1.4　国内外研究现状

1.4.1　混凝土碳化程度评价方法

混凝土碳化的评价方法主要有以下几种。

1.酚酞指示剂法

利用酚酞指示剂测定混凝土的碳化深度是判定混凝土碳化深度最简便和常用的方法[15-19]。将酚酞溶液喷洒到混凝土劈裂面时未碳化区因碱性呈粉红色，碳化区呈中性不变色。混凝土表面到呈色界线的平均距离为碳化深度。

柳俊哲[20]针对不同配制方法酚酞指示剂的使用效果进行了实验，发现当加入10%～35%蒸馏水的酚酞乙醚溶液用来测定碳化深度时，较之未加蒸馏水的酚酞乙醚溶液界线更为清晰，混凝土碳化过程模拟如图1.2所示。

有实验表明[21，22]，在钢筋混凝土中，在碳化发展到接近钢筋表面时，钢筋开始锈蚀，同时，钢筋锈蚀速度随着碳化深度的加深而加快。蒋利学等人认为，混凝土碳化过程中部分碳化区的存在是钢筋锈蚀速度随碳化深度加深而增大的根本原因[22]。在碳化过程中，有一个pH值由外到内逐渐升高的阶段，即部分碳化区。其中，在9＜pH值＜11.5的区域，钢筋锈蚀的速度随pH值的下降而增大。

在某些情况下，由于碳化速度跟不上CO2的扩散速度，也会出现所谓的部分碳化现象，其成因与混凝土内部的相对湿度和孔隙结构密切相关。当湿度较高时，由于混凝土内部孔隙水相对较多，相比于碳化反应速度，二氧化碳扩散速度相对较慢，一进入孔隙即被迅速吸收并参与碳化反应，使部分碳化现象并不明显，而较低的相对湿度则会引起孔隙水的减少，此时碳化速度变慢，而与此同时CO2扩散速度反而加快，从而使一部分CO2未能被及时吸收参与碳化反应，而导致出现了较为明显的部分碳化现象。

季锡贤等人研究了一种基于流动度分析的水泥抗碳化性能表征和测试方法[28]，采用保持流动度相同的方式，测量不同砂浆试样的碳化深度，来比较不同水泥抗碳化性能的差异。

2.热分析

混凝土在加热的时候，其中的水化产物在不同温度范围内发生物理化学反应，造成混凝土质量的变化，并伴随吸热和放热现象。一般来说，失重是由于吸附水、层间水、结构水或者其他组分的分解引起的，而增重则是由于加热过程中的氧化和氧化物的还原所造成的。对于混凝土中的CaCO3和Ca（OH）2，在一定温度下发生如下热分解反应：

由以上反应可以看出，可以根据热重分析和差热分析曲线上对应的吸热（放热）峰分析得出Ca（OH）2和CaCO3量的对比，从而推断得出Ca（OH）2被碳化为CaCO3的程度[20]，硬化混凝土试样的典型TG-DTA-DTG分析结果如图1.3所示。

Parrott等人针对养护36年的混凝土取样进行热重分析[29]，以研究分别在室内和室外养护混凝土碳化前沿的陡度。结果表明，室内养护的混凝土从25mm起，开始检测出氢氧化钙的存在，碳化深度可达65mm，表明有40mm的部分碳化区，而室外养护混凝土的部分碳化区仅有10mm左右。

叶铭勋在化学热力学方面考察了混凝土的碳化过程，分别计算了硬化水泥浆体中液相和固相水化产物发生碳化反应的活性大小，并探讨了碳化反应所引起的固相体积变化[30]。在所有水化产物中，Ca（OH）2晶体发生碳化反应的活性最大，同时引起固相体积增加，而钙矾石和水化铝酸四钙使固相体积减小，同时水化硅酸钙发生碳化反应的活性较低且固相体积变化较小。

