礦物摻合料對混凝土碳化深度的影響

李曉峰 胡 毅 高世孝

(1.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001； 2.山西華建建筑工程檢測有限公司，山西 太原 030001)

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礦物摻合料對混凝土碳化深度的影響

李曉峰1胡 毅2高世孝2

(1.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001； 2.山西華建建筑工程檢測有限公司，山西 太原 030001)

通過建立混凝土碳化深度理論模型，研究了混凝土用粉煤灰、礦渣粉、鋼渣粉摻合料的量值變化對混凝土碳化深度的影響，并綜合考慮環(huán)境溫度、相對濕度、CO2濃度、混凝土水膠比等因素，提出了控制混凝土碳化深度發(fā)展的有效途徑。

混凝土碳化，粉煤灰，礦渣粉，鋼渣粉

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國混凝土生產(chǎn)和使用量目前已成為全球量能最大，但近兩年我國常態(tài)化、去產(chǎn)能、側(cè)供改等政策的出臺，混凝土的發(fā)展也趨于綠色、節(jié)能、高性能，特別是住房城鄉(xiāng)建設(shè)部《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》的頒布，混凝土的高耐久性成為一個熱點詞語，而混凝土碳化深度為考核混凝土耐久性的重要指標(biāo)，也越來越引起廣大混凝土從業(yè)人員的重視。本研究根據(jù)CO2在混凝土中的擴散規(guī)律以及可碳化物質(zhì)守恒定律，改變摻合料的摻加量，結(jié)合相關(guān)混凝土試驗，驗證了混凝土碳化深度的主要相關(guān)因素及其影響規(guī)律。

1 混凝土碳化深度理論模型

混凝土碳化主要指環(huán)境空氣中CO2在混凝土內(nèi)部進行擴散，與混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2進行酸堿中和反應(yīng)，使混凝土的堿性環(huán)境發(fā)生根本性的變化，轉(zhuǎn)化為中性環(huán)境，在用酚酞溶液測試時酚酞指示劑不變色?；炷撂蓟瘯档突炷帘Ｗo層對鋼筋良好的保護作用，當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋保護層時，鋼筋開始生銹。因混凝土由堿性變?yōu)橹行裕炷量兹芤褐袣潆x子數(shù)量會增加對鋼筋的銹蝕作用，從而影響混凝土的耐久性。

鑒于此混凝土碳化的定義理論，故一般情況下單位時間內(nèi)擴散進入混凝土中的CO2的量等于參與碳化所消耗的CO2的量，也就是混凝土碳化中的CO2質(zhì)量平衡原理。同時混凝土中的量由外到里呈近似線性分布的由高到低的客觀狀態(tài)，其擴散系數(shù)與混凝土水膠比、砂石骨料、水泥、摻合料品種、外加劑、溫度、濕度、碳化反應(yīng)速率等。在高溫與高濕的外界條件下，根據(jù)布朗運動原理，混凝土中的擴散速度一定是較低溫干燥的外界環(huán)境要快，我國南、北方的混凝土碳化速度是有區(qū)別的，同時，空氣里的CO2含量是客觀存在，體積濃度基本為空氣的0.03%，故僅僅考慮混凝土表面的CO2濃度和CO2擴散系數(shù)時，可用式(1)來表示混凝土碳化深度:

(1)

2 試驗方案

2.1 試驗材料

水泥為山西冀東雙良鼎新水泥公司P.O42.5級水泥；5mm～26.5mm連續(xù)級配，且級配良好的太原鎮(zhèn)成碎石；豆羅砂與破碎石灰石砂5∶5；外加劑采用山西黃河新型化工有限公司HJSX-A聚羧酸系高性能減水劑；太原二電廠Ⅱ級粉煤灰；山西中科S95礦渣粉；太鋼一級鋼渣粉；拌合用水為太原市飲用自來水。

2.2 試驗驗證

1)膠材為水泥的不同強度等級混凝土碳化深度。為了驗證不同強度等級的混凝土因密實度差異，其60d碳化深度的區(qū)別，課題組將膠材為水泥的混凝土按強度等級C25～C50進行配制，養(yǎng)護條件為室外同條件養(yǎng)護，室外溫度變化范圍15 ℃～26 ℃，相對濕度30RH～50RH，觀察其60d碳化深度，具體試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。由試驗結(jié)果可見，隨著混凝土水膠比的減小，混凝土的碳化深度在逐漸降低，原因是混凝土內(nèi)部微小的毛細(xì)孔隨著混凝土強度等級的提高在逐漸減少，CO2主要擴散的通道為混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔，較少毛細(xì)孔的數(shù)量可有效控制混凝土碳化的發(fā)展。

