水泥強度等級對混凝土碳化耐久性的影響

李 倩，葉 青，2，黃秀弟，俞嘉陳，虞凱凱

LI Qian1，YE Qing1，2，HUANG Xiudi3，YU Jiachen1，YU Kaikai1

(1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州310014;3.紹興市華冠新型建材有限公司，浙江 紹興312000)

1 概 述

1989年，我國通過綜合調(diào)查發(fā)現(xiàn)建國初期的大多數(shù)建筑已無法滿足安全、經(jīng)濟使用50 a 的要求，一般約30年就會大修，而處于嚴酷環(huán)境中的建筑物使用壽命則更短，僅20年左右［1］，其中最主要的原因是這些建筑只按安全性和適用性來設(shè)計結(jié)構(gòu)，而忽略了耐久性設(shè)計［2］。因此，工程中除了應(yīng)按強度設(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以外，還須考慮耐久性設(shè)計要求。

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境中CO2的濃度(體積分數(shù))持續(xù)升高，20 世紀80年代還只有0.03%，而今卻有0.04%，據(jù)專家分析，到21 世紀下半葉可能上升到0.05%［3］。空氣中CO2濃度的提升使混凝土的碳化耐久性急劇下降，給工程造成了嚴重的經(jīng)濟損失和安全事故［4-6］，因此由碳化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞已列為耐久性的首要問題之一［7］。從20世紀90年代到21 世紀初，我國開始重視重大建筑工程的耐久性問題，并相繼完成了一批有關(guān)耐久性問題的國家重點工程項目［8］，例如:青藏鐵路、香港國際機場、三峽大壩、杭州灣跨海大橋等［9］。

但在一般工程中多數(shù)普通建筑仍舊只按強度要求來設(shè)計而并未考慮混凝土的耐久性問題，特別是在水泥的選用上盲目大意，膠材中又混入較多的混合材料和礦物摻和料［10］，這些都將使混凝土的碳化耐久性嚴重降低?；谏鲜銮闆r，本項目欲研究在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下由不同標(biāo)號的水泥配制的C35 混凝土抗碳化耐久性隨礦物摻合料含量的變化規(guī)律，揭示水泥強度等級對混凝土抗壓強度和抗碳化耐久性的影響。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥:某市售52.5 級普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強度分別為7.9、55.4 MPa，SO3含量為2.8%，比表面積為345 m2/kg;某市售42.5 級普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強度分別為7.1、45.5 MPa，SO3含量為2.9%，比表面積為330 m2/kg;水泥的化學(xué)成分見表1。

(2)礦渣微粉:杭州當(dāng)?shù)啬碂掍搹S礦渣微粉，比表面積為425 m2/kg，其化學(xué)成分見表1。

(3)細骨料:由杭州當(dāng)?shù)啬呈V石灰石碎屑和以石英為主的長江細砂混合而成，該混合砂的細度模數(shù)為2.6，級配為Ⅱ區(qū)，表觀密度為2.70 g/cm3，含泥量為2.0%。

(4)粗骨料:杭州當(dāng)?shù)啬乘槭?，級配?～31.5 mm，表觀密度為2.75 g/cm3，含泥量為0.5%。

(5)泵送劑:采用市售減水率為17%的泵送劑，以萘系減水劑為主，含固量為28% (摻入量以固體計)。

(6)水:自來水。

2.2 配合比的確定

現(xiàn)用42. 5 級普通硅酸鹽水泥配制水膠比為0.5、砂率42%的C35 混凝土，用52.5 級普通硅酸鹽水泥配制水膠比為0.6、砂率42%的C35 混凝土。混凝土中分別摻入15%、30%、40%和50%的礦渣，減水劑摻量為1.8%，設(shè)計坍落度為150～200 mm。配合比見表2。

表1 水泥和礦渣微粉的化學(xué)成分(%)

表2 試驗用C35 混凝土的配合比及其28 d 抗壓強度

2.3 實驗步驟

按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2002)》測定混凝土拌合物的和易性，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法(GB/T 50081—2002)》成型和測定抗壓強度，按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法(GB/T 50082—2009)》進行快速碳化實驗。實驗用100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體抗壓強度試件和100 mm ×100 mm ×300 mm的棱柱體抗碳化試件。將澆筑成型的混凝土試件靜停6 h 后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h 齡期時拆摸，拆模后繼續(xù)早期保濕養(yǎng)護至28 d。其中早期保濕養(yǎng)護的溫度為(20±2)℃，相對濕度大于95%。

將養(yǎng)護28 d 后的立方體試件表面清除干凈，放在壓力機壓板上，并使試件的中心與下壓板中心對準(zhǔn)，試件的承壓面與成型時的頂面垂直，在試驗過程中應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，試件壓碎時記錄抗壓強度值。

將養(yǎng)護28 d 后的棱柱體試件在60℃下烘48 h 后用熔化的石蠟對其側(cè)面和一個底面進行密封，放入碳化箱內(nèi)進行快速碳化試驗，當(dāng)快速碳化至3、7、14、28 d時，分別取出試件，將試件距一端50 mm 處劈裂，封蠟后繼續(xù)放入碳化箱內(nèi)進行碳化，切下部分噴上1%的酚酞酒精溶液，并根據(jù)變色范圍量測其碳化深度。

2.4 主要試驗儀器

采用浙江土工儀器廠生產(chǎn)的機械壓力機和全自動混凝土碳化試驗箱，碳化控制箱內(nèi)CO2體積分數(shù)保持在(20 ±3)%，相對濕度保持在(70 ±5)%［11］，溫度保持為(20 ±2)℃。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的抗壓強度比較

