混凝土碳化特性及其與表面硬度的關(guān)系

霍洪磊

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京　101400)

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混凝土碳化特性及其與表面硬度的關(guān)系

霍洪磊

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京101400)

基于回彈法被廣泛應(yīng)用于我國(guó)混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，本文采用加速碳化試驗(yàn)系統(tǒng)研究了高流動(dòng)度、大摻量礦物摻合料混凝土碳化深度對(duì)表層硬度的影響，并采用XRD、SEM對(duì)表層混凝土中的水化產(chǎn)物和表面形貌進(jìn)行研究。結(jié)果表明：碳化對(duì)混凝土表層硬度影響較大，0.58水灰比和0.35水灰比在碳化后表層硬度最多增加57%和21.7%，粉煤灰混凝土在碳化后表面硬度變化最大；加速碳化后混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

混凝土； 碳化； 表面硬度； 微結(jié)構(gòu)

1　引　言

混凝土因作為重要的土木工程材料，其應(yīng)用量越來(lái)越大，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。回彈法因其使用方法簡(jiǎn)便、成本低廉、易于操作且不造成檢測(cè)結(jié)構(gòu)的破壞等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢和評(píng)定，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年研究與大量實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的累積，建立了國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線，為實(shí)體工程的質(zhì)量檢測(cè)提供了依據(jù)[1,2]。

然而，隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，摻加高效減水劑和礦物摻合料(粉煤灰、礦渣等)的現(xiàn)代混凝土在高層建筑、大跨度橋梁、海底隧道、海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆、有害有毒廢物處理工程等建筑工程中大量使用。因現(xiàn)代混凝土中摻入大量的粉煤灰和礦渣，導(dǎo)致混凝土中的堿儲(chǔ)備、液相堿度降低，混凝土抗碳化能力降低。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土碳化反應(yīng)中微結(jié)構(gòu)特征演變規(guī)律的研究均取得了一定的成果，如Saeki等[3]研究得出碳化引起的孔體積和孔尺寸分布的改變主要依賴于水灰比和初始養(yǎng)護(hù)齡期；Bier等[4]發(fā)現(xiàn)碳化對(duì)于高含量水泥熟料大大減小了毛細(xì)孔的體積；永鳴正久和飛內(nèi)圭之的試驗(yàn)表明加速碳化后7.5～75 nm的細(xì)孔體積約減小50%；牛荻濤等[5,6]研究發(fā)現(xiàn)加速碳化后雙摻礦物摻合料混凝土抗碳化能力大于單摻礦物摻合料混凝土。綜上不難看出，現(xiàn)代混凝土抗碳化能力與普通混凝土相比存在較大，碳化深度的較大差異導(dǎo)致了國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線推定強(qiáng)度值與現(xiàn)在混凝土實(shí)際強(qiáng)度值偏差較大。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)研究高流動(dòng)度(180 mm)下，不同水灰比(0.58,0.35)和大摻量礦物摻合料(粉煤灰，礦渣)的現(xiàn)代混凝土加速碳化試驗(yàn)，研究不同碳化深度對(duì)回彈值的影響，并利用XRD、SEM、X-CT等探究其表層微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)現(xiàn)代混凝土的質(zhì)量檢測(cè)和安全服役具有重要意義。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原材料

中國(guó)江南水泥廠P·Ⅱ52.5級(jí)水泥；石灰?guī)r碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑是20 mm，表觀密度2690 kg/m3；細(xì)骨料為河砂，表觀密度2620 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.8；混凝土拌合水采用自來(lái)水。水泥熟料、粉煤灰和礦渣的主要化學(xué)成分及物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1水泥熟料、粉煤灰和礦渣的化學(xué)組成與物理性質(zhì)

Tab.1Chemical compositions and physical properties of clinker ,fly ash and slag

MaterialChemicalcomposition/ω/%SiO2MgOAl2O3Fe2O3CaONa2OK2OLOISpecificsurfacearea/(m2·kg-1)Density/(kg·m-3)Clinker20.321.947.832.8964.80.200.761.263093115Flyash45.861.1534.505.424.690.551.124.71673-Slag38.596.3016.150.69731.871.170.1883.4753672820

2.2試驗(yàn)方案

根據(jù)前期大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并確定C30，C60兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比，實(shí)驗(yàn)考慮到單摻粉煤灰、礦渣，故分別摻加30%粉煤灰和30%礦渣，詳細(xì)的試驗(yàn)配合比如表2所示。因混凝土的坍落度對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響，為了保證比較的可靠性，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)整混凝土坍落度相近，約為180 mm。