3.孔结构和孔溶液分析

混凝土碳化时，CO2溶解于孔溶液中生成（pH值较少时生成），并与氢氧化钙反应生成碳酸钙晶体沉积到孔壁。研究表明[31]，随着碳化反应的进行，孔溶液中钙离子浓度减少，氢氧化钙晶体溶解和补充Ca2+和OH-浓度，并保持孔溶液中pH值不变。当氢氧化钙晶体完全溶解失去对pH值的缓冲作用时孔溶液OH-浓度降低。碳化前的孔溶液主要阴离子是OH-，随着碳化作用的进行阴离子逐渐转化为离子（或离子），即碳化区和未碳化区之间产生（或）和OH-的浓度差。因此，由于浓度扩散作用（或HCO-3）由碳化区向未碳化区迁移，OH-从未碳化区向碳化区迁移。

Li等人针对砂浆和混凝土分别进行了自然碳化和加速碳化实验，研究了孔结构对CO2扩散的影响[32]。结果表明半径为32nm以上的孔对扩散系数影响很大。在CaCO3成核部位附近的孔壁上活性较大，孔附近的Ca2+离子向这些活性部位移动，造成CaCO3晶体长大。

Houst等人根据吸附等温曲线和压汞仪测定由水分和孔隙率引起的扩散系数变化，发现当水灰比从0.4升至0.8时，扩散系数增加了10倍以上，而相对湿度对扩散系数的影响很小，从而对其碳化性能造成影响[33]。

混凝土在碳化时，其孔径和总孔隙率均减少。柳俊哲[34]对砂浆试件湿养28天后在温度为20℃、相对湿度为60%的条件下在CO2浓度为10%的碳化箱中碳化16周，实验结果表明，发现砂浆碳化后碳化区孔隙总体积明显减少；同时未碳化区的总孔隙体积小于碳化前的总孔隙体积。这表明混凝土碳化在由表向里进行的同时，CO2通过连通毛细孔迅速达到混凝土内部，在孔隙周围发生碳化反应导致未碳化区的总孔隙率减少。他同时指出，经过碳化后混凝土的抗压强度有所提高，原因是由于混凝土碳化时生成的碳酸钙对混凝土结构起到了密实作用，从而提高了混凝土的强度。

4.显微硬度分析

混凝土经过碳化反应后，大颗粒结晶态的Ca（OH）2晶体向晶粒较小的方解石转变，填充水泥浆体内部的孔隙，从而使水泥浆体更为密实，显微硬度值更高。肖建庄[35]针对碳化的混凝土和未碳化的混凝土的强度进行了对比研究，发现经过碳化后，混凝土的强度有所增加，同时抗变形能力减弱，脆性更大。这从一个方面表明了利用显微硬度分析研究混凝土碳化的可行性。江志强等人的研究[36]同样表明碳化会使混凝土结构更加密实。

陈伟等人对粉煤灰混凝土界面过渡区的显微硬度进行了分析[37]，发现掺量为10%和20%的粉煤灰混凝土的界面过渡区较无掺混凝土得到了很好的改善。在一定范围内粉煤灰混凝土经碳化后其界面过渡区的宽度减小，显微硬度值增加（见图1.4）。但是如果掺量较高，由于粉煤灰的活性较熟料低，混凝土界面过渡区的密实程度有明显的下降。

连丽等人通过对界面过渡区的研究发现[38]，在靠近骨料表面处，硬度最小，向基体发展，硬度逐渐增加，呈梯度变化，到100μm以后则为常数。界面过渡区内存在从骨料表面到水泥浆本体，孔隙率由大到小、晶体粒子由多到少及结晶取向择优性逐渐变弱等梯度分布现象，其叠加则构成了界面薄弱区。同时由于骨料与水泥浆体弹性模量和热膨胀系数的差异，又使界面成为应力最为集中的区域，从而影响混凝土的强度和耐久性。

