强度的影响必须分期考虑，碳化在一定程度上改善了混凝土中水泥石的孔结构，使其密实程度得到了一定的提高，其作用在早期超过了水泥的水化作用，致使标准碳化状态下混凝土的早期强度增长很快，但从长期的利益来看，碳化使混凝土产生了一定程度的收缩，造成后期强度发展变得缓慢；一般来说，加速碳化时混凝土始终处于良好的养护环境，而实际的混凝土常常处于干湿循环等恶劣环境中，因此加速碳化时强度有所增加，而实际混凝土结构的强度有所下降。

4.混凝土碳化深度的测试方法

4.1酚酞溶液喷洒方法

目的：

简便和迅速测定碳化深度。

概述：

劈裂面上喷洒1%酚酞溶液测定碳化深度。

特点：

通过测定pH值，间接反映碳化程度，简单方便。

存在问题：

劈裂时对构筑物有一定损伤，而且只能判断pH值小于8.6，不能确定混凝土中性化原因。

4.2钻孔法

目的：

对构筑物损伤较小，可以迅速测定碳化深度。

概述：

电钻钻孔时的粉末洒布于涂刷酚酞溶液的滤纸表面，测定滤纸呈粉红色时的削孔距离。

特点：

通过测定pH值，间接反映碳化程度，同时可以在施工现场进行。

钻孔孔径10mm就可以，对构筑物损伤小。

存在问题：

同喷洒法，不能准确判断混凝土中性化的原因。

4.3热分析法

目的：

评价水化物的碳化程度。

概述：

用热分析装置将样品从常温加热到1000℃时测定水化产物中的Ca（OH）2和CaCO3的含量。

特点：

直接反映水化矿物的碳化程度，可以评价未完全碳化区间碳化程度。

存在问题：

只能评价Ca（OH）2的碳化，不能评价C-S-H的碳化。

使用石灰岩类骨料或混合材料时，难以确定碳化生成CaCO3的含量。

4.4X射线物相分析法

目的：

测定碳化前后的矿物种类。

概述：

用试样对X射线进行衍射，得到发生衍射的晶面距和相对强度，与衍射图谱集卡片对照进行匹配检索，判断碳化前后矿物的结构和名称。

特点：

直接反映水化矿物的碳化程度，可评价未完全碳化区碳化程度。

存在问题：

定量精度差。

4.5电子探针显微分析法

目的：

测定微区碳化状态。

概述：

利用EPMA试验装置测定水化物中碳元素分布。

特点：

彩图表示碳元素的分布状态，可测定微区碳化状态。

存在问题：

适用于截面尺寸小于5cm的样品，试样表面浸渍树脂研磨时，测定的碳含量包括树脂中的碳元素，应予以考虑。

5.混凝土碳化深度的预测模型

近30多年来，混凝土碳化深度的预测模型一直是混凝土材料和结构界研究的热点问题，国内外的学者纷纷提出了各种碳化预测模型，多达数十种。

这些模型基本上可以归为三种类型：

基于扩散理论建立的理论模型；基于碳化试验建立的经验模型；基于碳化理论与试验结果的碳化模型。

5.1基于扩散理论的理论模型

该类模型都做了如下的基本假设：

CO2在混凝土的孔隙中的扩散遵守Fick第一定律

。

CO2从混凝土表面向混凝土内部扩散，其浓度呈线性降低。

忽略部分碳化区内混凝土的碳化影响，即假定存在一个碳化界面，界面两侧物质的浓度是常量。

5.1.1阿列克谢耶夫模型

前苏联的阿列克谢耶夫等人在深入分析碳化的多相物理化学过程后，认为控制混凝土碳化速率的是CO2在混凝土孔隙中的扩散过程。

根据Fick第一定律以及CO2在多孔介质中的扩散和吸收特点，得到如下的混凝土碳化理论数学模型

式中：

X为碳化深度，K为碳化速率系数，t为碳化时间，DCO2为CO2在混凝土中的扩散系数，CCO2为混凝土表面的CO2的浓度，MCO2为单位混凝土能吸收的CO2的量。

5.1.2Papadakis模型

希腊学者Papadakis等人在分析研究碳化的整个物理化学过程后，根据CO2及各可碳化物质（Papadakis认为Ca（OH）2、C-S-H、C2S和C3S都是可碳化物质）在碳化过程中的质量平衡条件，建立了偏微分方程组，经适当的简化，得到

式中：

CCa（OH）2，CC-S-H，CC3S，CC2S分别为Ca（OH）2，C-S-H，C2S，C3S的初始浓度。

5.2基于碳化试验建立的经验模型

5.2.1基于水灰比的经验模型

日本学者岸谷孝一基于碳化试验和自然暴露试验，提出了预测公式

ωc-1＞0.6时，

，

ωc-1≤0.6时，

，

式中：

ωc-1为水灰比，rc为水泥品种影响系数，ra为骨料品种影响系数，rs为混凝土掺加剂影响系数。

5.2.2基于水灰比和水泥用量的经验公式

由于基于水灰比的经验公式只考虑了水灰比的影响，而没有考虑可碳化物质含量的影响，一些学者提出了考虑水灰比和水泥用量的经验公式。

黄士元等提出了预测公式

ωc-1＞0.6时，