表2現(xiàn)代混凝土配合比

Tab.2Modern concrete mix proportion

No.StrengthgradeFlyashcontent(%)Slagcontent(0%)Cementitiousmaterials/(kg·m-3)CementFlyashSlagWater/(kg·m-3)Sand/(kg·m-3)Stone/(kg·m-3)1C30--340--197.2782.41080.42C303002381020197.2782.41080.43C300302380102197.2782.41080.44C60--45000157.5645.31147.25C603003151350157.5645.31147.26C600303150135157.5645.31147.2

2.3試驗(yàn)方法

2.3.1試件制備

混凝土試件按照設(shè)計(jì)配合比制作，強(qiáng)度和表層硬度控制試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。混凝土碳化試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。澆筑好的混凝土24 h后拆模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)。

2.3.2回彈測(cè)試與計(jì)算

用符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)回彈儀和操作方法進(jìn)行現(xiàn)代混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊回彈實(shí)驗(yàn)，將達(dá)到設(shè)計(jì)齡期的試塊表面擦拭干凈并保持其平整干燥，以澆筑面?zhèn)让娴膬蓚€(gè)相對(duì)面置于壓力機(jī)承壓板之間，加壓并保持其壓力在30～80 kN。測(cè)量回彈值時(shí)，回彈儀的軸線應(yīng)始終垂直于混凝土檢測(cè)面并進(jìn)行水平檢測(cè)，然后緩慢施壓，準(zhǔn)確讀數(shù)，快速?gòu)?fù)位。每一個(gè)測(cè)區(qū)應(yīng)讀取16個(gè)回彈值，每個(gè)面分別測(cè)試8個(gè)回彈值，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈值讀數(shù)要精確至1。測(cè)點(diǎn)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻分布，相鄰的兩側(cè)點(diǎn)的凈距離不能小于20 mm，且相鄰兩測(cè)點(diǎn)的間距及測(cè)點(diǎn)離試塊邊緣的距離一般均不小于30 mm，測(cè)點(diǎn)不應(yīng)在氣孔或外露石子上，同一測(cè)點(diǎn)只能彈擊一次。為了減小誤差，分別剔除最大的三個(gè)值和最小的三個(gè)值，余下10個(gè)有效回彈值按照下式計(jì)算結(jié)果作為該試件的平均回彈值，計(jì)算精確至0.1 MPa。平均回彈值的計(jì)算可表示為(1)：

(1)

2.3.3抗壓強(qiáng)度

按《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)修改》(GBT 50081-2002)進(jìn)行，每組三個(gè)試塊，取其平均值作為抗壓強(qiáng)度。

2.3.4碳化試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82-1985)進(jìn)行。試驗(yàn)齡期為3 d、7 d、14 d、28 d時(shí)進(jìn)行碳化深度的測(cè)量。

3　結(jié)果與討論

3.1水膠比對(duì)混凝土碳化深度的影響

圖1表示加速碳化下不同水膠比混凝土碳化深度變化曲線。從圖1中可以看出，隨著加速碳化齡期的增加，混凝土碳化深度增大。水膠比為0.35且不摻加礦物摻合料的混凝土碳化深度最小，水膠比為0.58的混凝土碳化深度均大大高于同齡期水膠比為0.35的混凝土碳化深度且為最大；從圖中還可知水膠比為0.35摻加30%粉煤灰混凝土碳化深度總體大于同齡期摻加30%礦渣混凝土碳化深度。究其原因，隨著水膠比的降低，生成的水化產(chǎn)物更多，其填充在漿體的孔隙之中，增加了密實(shí)度，導(dǎo)致其抗碳化能力增強(qiáng)；摻加礦物摻合料取代等量的水泥，致使生成水化產(chǎn)物的減小，結(jié)構(gòu)疏松，抗碳化能力減弱；由于礦渣中玻璃相中成分多于粉煤灰，故其活性高于粉煤灰活性，在礦物摻合料混凝土水化過(guò)程中礦渣發(fā)生二次水化生成的水化產(chǎn)物多于粉煤灰，故礦渣混凝土抗碳化能力大于粉煤灰混凝土抗碳化能力。

圖1　不同水膠比混凝土碳化深度曲線Fig.1　Influence of water-binder ratio on carbonation depth of concrete

圖2　W/C=0.58時(shí)，碳化深度值對(duì)回彈值的影響Fig.2　The influence of carbonation depth on the rebound value with water cement ratio is 0.58