1.4.2　混凝土抗碳化能力的基本影响因素

影响碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性物质储备的大小，即混凝土的渗透性及其Ca（OH）2碱性物质含量的大小。其影响因素主要有以下几种：

1.环境相对湿度的影响

环境相对湿度是影响混凝土碳化速度的主要因素之一，相对湿度的变化直接影响混凝土孔隙水饱和度。当相对湿度较小时，支撑碳化反应的水分不足，延缓了混凝土碳化的速度。而当湿度过大时，由于混凝土含水率较高，同样会阻碍CO2在混凝土中的扩散，从而阻碍了混凝土的碳化反应。关于混凝土最快碳化速度的环境相对湿度范围说法不一[39]，一般认为应该在50%～70%之间。我国规范规定的混凝土加速碳化试验的环境相对湿度为70%。

2.环境温度的影响

在混凝土碳化反应的过程中，温度对碳化反应进行的速度有较大的影响。一方面，温度升高提高了CO2气体的扩散速度、离子运动速度和化学反应速度；另一方面，随着温度的升高，CO2气体溶解度的下降则会引起混凝土碳化速度的下降。同时，有学者认为[40]，温度变化对混凝土碳化速度的影响并不显著。

3.CO2浓度的影响

CO2浓度对混凝土碳化速度影响很大，一般认为，混凝土碳化速度与CO2浓度的平方根成正比，CO2浓度越高，碳化速度越快。也有学者认为，碳化深度与其平方根呈正比关系的情况只在CO2浓度低于一定程度下成立，而当CO2浓度超过这个值的时候，此正比关系将不再成立[41]。

4.水灰比和水泥用量

在混凝土的碳化反应中，CO2的扩散主要通过混凝土内部的孔隙进行，一般来说，水灰比越大，则混凝土内部的孔隙率随之增大，从而造成混凝土内部结构的不密实，加快混凝土的碳化速度。颜承越研究表明，水灰比和碳化深度之间大致呈线性的关系[42]，而根据另外一些研究表明，这两者之间的线性关系并不明显，而是近似呈指数函数的关系[66]。

另一方面，水泥用量直接影响混凝土可用于碳化的物质的数量，混凝土吸收CO2的量相当于水泥用量与混凝土水化程度的乘积。增加水泥用量一方面可提高混凝土的密实性，另一方面在增加混凝土碱性物质储备方面同样增强了其抗碳化能力。

5.水泥品种

水泥品种的差别即其包含的化学成分和水泥混合材料到的品种和掺量的差别，从而导致单位体积内混凝土可碳化物质数量的差异，使其碳化速度有很大差别。一般来说，对于同一熟料的水泥，混合材掺量越高，其活性混合材越易与水泥水化产物Ca（OH）2反应，加速其碳化速度[46]。

6.水泥含碱量

水泥含碱量的增加将引起孔溶液的pH值的升高，进而导致其碳化速度的加快[47]。这是因为一方面水泥含碱量的增加将导致水泥硬化石中的C—S—H结构不均匀，并增加其毛细孔数量；另一方面，含碱量越高，孔溶液中OH-浓度增大，碳化后沉积的CaCO3溶解度减少，即孔溶液中的Ca（OH）2晶体更易溶解，从而加快了混凝土碳化反应速度。研究表明，当混凝土中含有氯化钠时，碳化速度有较为明显的增加。而随着氯化钠含量的增加，砂浆孔溶液中OH-浓度增加，碳化速度加快[48，49]。

7.骨料品种及颗粒级配

一般来说，混凝土中的砂和碎石都不会促进混凝土的碳化，但由于大石子的底部容易产生水泥净浆的离析和沉淀，从而产生细小的裂缝，增加混凝土的渗透性[50]。同时有些硅骨料会与Ca（OH）2发生碱-骨料反应，加快碳化速度。因此，级配良好、大粒径颗粒少、性能稳定、不会发生碱-骨料反应的混凝土骨料对混凝土的抗碳化性能最有利。

