CO2养护对水泥基材料中钢筋钝化膜性能的影响

为何更环保的混凝土保护至关重要

现代城市依赖钢筋混凝土，埋在内部的钢筋承担着大量荷载。随着时间推移，这些钢筋可能发生锈蚀，威胁桥梁、建筑和海堤的安全。与此同时，水泥行业是二氧化碳（CO2）的主要排放源之一。本研究探讨了一种称为CO2养护的技术，这种技术可能同时在两个方面带来好处：它将CO2固定到新拌混凝土中，并且如本文所示，还能提升钢筋的抗腐蚀保护性能。

“吸入”CO2以制造更坚固的混凝土

与让新混凝土仅在湿气或蒸汽中硬化不同，CO2养护在早期让其暴露于高浓度二氧化碳中。气体与水泥基浆体反应生成碳酸盐矿物，这些固相填充并致密化靠近表面的孔隙。该反应既将CO2固存于材料中，又形成了更致密的外层壳。因为大多数混凝土结构都配有钢筋，作者将重点放在这种改变的环境对钢筋表面自然形成的那层薄薄保护层——称为钝化膜——的影响上，该钝化膜在高碱性的混凝土中形成并阻止钢筋生锈。

观察钢筋由活性转为失去保护的过程

研究团队浇筑了含有钢筋的小型砂浆圆柱体，并将其中一半采用CO2养护，另一半采用标准的湿养护条件。随后他们用若干电化学技术追踪钢筋从活性、无保护状态向钝化、受保护状态的转变，这些方法能感测钢筋表面的微小电流。测量结果显示，在普通砂浆中钢筋约需三周才能达到稳定的钝化状态，而在CO2养护的砂浆中大约只需一半时间。作者将这一加速归因于CO2作用并致密化外层砂浆时产生的暂时性更高的氧浓度，该过程将溶解氧向内推动，从而促进保护膜更快形成。

更薄但更坚韧的保护层

乍一看，CO2养护样本中的钝化膜似乎更差：它略薄——约4.06纳米，而标准养护为4.73纳米。但相同的测试显示，它对电荷转移的阻抗更强，意味着腐蚀反应更难进行。对钢筋表面的显微观察揭示了原因：在CO2养护的砂浆中，钝化膜更均匀且有更精细的序列，形成连续的垂直晶粒结构，阻断了氯离子和氧气的通道。利用X射线光电子能谱的化学分析进一步表明，该膜中二价铁（Fe2+）相对于三价铁（Fe3+）的比例更高。这种成分平衡似乎使膜更致密，并赋予其更强的自愈小缺陷的能力，从而解释了薄而保护更好的这一看似矛盾的组合。

显著延缓盐害发生

真实结构常暴露于海水或融雪剂等盐分，这些盐会逐步破坏钝化膜。为模拟这种情况，研究人员让样本反复经历盐溶液浸泡与干燥周期。在标准养护的砂浆中，钢筋在18次此类循环后失去保护状态，腐蚀电流显著上升。相比之下，CO2养护砂浆中的钢筋直到约30次循环才开始失去钝化状态，意味着严重腐蚀的出现被延迟了约三分之二。这一改进来自双重益处：碳化的外层砂浆减缓了氯离子的到达，且精化的钝化膜本身在侵蚀下更稳定、缺陷更少。

对未来结构的意义

综合来看，研究结果表明CO2养护不仅能把温室气体固存到混凝土中，还会重塑保护埋置钢筋的显微级屏障。通过加速形成更致密、化学上更有韧性的钝化膜，并将其与更紧密的表层孔结构相结合，CO2养护混凝土能随着时间更好地抵抗盐诱导的腐蚀。对工程师而言，将预制构件的传统蒸汽养护改为CO2养护，可能延长桥梁、海洋结构和其他关键基础设施的服役寿命，同时实现CO2利用——在耐久性与气候影响之间提供了难得的双赢。

引用: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

关键词: CO2养护, 钢筋混凝土, 钢筋腐蚀, 钝化膜, 氯离子侵蚀