3.2碳化深度對(duì)混凝土表層硬度的影響

圖2表示0.58水灰比混凝土碳化深度值對(duì)回彈值的影響。從圖中可以看出隨著碳化深度值的增大回彈值在增大，當(dāng)碳化深度值在5 mm之前時(shí)，隨著碳化深度值的增加，回彈值迅速增大，碳化深度值超過(guò)5 mm之后，隨著碳化深度值得增大，回彈值增加緩慢。當(dāng)碳化深度由0.5 mm(加速碳化之前)增加到2.5 mm、4.5 mm、5.0 mm和6.5 mm時(shí)，回彈值分別增大了46%、53%、56%和57%。

圖3表示0.35水膠比混凝土碳化深度對(duì)回彈值的影響。從圖中可以看出摻加30%粉煤灰混凝土在碳化前后其回彈值變化幅度最大。當(dāng)混凝土不摻加礦物摻合料時(shí)，在加速碳化3 d時(shí)混凝土表面沒(méi)有被碳化。隨著加速碳化時(shí)間的增加，碳化深度值在增大，回彈值近似呈線性增大，碳化3 d、7 d、14 d、28 d后，回彈值相對(duì)于未碳化時(shí)分別增大了15.0%、17.0%、19.3%和21.7%。

從圖3中還能看出0.35水膠比下?lián)郊?0%FA混凝土碳化深度對(duì)回彈值的影響。當(dāng)碳化深度由0 mm增長(zhǎng)到0.5 mm時(shí)，回彈值由43.7 MPa增加到52.6 MPa，增幅最大?？梢杂?jì)算得到當(dāng)碳化深度值由0 mm增大到0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm時(shí)，回彈值分別增大了20.4%、22.4%、30.9%和34.3%。

圖3還包含了在0.35水膠比下?lián)郊?0%SL混凝土碳化深度對(duì)回彈值的影響。從圖3中可以看出其在前期加速碳化過(guò)程回彈值增加較快，后期回彈值增加緩慢；加速碳化28 d后碳化深度值由0 mm增加到3.0 mm，回彈值由44 MPa增大到55.1 MPa，其回彈值增大了25.2%。

圖3　W/B=0.35時(shí)，碳化深度對(duì)回彈值的影響Fig.3　The influence of carbonation depth on the rebound value with water binder ratio is 0.35

圖4　在不同加速碳化時(shí)間下回彈值的比較Fig.4　The charge of carbonation depth with different acceleration time

圖4表示在不同加速碳化時(shí)間下混凝土試塊回彈值的比較。從圖中可以看出加速碳化之后，不同水膠比混凝土回彈值均迅速增加，其中0.58水膠比混凝土回彈值增加最快，在加速碳化之前，0.58水灰比混凝土回彈值最小且比0.35水膠比混凝土回彈值小了近15 MPa，隨著碳化時(shí)間的增加，二者之差逐漸縮小，最終二者之差在5 MPa之內(nèi)；0.35水灰比混凝土回彈值最大，加速碳化之后，摻加30%粉煤灰混凝土回彈值最大且隨著加速碳化齡期的增加，這種特性表現(xiàn)的尤為明顯。加速碳化3 d之前，摻加30%礦渣混凝土的回彈值49.6 MPa小于不摻加礦物摻合料混凝土的回彈值51.3 MPa，但是在3 d之后隨著加速碳化時(shí)間增加，二者逐漸接近并且前者超過(guò)后者，如加速碳化14 d二者之差為0.4 MPa，但在加速到28 d后二者之差變?yōu)?.8 MPa。從圖中還能看到水灰比越大，加速碳化后混凝土回彈值變化越大，如0.58水灰比混凝土加速碳化3 d其回彈值由40.7 MPa增大到47.5 MPa，增大了6.8 MPa，其加速碳化后回彈值接近于0.35水灰比在碳化之前回彈值。

4　碳化深度對(duì)混凝土表層硬度的機(jī)理研究

混凝土的表層硬度很大程度上取決于其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)特征的變化，其中包括固相組成(氫氧化鈣，水化硅酸鈣、未水化水泥顆粒、碳酸鈣等)，孔相結(jié)構(gòu)(孔隙率、孔徑分布)，同時(shí)，上述微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著混凝土齡期發(fā)展以及碳化而發(fā)生不斷變化。故本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)制備凈漿試件并采用XRD、SEM對(duì)漿體中的表層水化產(chǎn)物和微觀形貌進(jìn)行研究。