骨料的品种和颗粒级配都对混凝土的密实度及其碳化速度有较大的影响。骨料并不促进混凝土碳化，当混凝土水灰比相同时，使用粒径大骨料的混凝土相比于使用粒径小骨料的更容易碳化。分析原因是由于在大石子底部更容易产生净浆的离析和沉淀，从而增加了混凝土的渗透性[51]。

8.矿物掺合料的影响

普遍认为，在混凝土中掺入粉煤灰、石灰石粉、矿渣和硅灰等矿物掺合料具有活性，可以与Ca（OH）2反应，减少胶凝组分中的Ca（OH）2含量，从而使混凝土抗碳化能力减弱[43-45]。

9.养护条件

混凝土早期的养护条件对其碳化过程存在较大的影响，养护条件的不同在很大程度上影响水泥的水化程度。一般认为，如果早期在温度适宜、水分充足的环境下凝固，混凝土中的水泥可得到充分的水化，在这种养护条件下生成的水泥石更加密实[52-55]，而与此同时，若早期养护不良，则会造成水泥水化不充分，造成其表层渗透性增大，加快了混凝土的碳化速度。

10.不同应力状态的影响

在不同应力状态下的混凝土碳化速度亦有所不同。在外部施加应力的情况下，混凝土内部的微细裂纹发展有所不同，在施加压应力的情况下，混凝土内部大量的微细裂纹可能会闭合或减小宽度，从而减缓CO2的渗透速度，使混凝土碳化速度变慢。而在压应力过大的情况下，混凝土将产生微细裂缝，加速了混凝土的碳化过程[56，57]。

在以上因素中，矿物掺合料、养护条件和应力状态属可控因素，其对混凝土抗碳化性能的影响需要得到进一步的研究。其中，粉煤灰是最重要的矿物掺合料之一，膨胀剂近些年来在工程中得到了广泛应用，这两者对于混凝土碳化进程的影响有着重要的研究意义。同时，在不同的养护方法下，不同的养护湿度和约束条件对混凝土碳化过程均存在一定的影响。

1.4.3　矿物掺合料和养护方法的影响

粉煤灰由于具有良好的形态效应，即具有较多的球形颗粒（见图1.5），可在水泥颗粒间起到一种“滚珠”作用；另一方面，由于粉煤灰较水泥具有较小的比重，可获得更多的胶凝材料浆体体积量，增加了混凝土拌合物的浆体体积及流动度，二次水化的特性使得混凝土的后期强度增加，所以被广泛地使用在混凝土工程中。

掺入粉煤灰的混凝土，粉煤灰中的活性SiO2能逐步与水泥石中的Ca（OH）2产生二次反应，即火山灰效应，生成低碱性水化硅酸钙。反应方程式为[58]：

同时，掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性，但会使混凝土的抗碳化性能降低[59，60]。由于粉煤灰可以与水泥水化生成的氢氧化钙和水发生水化反应，生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内，使混凝土密实度得到改善。

通过研究发现[61-63]，用粉煤灰部分取代混凝土中的水泥会使其抗碳化能力下降。粉煤灰取代量越大，抗碳化能力下降越明显。董文辰等人认为[58]，当含水量保持不变时，如果额外掺加粉煤灰，加大浆体体积，干缩程度会略有增加。

Atis通过观察不同粉煤灰掺量的粉煤灰混凝土的碳化过程得出[20]，掺加70%粉煤灰的混凝土比掺加50%粉煤灰的混凝土碳化要深。相比之下，50%掺量的混凝土比未掺粉煤灰的混凝土的碳化深度稍低或大致相同。

Thomas等人通过研究粉煤灰混凝土的渗透性[64]，发现粉煤灰混凝土的渗透性随着养护龄期和粉煤灰含量的增加而降低。混凝土在20℃，相对湿度为65%的环境下养护3天后，比1天后的气体渗透平均值降低3.7%，而在7天后，降低高达54%。

