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土木工程材料·耐久性

混凝土碳化深度预测模拟器

大气中的CO₂通过混凝土侵入并降低pH值的"碳化"现象，使用Fick扩散律预测。通过调节水泥种类、W/C、相对湿度、CO₂浓度、保护层厚，即刻检验钢筋腐蚀开始年和100年寿命所需的推荐保护层厚。

参数设置
水泥种类
自动设置相对基准值的碳化速度修正系数
水灰比 W/C
最重要因素，影响孔隙率和CO₂扩散性
经过年数
年
环境相对湿度 RH
%
50-70%时碳化最快，低湿度或饱和水时减缓
CO₂浓度
ppm
大气为420，室内/地下/工业环境增加
保护层厚
mm
钢筋表面到混凝土表面的距离
暴露区分
屋内(干燥)碳化最快，飞溅区受水影响较慢
计算结果
—
碳化速度常数 k (mm/√年)
—
当前碳化深度 d (mm)
—
钢筋到达年 (年)
—
强度下降 (%)
—
100年寿命推荐保护层 (mm)
—
腐蚀状态
—
混凝土截面和碳化前线 — 时间动画

蓝色为碱性健全部分，灰色为pH下降的碳化区域。红线为钢筋位置，白点表示CO₂扩散。

碳化深度 vs 经过年数
水泥种类碳化速度对比
理论·主要公式

$$d = k\sqrt{t},\quad k = k_0 \cdot f_{cement} \cdot f_{W/C} \cdot f_{RH} \cdot f_{CO_2} \cdot f_{exposure}$$

d=碳化深度(mm)，t=年数，k=碳化速度常数(mm/√年)，k₀=3.0（基准条件）。各修正系数表示材料与环境的加速或减缓效应。

$$f_{W/C}=\left(\frac{W/C}{0.5}\right)^{2.5},\quad f_{RH}=4\cdot\frac{RH}{100}\left(1-\frac{RH}{100}\right)$$

W/C以0.5为基准有2.5次方的强依赖关系。湿度函数在RH=50%时达到最大值1.0的钟形曲线。

$$t_{rebar}=\left(\frac{cover}{k}\right)^{2},\quad cover_{100y}=k\sqrt{100}$$

钢筋到达年和100年寿命推荐保护层厚，寿命设计的最重要公式。

混凝土碳化深度预测 — 钢筋腐蚀耐久性设计

🙋
混凝土的"碳化"到底发生了什么？听说大气中的CO₂有害，具体怎么影响的？
🎓
简单说，空气中的二氧化碳通过混凝土孔隙深入内部，与其中的氢氧化钙Ca(OH)₂反应生成碳酸钙CaCO₃。这个过程使混凝土的pH从12.5降到约8。pH高时，钢筋表面形成一层极薄的"钝化膜"氧化层保护钢筋。碳化前线到达钢筋时，这层膜破裂，钢筋迅速锈蚀。
🙋
所以保护层(cover)很关键。那CO₂进入混凝土的速度由什么决定呢？
🎓
最大的控制因素是水灰比W/C。W/C越大，混凝土越疏松，CO₂越容易通过。本工具以W/C=0.5为基准，采用2.5次方的依赖关系，所以W/C从0.40到0.60，k会增加约2倍。其次是相对湿度。令人惊讶的是50-70%的湿度最有利于碳化(反应需要水)，太干或太湿都会减速。所以半干燥的屋内环境比水中结构碳化更快。
🙋
听说选用高炉矿渣水泥碳化会加快。明明环保效益好为什么反而不利？
🎓
这是耐久性设计的两难之处。高炉矿渣和粉煤灰在长期强度、阻氯性、水化热上优势明显，但它们通过潜在水硬性反应消耗Ca(OH)₂，减少了中和碳化的碱储备。相对CO₂传播速度，可中和物质少了，所以碳化速度看起来快。本工具对高炉B设1.5倍、高炉C设2.0倍修正。在盐害为主(如桥墩)的地方用矿渣系没问题，但屋内停车场这样以碳化为主的环境，普通水泥或硅灰更优。
🙋
"100年寿命推荐保护层"算出来的值是直接用于设计的吗？
🎓
那只是"计算最小值"。它是k·√100 = 10·k，在平均材料和环境条件下，100年后碳化前线刚好不到达钢筋。实际设计中需要加入施工误差(钢筋偏位、模板膨胀)和气象变化，再加10-20mm。所以标准条件k=2.80、推荐值28mm的话，实设计值通常采40-50mm，这是日本桥梁和隧道业的惯例。
🙋
对既有结构"还能用多少年"的判断，这个模拟器怎么用？
🎓
实务中先用酚酞试剂在现场测实际碳化深度。红紫=健全，无色=已碳化。从实测d和结构年龄t反推该结构的实效k = d/√t。用这个值代入模拟器，就能预测离钢筋还有多远、什么时候到达。现场实测的k比理论计算可信度高得多，专业诊断必须配合核样测试。