4.1XRD分析

圖5和圖6分別表示0.58和0.35水灰比凈漿加速碳化前后凈漿表面水化產(chǎn)物XRD對(duì)比圖。對(duì)比圖5和圖6可以明顯看到碳化后CP0.35表面生成大量碳酸鈣，CP0.58表面氫氧化鈣全部被碳化生成碳酸鈣，并且絕大部分碳酸鈣都是以方解石(2θ=29.4°、39.4°和48.5°)的形式存在。因?yàn)闅溲趸}轉(zhuǎn)化為碳酸鈣后體積增大，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加，故混凝土表層硬度增大，這與前面研究結(jié)果一致。

圖5　自然養(yǎng)護(hù)下水泥凈漿表面水化產(chǎn)物XRD圖Fig.5　spectrum of different cement pastes before carbonation

圖6　加速碳化后水泥凈漿表面水化產(chǎn)物XRD圖Fig.6　XRD spectrum of different cement pastes after carbonation

4.2SEM分析

圖7a和b分別表示0.58水灰比凈漿加速碳化前后凈漿表面水化產(chǎn)物SEM圖。從上圖中可以看出：從a圖中可以看出28 d齡期CP0.58表面有少量片狀的氫氧化鈣和棒狀鈣礬石晶體以及C-S-H絮狀物堆積，其表面較為疏松，空隙較多，從b中可以看到試樣中幾乎沒(méi)有片狀和柱狀氫氧化鈣晶體，原先片狀的氫氧化鈣晶體已被碳化，生成了大量的碳酸鈣，其球形顆粒層層疊加，結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加。

圖7　加速碳化前后水泥凈漿試樣表面水化產(chǎn)物的形貌Fig.7　The SEM images of cement pastes surface hydration products before and after carbonation

5　結(jié)　論

(1)碳化深度對(duì)HPC表層硬度影響較大，0.58水灰比混凝土碳化后回彈值最多增加57%；0.35水灰比混凝土碳化后回彈值最多增大21.7%。0.35水膠比摻加30%FA混凝土碳化后回彈值最多增大34.3%。0.35水膠比摻加30%SL混凝土碳化后回彈值最多增大25.2%。因此利用國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線檢測(cè)碳化后的混凝土?xí)a(chǎn)生較大誤差，對(duì)混凝土構(gòu)建物的質(zhì)量保障存在嚴(yán)重的安全隱患；

(2)加速碳化后現(xiàn)代混凝土表層微結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，高水膠比下表層氫氧化鈣全部轉(zhuǎn)化成碳酸鈣，低水膠比下亦有大量的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化為碳酸鈣，致使現(xiàn)代混凝土表層結(jié)構(gòu)更加致密。

[1]楊永敢, 張?jiān)粕? 劉國(guó)建. 礦物摻合料混凝土早齡期回彈法測(cè)強(qiáng)曲線的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào), 2015,34(3):609-614.

[2]Szilagyi K，Borosnyoi A，Zsigovics I. Rebound surface hardness of concrete: Introduction of an empirical constitutive model[J].ConstructionandBuildingMaterials,2011,25(5):2480-2487.

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[4]Bier T. Influence of Type of Cement and Curing on Carbonation Progress and pore Structure of Hardened Cement Pastes[C]. Materials Research Society Symposium Proceedi-ngs, 1986,85(M)：123-134.

[5]胡曉鵬，牛荻濤，張永利.粉煤灰混凝土早齡期回彈法測(cè)強(qiáng)曲線的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011，(7):101-103.

[6]肖佳，勾成福.混凝土碳化研究綜述[J].混凝土，2010,(1)：40-44.

Concrete Carbonation Characteristics and Its Relationship with Surface Hardness

HUOHong-lei

(The Fourth Company of China Railway 16th Bureau Group,Beijing 101400,China)

The influence of high fluidity and large amount of mineral admixture concrete carbonation depth on surface hardness was studied by accelerated carbonation test because to rebound method is widely used for testing concrete strength, the microstructure and hydration products of concrete surface was analyzed by XRD、SEM. The result shows that carbonation compacted on surface hardness significantly. The surface hardness can be increased by more than 57% and 21.7% at w/c is 0.58 and 0.35, the surface hardness of fly ash concrete has biggest changes after carbonation. It is also fined that with the surface carbonation of concrete, the structure become more compact.

concrete;carbonation;surface hardness;microstructure

霍洪磊(1981-)，男，工程師.主要從事混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1642-05