方璟等人通过研究掺粉煤灰对碳化的影响[65]，对粉煤灰以15%和30%的比例等量取代水泥的混凝土进行碳化试验，发现粉煤灰取代水泥越多，混凝土抗碳化能力下降程度越大。但在采用超量取代技术或纯外掺粉煤灰技术时，可以提高混凝土的密实度，并使其影响大于粉煤灰二次反应吸收Ca（OH）2减少混凝土碱储存的影响，从而使混凝土的抗碳化性能得到提高。

张德成等人研究了掺合料对硫铝酸盐水泥基混凝土碳化深度的影响[66]，发现在20%复掺下其碳化深度最低。一方面由于水泥中的石膏在水化反应过程中并没有完全反应而有富余，而富余的石膏可对矿渣和粉煤灰起到硫酸盐激发剂的作用。另一方面，β-C2S水化析出Ca（OH）2对矿渣和粉煤灰起到碱性激发剂的作用。而此时矿渣和粉煤灰中可化合的Al2O3可与液相中的Ca（OH）2和CaSO4迅速反应生成钙矾石，同时液相中多余的Ca（OH）2与矿渣和粉煤灰中可化合的SiO2形成C—S—H凝胶，提高了混凝土的强度和密实度，降低混凝土的空隙率，细化其孔结构，使封闭孔隙增多，从而降低了碳化速度。

Sulapha等人分别对掺加矿渣、粉煤灰和硅灰的混凝土进行了实验研究[43]，发现掺加粉煤灰的混凝土比起未掺的混凝土碳化更深。由于掺合料的加入引起的火山灰效应，混凝土中Ca（OH）2量减少，导致碳化速度加快，这在矿渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明显。而掺加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，这是由于硅灰对混凝土的孔结构有密实的作用，而这种作用比起Ca（OH）2含量的降低起到了主导的作用。他同时研究了混凝土抗压强度和碳化性能的关系，发现强度越低，混凝土碳化深度越高，并呈线性关系。

混凝土的碳化主要取决于以下因素：①水泥水化反应形成的新组分中存在着可碳化物质，主要是氢氧化钙和CSH；②空气中的CO2向混凝土内侵入；③已硬化的混凝土表面层所含孔隙中可碳化物质的扩散。如果要提高混凝土的抗碳化能力，只有阻滞大气环境中的CO2侵入，或者阻滞表层砂浆中Ca（OH）2等物质的扩散，两者都需要减少表面砂浆层的空隙。这与水灰比和养护制度有着很密切的关系。

一般认为[67]，水灰比越大，混凝土内部结构的孔隙越多，混凝土越不密实，CO2在其中就越易扩散，加快了碳化速度。刘蓝萍等人针对混凝土碳化深度随时间和水灰比变化的规律进行了研究，发现不管是否向混凝土中掺加粉煤灰，也不管使用何种水泥，只要水灰比降低，相对应的碳化深度就会降低。

施惠生等人对不同水灰比的粉煤灰混凝土进行了研究[68]，结果表明，粉煤灰对于混凝土的抗压强度、气渗性和碳化程度的影响与水灰比有着很大的关系。当低水灰比时，掺加30%粉煤灰的混凝土可以明显改善混凝土的强度，而对气渗性和抗碳化性能没有太大的影响。而当水灰比较高时，粉煤灰混凝土的强度、气渗性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

养护条件的不同直接影响水泥的水化程度，进而影响混凝土内部的毛细孔体积，从而影响混凝土的渗透性和碳化速度。一般认为[69]，蒸汽养护条件下的混凝土碳化速度较之自然养护要提高1.5倍左右。Thomas曾对在室外养护的混凝土和同一配比在20℃、65%RH养护的混凝土分别进行试验[64]，在室外养护的混凝土碳化深度平均下降40%。