常见问答

使用Fick第一扩散律的解：d = k·√t，其中d为碳化深度(mm)，t为经过年数，k为碳化速度常数(mm/√年)。k通过基准值3.0乘以水泥种类、W/C、相对湿度、CO₂浓度、暴露区分的修正系数得出。例如普通波特兰水泥、W/C=0.5、RH=65%、CO₂=420ppm、屋外遮蔽的标准条件下，k≈2.80 mm/√年，50年后碳化深度约19.8mm。
高炉矿渣通过潜在水硬性反应消耗水泥中的Ca(OH)₂，减少了中和碳化反应的碱成分。因此，相对于CO₂在空隙中传播的速度，可中和的物质减少，导致明显的碳化速度加快。本工具对高炉B(40-70%混合)设置1.5倍修正，高炉C(70%以上)设置2.0倍修正。硅灰则由于致密化效果强，碳化速度反而降低至0.7倍。
碳化深度达到保护层厚度的瞬间是钢筋腐蚀开始的理论时点。混凝土的碱性(pH 12.5)在钢筋表面形成的钝化膜，当pH降至9以下时被破坏，腐蚀开始。本工具中的'钢筋到达年 = (保护层/k)²'基于此标准计算。实际上由于裂缝、氧气和水分供应的影响，进度会有变动，设计中通常将到达年加上10年的裂缝进展期作为使用寿命。
针对目标寿命T年，设定条件为碳化前线在该期间不超过保护层：cover ≥ k·√T。本工具显示'100年寿命推荐保护层 = k·√100 = 10·k'。例如标准条件下k=2.80，推荐保护层为28mm。在实际设计中，考虑施工误差和局部气象条件的变化，设计值通常在计算值基础上增加10-15mm，采用40-50mm左右，这是日本土木结构的常规做法。

实际应用

桥梁与高速公路高架桥：100年设计寿命的土木结构典范，海岸附近须兼顾盐害，内陆以碳化为主要敌手。用本工具计算碳化速度常数，按桥墩下部、梁端、板底等部位差异化设置保护层40-70mm，这是常例。

核设施与地下结构：需要50-100年长期耐久性，钢筋腐蚀导致的剥落会致命。采用粉煤灰、硅灰配合低W/C混凝土(W/C=0.35-0.40)，刻意降低碳化速度。配合设计前用本工具计算，选定满足目标寿命的材料组成。

既有结构维护诊断：築30-50年的桥梁、隧道用酚酞试验测实碳化深度，反推该结构的实效k，代入本工具预测残余寿命。若钢筋到达年<10年需急速补救(表面涂料、电化学防护)或制定拆除计划。

室内停车场与地下仓库：CO₂浓度常为室外大气的2-5倍(800-2000 ppm)，温湿度条件也有利碳化，速度可能比室外高数倍。本工具设CO₂为1500 ppm可评估地下车库天花板剥落风险，验证通风设计合理性。

常见误区与注意

最大误区是忽视裂缝处的碳化加速。本工具的d = k·√t是健全混凝土一维扩散模型，裂缝(尤其宽度>0.2mm)会导致CO₂沿裂缝直达深部，局部碳化速度可达计算值的3-10倍。钢筋实际腐蚀多从裂缝开始，向两侧扩展。干缩、温度变形、荷载引起的裂缝管理同样重要。

其次勿将碳化深度与腐蚀速度混淆。碳化前线到达钢筋时腐蚀开始，但之后腐蚀速度由其他因子(氧气、水分、氯化物、温度)决定。海岸地区碳化虽慢但盐害先至，地下构筑物碳化已到但缺氧腐蚀缓慢。工具的"钢筋到达年"仅为腐蚀开始时点，非破坏时点，实际寿命还要加5-30年腐蚀进展期。

最后现场实测为准则。k值随材料、养护、气象、施工质量波动±30%。新建时促进碳化试验，运用10-20年后酚酞取样验证，用该结构的真实k值更新维护计划，才是科学的全寿命管理。本工具适用初期设计和敏感性分析，诊断和延命决策必须优先现测数据。

使用指南

  1. 输入水灰比(W/C)。一般RC结构在40～65%范围内，W/C=50%时碳化速度常数约2.5 mm/√年。
  2. 设置混凝土年龄(年数)、相对湿度(%)、周边CO₂浓度(ppm)。相对湿度60%是碳化进展最快的条件。
  3. 模拟运行后，确认当前碳化深度d、钢筋到达预测年、100年耐久设计推荐保护层，作为补修对策的判断依据。

具体计算示例

築30年的RC建筑物W/C=55%、相对湿度58%、CO₂浓度400ppm时：碳化速度常数k≈2.8 mm/√年，现在碳化深度d=√(2.8×30)≈15.4 mm。设计保护层40 mm则钢筋腐蚀开始还有约32年余量。但若W/C=65%、条件相同，则k≈4.2 mm/√年，碳化深度23 mm，腐蚀开始仅剩约11年，需早期补修。

工程应用注意事项