由表2 中的抗壓強度數(shù)據(jù)可知:用42.5 或52.5級水泥均可配制C35 混凝土并能滿足其配制強度，且當(dāng)?shù)V渣摻量一定時，兩者配制的C35 混凝土28 d抗壓強度基本相當(dāng)。例如，在礦渣摻量分別為0%、15%、30%、40% 和50% 時，其相對比值分別是1.00、0.99、0.99、0.99 和0.97，可見，兩種水泥配制的C35 混凝土28 d 抗壓強度相差不超過3%。

3.2 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久性比較

3.2.1 碳化深度實測數(shù)據(jù)

42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土在不同礦渣摻量和不同快速碳化時間時的碳化深度實測數(shù)據(jù)見表3。

表3 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度實測數(shù)據(jù)/mm

3.2.2 碳化深度數(shù)據(jù)分析C35 混凝土的碳化耐久性

由表3 中的碳化深度數(shù)據(jù)線性擬合得到的擬合曲線圖，見圖1、圖2。

圖1 42.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度擬合曲線圖

圖2 52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度擬合曲線圖

由圖1 和圖2 可知，由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時間t 符合D =kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關(guān)系式，其中k 為碳化速度系數(shù)，且k 隨著礦渣摻量的降低而減小。根據(jù)碳化速度系數(shù)k 可推算C35 混凝土在空氣中CO2體積分數(shù)為0.04%時的自然環(huán)境中完全碳化(即碳化達到混凝土保護層厚度，假設(shè)為25 mm)所需的時間，下文稱混凝土的碳化耐久年限。

由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化系數(shù)和碳化耐久年限見表4。

表4 42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化系數(shù)和碳化耐久年限

由表4 可知，在當(dāng)今CO2體積分數(shù)為0.04%的自然環(huán)境中，當(dāng)?shù)V渣摻量分別為0%、15%、30%、40%和50%時，由42.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限均能達到設(shè)計使用年限50 a 以上，而由52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限在礦渣摻量超過40%時已不能達到50年。

在礦渣摻量一定的條件下，若以52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化年限為基準(zhǔn)，則42.5 級水泥配制時的碳化年限與基準(zhǔn)的相對比值分別為1.36、1.32、1.29、1.25 和1.19，可見用42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化年限更高，至少比52.5 級水泥配制的高15%。

由此可知，當(dāng)?shù)V渣摻量超過40%時，用52.5 級水泥配制C35 混凝土已達不到設(shè)計使用年限50年的要求;當(dāng)?shù)V渣摻量不超過40%時，用42.5 級水泥或52.5 級水泥配制的C35 混凝土都能超過設(shè)計年限50年，但42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化耐久性更好、抗碳化性能更強。

4 討 論

由于水泥生產(chǎn)工藝和質(zhì)量的提高，使當(dāng)今水泥具有細度高、混合材料摻量高、熟料中早強礦物數(shù)量多、早期強度發(fā)展快的特點，水泥強度也比以往提高1～2 個等級，這有利于配制高強混凝土，但對配制C25～C40 混凝土來講帶來了水灰比大、孔隙率大、耐久性低的問題。此外，為了增大混凝土的抗裂能力、減小水化熱和節(jié)約成本，拌制混凝土?xí)r常摻入15%～40%的礦渣等摻和料，使混凝土的堿度降低，抗碳化能力減弱。再加上當(dāng)今CO2體積分數(shù)持續(xù)上升，混凝土的抗碳化能力進一步下降。在上述條件下，實際工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)即使強度等級達到了設(shè)計要求，但其抗碳化耐久性已經(jīng)受到了嚴重的影響，導(dǎo)致大部分結(jié)構(gòu)未達到設(shè)計使用年限就提前失效。

當(dāng)今工程上習(xí)慣用52.5 而不是用42.5 級水泥來配制C35 混凝土，導(dǎo)致所配C35 混凝土的水膠比更大，水泥用量更少。由于水膠比大，混凝土內(nèi)部毛細孔多，致使混凝土碳化深度大［12］;水泥用量減少，混凝土密實度下降，碳化速度加快［13］，導(dǎo)致抗碳化能力小。因此，用52.5 級水泥配制的C35 混凝土的抗碳化耐久性大大降低。以本研究數(shù)據(jù)為例，在礦渣摻量達到50%時，由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土自然碳化(空氣中CO2體積分數(shù)以0.04%計)達到保護層厚度(25 mm)所需時間分別為53.3年和44.7年，相差將近9年?？梢?，用42.5 級水泥配制C35 混凝土的抗碳化能力比用52.5 級水泥配制時更強。

5 結(jié) 語

由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的28 d 抗壓強度基本相等，相差不超過3%;但其抗碳化能力差異較大，在CO2體積分數(shù)為0.04%的條件下，用42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化年限更長，至少大于用52.5 級水泥配制時的15%。

C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時間t 符合D=kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關(guān)系式，且碳化速度系數(shù)k 隨著礦渣摻量的降低而減小。當(dāng)?shù)V渣摻量超過40%時，用52.5 級水泥配制的C35混凝土已無法保證設(shè)計使用年限50 a 的要求。

在當(dāng)今C25～C40 混凝土工程中面臨水泥強度較高、水灰比較大、膠材中混合材料和礦物摻和料較多等不良情況，導(dǎo)致混凝土的抗碳化能力嚴重下降。為充分考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計和耐久性設(shè)計，建議優(yōu)先選用42.5 級水泥來配制C35 混凝土。

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