蔡传国对不同施工条件下混凝土的碳化深度进行了研究[70]，发现在标准养护和薄膜加草袋养护条件下的表面砂浆层由于水化充分，加速碳化后，碳酸钙生成的结晶体发育完整，这将有效堵塞毛细孔，使砂浆层密度加大，延缓碳化速度；而在无覆盖养护条件下的表面砂浆层中，夹杂着未充分水化的硅酸三钙和硅酸二钙，加速碳化后形成的结晶体有很大一部分是水化硅酸钙水并释放出淡水，有可能发生进一步的碳化。对于混凝土中的大于50nm的毛细孔，大气压力下将产生毛细作用，内部的水离子团可以沿着毛细孔向外蒸发，空气中的CO2则在负压吸力下进入混凝土。而实验压汞数据表明，室内标准养护和现场薄膜保温保湿试件可以很好地降低50nm以下的毛细孔数量。

Chen针对水养不同时间的低热水泥的碳化进行了研究[71]。碳化深度实验表明，水养时间越短，混凝土的碳化越快。同时SEM观察、孔结构分析表明在水养过程中水泥石出现了大的气孔，水养时间越长，毛细孔越少。随着碳化时间的增长，标养下的试样与水养的试样相比，总孔体积降低得更加明显。

Lo和Lee等人使用酚酞指示剂法和红外光谱分析了养护制度对混凝土碳化的影响[52]，实验结果表明养护制度对混凝土的碳化深度存在影响，水养护下的试样和自然养护的试样有很大不同，经过3个月的加速碳化，水养护试样的碳化深度只有自然养护的72%左右。

Fattuhi使用加速碳化试验研究混凝土水灰比和养护制度对混凝土碳化率的影响[53]，分别用0.7、0.6和0.4的水灰比，水养护时间分别为1天、3天、7天、21天和28天，然后进行加速碳化。结果表明，碳化深度随着水灰比的增加而显著增加。同时，随着水养护时间的增加，碳化深度有大幅度下降，表面覆盖也可改善混凝土抗碳化性能。

1.4.4　补偿收缩混凝土碳化性能研究现状

随着补偿收缩混凝土在工程中的广泛使用，其耐久性问题日益得到重视。其中，混凝土的抗碳化性能与其钢筋抗锈蚀性能密切相关，而对于加入膨胀剂的补偿收缩混凝土来说，碳化历程与普通混凝土存在较大的差别。

混凝土的碳化速度与其密实度密切相关，而膨胀剂则对混凝土的密实度有很大的影响。加入膨胀剂后，由于钙矾石膨胀结晶具有填充和堵塞毛细孔径的作用，可使混凝土结构更为致密，抗气渗性更好。游宝坤对补偿收缩混凝土的抗碳化性能进行过研究[72]，发现其抗碳化性能优于不掺膨胀剂的普通混凝土。分别使用UEA、PNC、JM-Ⅱ三种膨胀剂的C30～C40混凝土28天碳化深度为0.8～5.1mm，小于对比试验的同配比普通混凝土，而一年和两年的碳化深度未发生大的变化，其碳化速度系数小于普通混凝土。碳化试体的抗压强度不倒缩，且有显著提高。

王栋民研究了CSA膨胀剂对混凝土抗渗性的影响[73，74]，使用膨胀剂、磨细矿渣、粉煤灰（低钙灰）、硅灰内掺替代水泥，发现膨胀剂与矿物掺合料复掺时，可提高混凝土的抗渗透性。其机理为：复掺膨胀剂和细掺料的混凝土内部结构得到了进一步优化，混凝土膨胀与强度协调发展，混凝土微观结构致密，内部微缺陷减少。

