不同種類混凝土抗碳化性能的影響因素研究

任妍妍

(河北省交通運(yùn)輸廳 公路管理局，河北 石家莊 050000)

0 前言

混凝土的碳化是指空氣中的二氧化碳通過毛細(xì)孔擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，與水泥的水化產(chǎn)物之間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鈣的過程［1］。碳化使混凝土的pH 值降低，酸性增強(qiáng)，破壞了鋼筋表面的鈍化膜，為鋼筋腐蝕提供了條件［2］，所以研究混凝土的抗碳化性能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言具有重要意義。對(duì)混凝土抗碳化性能，國內(nèi)學(xué)者主要研究了纖維［2］、水泥細(xì)度［3］和粉煤灰［4］等對(duì)混凝土碳化性能的影響。但是對(duì)于不同種水泥制備的混凝土的碳化性能對(duì)比研究至今很少，基于此，本文以硅酸鹽水泥混凝土和礦渣水泥混凝土為例，對(duì)比研究了水灰比、水泥用量和粉煤灰摻量等因素對(duì)兩種混凝土碳化性能的影響，為進(jìn)一步研究混凝土的碳化性能提供理論參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

硅酸鹽水泥選用重慶小南海水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5 水泥，礦渣水泥選用重慶秦陽水泥廠生產(chǎn)的425#礦渣水泥，其主要化學(xué)成分見表1;粉煤灰選用新疆天山電力瑪納斯發(fā)電廠的Ⅰ級(jí)灰，比表面積為655 m2/kg;細(xì)集料采用普通中砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，含泥量符合相關(guān)要求;粗集料為5 ～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石;外加劑選用聚羧酸系減水劑。進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，控制粗集料含量為509 kg/m3，細(xì)集料含量為796 kg/m3，砂率為45%不變，添加1.2%的減水劑，通過變化水灰比和水泥用量得到不同情況下輕骨料混凝土的配合比。

表1 水泥的材料組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

兩種混凝土的碳化試驗(yàn)均按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)工程中控制CO2濃度范圍為17% ～23%，濕度為65% ～75%，溫度在15 ～25 ℃之間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水灰比對(duì)抗碳化性能的影響

測定不同水灰比下，兩種混凝土在不同齡期的碳化深度，研究水灰比對(duì)兩種混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對(duì)水泥混凝土碳化深度的影響

從圖1 可以看出，兩種混凝土碳化深度隨水灰比的變化規(guī)律并不相同，其中硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度隨著水灰比的增大逐漸減小，但當(dāng)水灰比大于0.50 時(shí)，再增大水灰比反而使28 d 的碳化深度增大，例如，當(dāng)水灰比由0.40 增大到0.50 時(shí)，28 d 的碳化深度由30.1 mm 降低為6.4 mm，再增大水灰比至0.55 時(shí)，碳化深度反而升高為9.1 mm。礦渣水泥混凝土的碳化深度隨著水灰比的增大逐漸增大，例如當(dāng)水灰比由0.35 增大至0.45 和0.50 時(shí)，28 d 的碳化深度分別由0 mm 增大為3.7 mm 和4.7 mm。這主要是因?yàn)?，硅酸鹽水泥中由水泥水化生成的Ca(OH)2的量多于礦渣水泥，因此當(dāng)水灰比小于0.50 時(shí)隨著水灰比的增大，硅酸鹽水泥的水化作用加強(qiáng)，生成的Ca(OH)2逐漸增多，Ca(OH)2凝膠體填充在混凝土內(nèi)部的孔隙之中使密實(shí)度增大，因此混凝土抗碳化性能提高，碳化深度減小，而當(dāng)水灰比大于0.50 時(shí)，再增大水灰比使混凝土內(nèi)部自由水分含量增多，自由水分蒸發(fā)使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量毛細(xì)孔，混凝土密實(shí)度反而降低，因此碳化深度有所增加。而礦渣水泥混凝土中由水泥水化生成的Ca(OH)2量本來較小，Ca(OH)2對(duì)孔隙的填充作用小于自由水分蒸發(fā)引起的孔隙率升高值，因此隨著水灰比的增大，礦渣水泥混凝土的碳化深度逐漸增大。

當(dāng)水灰比一定時(shí)，碳化時(shí)間越長，混凝土的碳化深度越大，其中，當(dāng)水灰比為0.50 時(shí)，硅酸鹽水泥混凝土7 d 之后碳化深度隨碳化時(shí)間的變化不明顯，例如水灰比為0.50 時(shí)，7、14、28 d 的碳化深度依次為5.7、5.9、6.4 mm。當(dāng)水灰比小于0.40 時(shí)，礦渣水泥混凝土幾乎不發(fā)生碳化破壞，而當(dāng)水灰比大于0.45 時(shí)，礦渣水泥混凝土7 d 以內(nèi)的碳化深度急劇增大。

2.2 水泥用量對(duì)抗碳化性能的影響

控制水灰比為0.5，當(dāng)水泥用量分別為350、400、450、500 kg/m3時(shí)，測定硅酸鹽水泥混凝土在不同齡期(3、7、14、28 d)時(shí)的碳化深度，研究水泥用量對(duì)硅酸鹽水泥混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 水泥用量對(duì)水泥混凝土碳化深度的影響