表1 不同強度等級混凝土碳化深度對比 mm

2)膠材為水泥與摻合物的C30混凝土碳化深度。改變膠材中水泥、粉煤灰、礦渣粉、鋼渣粉的摻量，將摻合料的比例控制在0%～30%范圍內(nèi)，養(yǎng)護條件為室外同條件養(yǎng)護，室外溫度變化范圍15 ℃～26 ℃，相對濕度30 RH～50 RH，觀察其60 d碳化深度，具體試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。由試驗結(jié)果可見，隨著摻合料比例的增加，混凝土碳化深度在快速增大，摻合料品種的不同，碳化深度也存在明顯的不同，其中摻加粉煤灰時，混凝土碳化發(fā)展較快，摻加礦渣粉時碳化發(fā)展較慢，究其原因是三種摻合料中粉煤灰細(xì)度相對較粗，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔存在較多；礦渣粉細(xì)度相對較細(xì)，且礦渣粉自身也存在部分，不僅降低了毛細(xì)孔的數(shù)量，且對混凝土中的堿系統(tǒng)有所補充，所以碳化發(fā)展相對較慢；鋼渣粉介于兩者之間。同時通過表1和表2的對比發(fā)現(xiàn)：在總膠材量不變的情況下，膠材中摻加摻合料時，混凝土的碳化發(fā)展比膠材僅為水泥時發(fā)展更快，究其原因是摻合料的摻入降低了水泥用量，混凝土中Ca(OH)2的量也相對減少，可碳化物質(zhì)減少，混凝土中性化較快，導(dǎo)致了CO2在混凝土內(nèi)部的快速擴散，同時摻合料的二次水化會消耗部分可碳化物質(zhì)，進一步降低混凝土的抗碳化能力。

表2 摻合料替代部分水泥后C30混凝土碳化深度對比

3)混凝土表面介質(zhì)環(huán)境不同對碳化深度的影響。選用膠材為水泥的C30混凝土試驗外表面涂刷混凝土養(yǎng)護劑和在相對濕度為80 RH時的60 d碳化發(fā)展情況，試驗結(jié)果見表3，由表3可知，在混凝土表面涂刷養(yǎng)護劑后其碳化深度明顯降低，在濕度較大的環(huán)境里混凝土碳化明顯較快。由此可見混凝土的外部介質(zhì)環(huán)境對混凝土的碳化也具有明顯的抑制或促進作用，做好混凝土表面毛細(xì)孔封閉減少混凝土在潮濕環(huán)境里的時間也能減少碳化，提高混凝土耐久性。

表3 混凝土表面介質(zhì)不同碳化深度對比 mm

3 分析與結(jié)論

通過對不同強度等級的混凝土、不同摻量的摻合料、不同介質(zhì)環(huán)境的混凝土碳化深度的試驗驗證，可以看出混凝土的碳化發(fā)展程度是由混凝土本身及外部環(huán)境影響共同作用的綜合結(jié)果，為避免混凝土碳化過快要做好以下措施：1)盡量采用活性較好的摻合料，以補充混凝土碳化所需要的堿性物質(zhì)。2)盡量選用細(xì)度較好的摻合料，以減少混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔，降低混凝土的CO2擴散系數(shù)。3)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量選用強度等級不小于C30的混凝土。4)混凝土結(jié)構(gòu)施工拆除模板后，要采用封閉性較好的養(yǎng)護劑進行養(yǎng)護，以降低混凝土碳化速度。5)潮濕的環(huán)境對混凝土碳化的速度有極大的影響，尤其是地下水中電解質(zhì)較強的環(huán)境，應(yīng)引起重視。

[1] 楊綠峰，成 荻，劉才勇，等.礦物摻合料混凝土碳化分析的實用預(yù)測模型[J].混凝土，2016(7)：79-83.

The influence of mineral admixtures to concrete carbonation depth

Li Xiaofeng1Hu Yi2Gao Shixiao2

(1.ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China; 2.ShanxiHuajianConstructionEngineeringTestingLimitedCompany,Taiyuan030001,China)

Through the establishment of concrete carbonation depth theoretical model, researched the influence of concrete with fly ash, slag powder, steel slag powder admixtures quantity value to concrete carbonation depth, and considering the environmental temperature, relative humidity, CO2concentration, concrete water cement ratio other factors, proposed the effective ways to control the concrete depth carbonation development.

concrete carbonation, fly ash, slag powder, steel slag powder

1009-6825(2016)24-0121-02

2016-06-17

李曉峰(1974- )，男，工程師； 胡 毅(1989- )，男，助理工程師； 高世孝(1993- )，男，助理工程師

TU502

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