不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳化行為分析

張東伍 栗 潮

1尉氏縣鑫勝砼業(yè)有限公司（475500） 2中國(guó)水電十一局鄭州科研設(shè)計(jì)有限公司（450001）

0 前言

混凝土的鋼筋銹蝕問題是困擾工程建設(shè)的重要問題之一，而混凝土的碳化是引起其鋼筋銹蝕的一個(gè)重要原因。近些年來(lái)，混凝土的碳化問題得到了大量的研究，表明混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、水泥用量等因素均對(duì)混凝土的碳化行為有較為明顯的影響。顏承越[1]研究表明，水灰比和碳化深度之間大致呈線性的關(guān)系，而根據(jù)另外一些研究表明，這兩者之間的線性關(guān)系并不明顯，而是近似呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系[2]。同時(shí)有研究表明，在混凝土中摻入粉煤灰、石灰石粉、礦渣和硅灰等礦物摻合料具有活性，可以與Ca(OH)2反應(yīng),減少膠凝組分中的Ca(OH)2含量，從而使混凝土抗碳化能力減弱[3-5]。

通過(guò)設(shè)計(jì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試樣，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的水灰比和水泥用量，制備不同抗壓強(qiáng)度的混凝土,并針對(duì)其抗壓強(qiáng)度和碳化深度進(jìn)行分析，研究其強(qiáng)度與抗碳化性能的關(guān)系，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為 3.11 g·cm-3，比表面積為 336 m2/kg，作為混凝土摻合料的粉煤灰和礦粉均取自開封。表1為試驗(yàn)原材料的化學(xué)成分分析。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料的化學(xué)成分分析

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土配合比分別針對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25、C30、C35和C40混凝土進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整混凝土膠材用量、水灰比和摻合料用量進(jìn)行調(diào)整，從而制備出不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?；炷僚浜媳热绫?所示。

混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在標(biāo)準(zhǔn)條件（RH≧90%，T=20±3 ℃）下養(yǎng)護(hù) 3 d、7 d和 28 d后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度。同時(shí),參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定對(duì)不同碳化齡期的混凝土進(jìn)行碳化深度測(cè)試。試件成型后24 h拆模，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件（RH≧90%，T=20±3℃）養(yǎng)護(hù)26 d后，置于60℃烘箱中烘干48 h。試樣保留兩相對(duì)側(cè)面，其余表面用石蠟密封，按要求放入混凝土快速碳化試驗(yàn)箱（RH=70%±5%，T=20±3℃，CCO2=20%±3%）中，并在碳化齡期達(dá)到3 d、7 d和28 d時(shí)，分別測(cè)試各齡期混凝土的碳化深度。酚酞試劑采用1%的酚酞酒精溶液，噴在劈裂后的混凝土試塊斷面，碳化深度采用游標(biāo)卡尺測(cè)定。碳化深度測(cè)試方法[6]如圖1所示。

表2 混凝土配合比

圖1 碳化深度測(cè)試方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。圖3為不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳化深度測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出，混凝土碳化深度基本與其抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反，表明抗壓強(qiáng)度越高的混凝土，其碳化深度越小，則其抗碳化性能越強(qiáng)。相比來(lái)說(shuō)，對(duì)于經(jīng)過(guò)28 d齡期養(yǎng)護(hù)的C40混凝土，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了C25混凝土的1.5倍左右，而其28 d碳化深度僅為C25混凝土的一半。同時(shí)，對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其碳化深度基本表現(xiàn)出了碳化深度隨著強(qiáng)度的增加而逐步下降的趨勢(shì)。

大量研究結(jié)果表明，混凝土的抗碳化性能主要與其孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部可碳化物質(zhì)數(shù)量相關(guān)。一方面，根據(jù)表2中的混凝土配合比,隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加，其配比中水泥用量逐步增多，從這方面說(shuō)，水泥用量越多的混凝土試樣，其內(nèi)部水化生成的Ca(OH)2含量,即混凝土內(nèi)部主要的可碳化物質(zhì)數(shù)量越多，因此，強(qiáng)度等級(jí)越高的混凝土試樣，其內(nèi)部可碳化物質(zhì)消耗越慢，從而有更強(qiáng)的抗碳化能力。另一方面，強(qiáng)度標(biāo)號(hào)越高的混凝土,所用配比的水灰比越小，從而使制備出混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而減緩了外部CO2向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，顯著改善了混凝土的抗碳化性能。

圖2 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖3 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳化深度

依據(jù)混凝土的碳化深度測(cè)試結(jié)果,根據(jù)公式（1）分別計(jì)算混凝土在碳化3 d內(nèi)和碳化4 d～7 d齡期內(nèi)的碳化速率，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

其中:α表示碳化速率(cm/d)；D表示碳化深度(cm)；t表示碳化時(shí)間(d)。

圖4 混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)間段的碳化速率

根據(jù)碳化速率計(jì)算結(jié)果可以看出,在碳化0～3 d時(shí)，C25、C30和 C35混凝土的碳化速率相當(dāng)，而C40混凝土的碳化速率顯著較小，表明C40混凝土內(nèi)部較高的堿含量使其早期碳化效果并不顯著。而在碳化4～7 d時(shí)，C30以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土碳化速度相對(duì)較小,但C25混凝土的碳化速度明顯較快,這表明強(qiáng)度等級(jí)較低的C25混凝土外部CO2侵入速度較快，結(jié)合其內(nèi)部較低的堿含量，混凝土表現(xiàn)出了快速碳化的趨勢(shì)。而在8～28 d的碳化齡期中，混凝土碳化速率顯著變慢，使不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳化速度并無(wú)明顯差別。

3 結(jié)論

通過(guò)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合強(qiáng)度與碳化深度之間的聯(lián)系，對(duì)其抗碳化性能與強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土來(lái)說(shuō)，由于水灰比和水泥用量的影響,其抗碳化性能隨著其抗壓強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)。

[1]顏承越.水灰比-碳化方程與抗壓強(qiáng)度-碳化方程的比較[J].混凝土,1994(3)：46.

[2]張德成,張?jiān)骑w,程新.硫鋁酸鹽水泥基混凝土抗碳化性能的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2008,27(2)：56～58.

[3]P.Sulapha,S.F.Wong,T.H.Wee and S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of materials in civil engineering,1994(3)：32～35.

[4]L.Stevula,J.Madej,J.Kozankova and J.Madejova.Hydration products at the blast furnace slag aggregate-cement pasteinterface[J].Cement and Concrete Research,1994(24)：413～423.

[5]J.Liu,Y.Li,L.Lv.Effect of Anti-freezing Admixtures on Alkali-silica Reaction in Mortars[J].Wuhan University of Technology-Mater,2005(2)：55～59.

[6]馬軍濤,水中和,陳偉,徐文冰.養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土碳化速率的影響[J].混凝土,2011(1)：24～27.