從圖2 可以看出，水泥用量對(duì)硅酸鹽水泥混凝土3 d 碳化深度的影響較小，而對(duì)7 d 以后碳化深度的影響較大，隨著水泥用量的增多，硅酸鹽水泥混凝土7、14、28 d 的碳化深度都表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，碳化深度都隨著水泥用量的增多表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，其中當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)14 d 和28 d 的碳化深度都達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土的抗碳化性能最差。這主要是因?yàn)?，?dāng)水泥用量小于400 kg/m3時(shí)混凝土內(nèi)部水泥的水化作用較弱，而且隨著水泥用量的增多，用水量相應(yīng)的增多，水分蒸發(fā)引起的孔隙增多，因此混凝土抗碳化性能減弱，而當(dāng)水泥用量大于400 kg/m3時(shí)，隨著水泥用量的增多，硅酸鹽水泥混凝土中水泥的水化作用增強(qiáng)，混凝土的密實(shí)度提高，而且混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2含量增多，吸收CO2的能力增強(qiáng)，因此抗碳化性能增強(qiáng)，碳化深度減小。

2.3 粉煤灰替代量對(duì)抗碳化性能的影響

用粉煤灰等體積替代兩種混凝土中的部分水泥，其中硅酸鹽水泥混凝土中的粉煤灰替代量為25%、35%、45%、55%和65%，而礦渣水泥混凝土中煤灰替代量為0%、25%、45%和65%。測定兩種混凝土28 d 的碳化深度，研究粉煤灰替代量對(duì)混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)水泥混凝土碳化深度的影響

從圖3 可以看出，不同水灰比下，兩者水泥混凝土的碳化深度都隨著粉煤摻量的增多逐漸增大，其中當(dāng)水灰比為0.50，粉煤灰摻量為25%時(shí)，硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度較大，這可能是試驗(yàn)誤差造成的。對(duì)硅酸鹽水泥混凝土而言，當(dāng)粉煤灰摻量在25%～35%之間時(shí)，粉煤灰對(duì)其碳化深度的影響較小，當(dāng)粉煤灰摻量大于55%時(shí)，碳化深度隨粉煤灰摻量的增多大幅增加，硅酸鹽水泥混凝土抗碳化性能大幅降低。當(dāng)粉煤灰摻量小于45%時(shí)，隨著摻量的增多礦渣水泥混凝土的碳化深度逐漸增加，但是增加的幅度較小，而當(dāng)摻量大于45%時(shí)，礦渣水泥混凝土的碳化深度隨摻量的增多大幅增長。這主要是因?yàn)?，粉煤灰作為一種活性混合材料，加入到混凝土后，在水泥水化的早期并不發(fā)生反應(yīng)，隨著水泥水化的進(jìn)行，粉煤灰的活性得到激發(fā)，粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2之間發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的堿性降低，抗碳化性能減弱。另外，當(dāng)硅酸鹽水泥混凝土中粉煤灰摻量大于55%，礦渣水泥混凝土中粉煤灰摻量大于45%時(shí)，過多的粉煤灰顆粒無法與水泥的水化產(chǎn)物之間發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)而積聚在水泥石和集料之間的界面處，使界面處疏松多孔，成為混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱區(qū)，因此再增加粉煤灰摻量時(shí)，兩種混凝土的抗碳化性能都會(huì)大幅降低。

3 結(jié)論

1)硅酸鹽水泥混凝土早期的碳化深度隨水灰比增大逐漸減小，而28 d 的碳化深度先減小后增大，其中當(dāng)水灰比為0.50 時(shí)28 d 的碳化深度最小;當(dāng)水灰比小于0.40 時(shí)，水灰比對(duì)礦渣水泥混凝土的碳化深度影響很小，而當(dāng)水灰比大于0.45 時(shí)，增大水灰比使碳化深度大幅增加。

2)隨著水泥用量的增多，硅酸鹽水泥混凝的碳化深度出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)，碳化深度最大，硅酸鹽混凝土的抗碳化性能最差。

3)兩種水泥混凝土28 d 的碳化深度都隨粉煤灰摻量的增多逐漸增大，其中當(dāng)粉煤灰摻量在25%～35%之間時(shí)，粉煤灰對(duì)硅酸鹽水泥混凝土碳化深度的影響較小，使硅酸鹽水泥混凝土和礦渣水泥混凝土碳化深度出現(xiàn)大幅增長的粉煤灰摻量分別為55%和45%。

［1］程云虹，閆 俊，劉 斌，等.粉煤灰混凝土碳化性能試驗(yàn)研究［J］.公路，2007(12):160－162.

［2］郭艷華，潘慧敏，李志業(yè).鋼纖維混凝土碳化性能的研究［J］.混凝土，2007(2):45－47.

［3］谷昌宇，江靜華，劉冠國，等.水泥細(xì)度對(duì)混凝土碳化性能的影響［J］.商品混凝土，2012(1):42－44.

［4］徐文冰，水中和，馬軍濤，等.基于顯微硬度分析的粉煤灰混凝土碳化性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2011，30(1):7－12.