游宝坤对钙矾石膨胀的机理进行了研究[75]，认为水泥石膨胀的主要根源在于钙矾石表面所带负电荷引起的吸水肿胀，凝胶状钙矾石吸水肿胀和结晶状钙矾石对孔缝产生的膨胀压的共同作用，使水泥石产生体积膨胀，而前一种膨胀驱动比后一种大得多。钙矾石的形成速度和生成数量决定混凝土的膨胀效能。钙矾石形成速度太快，其大部分膨胀能消耗在混凝土塑性阶段，作无用功。但钙矾石形成速度太慢，对结构可能产生破坏。Mehta研究了在有CaO和无CaO条件下钙矾石形态[76]，认为不管哪种情况下钙矾石的形成均通过液相，在CaO饱和下形成1×0.25μ的胶体状钙矾石，由于钙矾石表面电性能的特殊，它的吸水肿胀是引起水泥石膨胀的根源。在CaO不饱和下，形成0.5μ×1μ×6μ～8μ钙矾石，这种钙矾石不提供膨胀。

Tsivilis等通过研究表明[77-79]，在混凝土中加入膨胀剂后，钙矾石膨胀结晶具有填充和堵塞毛细孔径的作用，可使混凝土结构更为致密，使混凝土具有更好的抗气渗性。阎培渝和廉慧珍等人[80-84]研究了在不同水胶比下由不同水泥、膨胀剂和矿物掺和料组成的复合补偿收缩胶凝材料体系中，水化产物和水化反应程度随水化龄期发展的变化规律。Nagataki针对膨胀剂在混凝土中的应用进行了研究[85]。Sun等人认为膨胀剂能抵抗混凝土收缩变形，并提高其抗渗透性能[86]。Shui等人针对矿物掺合料对水泥硬化浆体热膨胀性能的影响进行了研究[87]，结果表明，矿物掺合料之间热膨胀系数的不同是引起膨胀主要原因。有研究表明，在水泥硬化的过程中，膨胀结晶体（如钙矾石）能起到填充、切断毛细孔缝作用，从而减少了混凝土的总孔隙率，改善了混凝土的孔结构，提高了它们的抗渗透性和力学性能[88，89]。Likov和Li等人[90-92]研究了高性能补偿收缩混凝土的硬化机理及微观结构，并证明了膨胀剂可有效补偿混凝土的干燥收缩并增强混凝土中界面过渡区的强度。

McCarter、Wild和Durekovic等人研究表明[93-95]，对于以钙矾石为膨胀源的硫铝酸钙类膨胀剂，钙矾石在水化过程中会消耗Ca（OH）2并生成钙矾石，从而加速混凝土的碳化，但是由于钙矾石可密实混凝土结构，减缓CO2侵入的速度，从而改善混凝土的抗碳化性能，其抵御碳化的能力取决于两者的作用差。

一般认为[96-98]，膨胀剂的加入对混凝土的密实度影响较大。如在混凝土中加入膨胀剂，并对其膨胀进行约束，会引起混凝土内部密实度的变化。廉慧珍认为[99]，适量膨胀剂的掺入，由于混凝土自身的膨胀作用，使得处于约束状态下的混凝土密实性得以提高，并提高其抗渗性。研究表明[100]，在有约束的条件下，在粉煤灰与膨胀剂的综合作用下，C—S—H生成量将增加。赵顺增等人[101-103]对约束条件下的补偿收缩混凝土碳化进行了研究，表明膨胀剂对其抗碳化能力存在改善作用，但他并未约束条件与密实度的关系进行具体的研究。

膨胀能的产生与钙矾石生成的空间密切相关，而钙矾石的生长发育空间又随着约束条件的不同而变化。刘江宁[104]研究了约束条件下膨胀水泥砂浆的孔结构变化，结果表明约束条件的不同对膨胀水泥石孔结构有很大的影响。三向约束条件下膨胀水泥石的孔隙率有明显的降低，而单向约束条件的影响较小，而膨胀水泥石-集料界面孔和部分较大的毛细孔有所改变。约束方向上的约束力能够减少新孔隙的生成，但非约束方向网络结构仍有可能被内应力破坏。高培伟等人的研究[105]同样表明，膨胀剂可减小水泥石的孔隙率，从而提高混凝土的密实度。