西安地區(qū)預(yù)拌混凝土碳化研究

謝 超 王遠(yuǎn)東 周 蓉 丁紀(jì)壯 吳曉蓮

（1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與軌道交通學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安市政建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

1 引言

有研究表明，氯離子的存在會在一定程度上造成混凝土的腐蝕，但不是混凝土腐蝕的主要原因，混凝土發(fā)生碳化的主要原因是鋼筋的銹蝕。通過對混凝土碳化過程研究可以發(fā)現(xiàn)，材料因素、環(huán)境因素和施工因素是影響混凝土碳化的主要因素。材料因素主要包括水泥品種和用量大小、水膠比、摻合料品種及用量大小、骨料（包括細(xì)骨料和粗骨料）、外加劑種類等。

2 混凝土碳化機(jī)理

水泥是混凝土中的主要組成材料，而水泥熟料的主要礦物成分是硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、鐵鋁酸四鈣（4Ca0·Al2O3·Fe203）和鋁酸三鈣（3CaO·Al203）,另外,還有少量的石膏（CaSO4·2H20)等。主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

從上面的化學(xué)反應(yīng)可以看出，水泥水化產(chǎn)物主要有5種，兩種凝膠（水化硅酸鈣凝膠和水化鐵酸鈣凝膠）、三種晶體（氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體和水化硫鋁酸鈣晶體）。水泥完全水化后,混凝土孔隙水溶液為氫氧化鈣飽和溶液，呈強(qiáng)堿性。混凝土中的氫氧化鈣呈堿性，受到大氣中二氧化碳和水分的作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣，而碳酸鈣呈中性，這就是混凝土的碳化過程?？梢钥闯?，混凝土的碳化使混凝土堿度降低，對混凝土結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用。

3 實(shí)驗(yàn)概況

3.1 原材料

各原材料的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1～5。

表1 水泥試驗(yàn)參數(shù)

表2 粉煤灰試驗(yàn)參數(shù)

表3 礦渣粉試驗(yàn)參數(shù)

表4 砂試驗(yàn)參數(shù)

表5 石子試驗(yàn)參數(shù)

外加劑：聚羧酸高效減水劑。

拌和水：采用西安地區(qū)當(dāng)?shù)氐娘嬘盟?/p>

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用TH-B型混凝土碳化試驗(yàn)箱，箱內(nèi)CO2濃度保持在(20±3)%，相對濕度控制在(70±5)%，溫度控制在(20±2)℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容及測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 實(shí)驗(yàn)方法及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

在碳化試驗(yàn)中，試件為立方體混凝土，邊長為100mm，一組試件有3個(gè)。試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，在實(shí)驗(yàn)前2d把試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出來，烘48h，溫度控制在（60±2）℃。經(jīng)烘干處理后的試件，除留下一個(gè)側(cè)面外，其余五個(gè)表面用加熱的石蠟進(jìn)行密封，然后在暴露側(cè)面上用鉛筆沿長度方向，以10mm間距畫出平行線，作為預(yù)定碳化深度的測量點(diǎn)。本次試驗(yàn)采用TH-B型碳化試驗(yàn)箱。28d碳化實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，取出這些試件并測定這些試件的碳化深度。每組混凝土立方體試件只允許檢驗(yàn)一次，不得多次使用。

3.4 試件尺寸

抗壓強(qiáng)度試件和抗碳化試件尺寸均為100mm×100mm×100mm。

3.5 基本配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)見表7。

表7 混凝土的配合比參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級為C30，在基本配合比的基礎(chǔ)上，摻加不同摻量的摻合料，得到9組配合比，每組配合比取10組試件，第一組為不摻加摻合料，第二組至第五組為單摻粉煤灰，第六組至第九組為雙摻粉煤灰和礦渣粉，在不同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后測試28d齡期的抗壓強(qiáng)度和28d碳化深度。

4.1 摻合料對混凝土碳化性能的影響

混凝土中可以使用的摻合料較多，常用摻合料主要是粉煤灰和礦渣粉，摻加技術(shù)有單摻和雙摻，即單摻粉煤灰和同時(shí)摻加粉煤灰和礦渣粉。針對同一強(qiáng)度等級的混凝土，采用摻合料單摻和雙摻技術(shù)，等量取代水泥用量，調(diào)整摻合料的摻量，分析摻合料對混凝土碳化性能的影響。

4.1.1 單摻粉煤灰摻量對混凝土抗碳化性能的影響

本次試驗(yàn)研究了混凝土在28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下，摻加不同摻量粉煤灰后的抗碳化性能。分析不同摻量的粉煤灰等量取代水泥用量，摻量分別為10%、20%、30%、40%，測定以下三個(gè)方面的數(shù)據(jù)：新拌混凝土的坍落度、硬化混凝土28d抗壓強(qiáng)度、28d碳化深度，通過試驗(yàn)結(jié)果分析粉煤灰不同摻量對混凝土碳化性能的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表8。

從表8可以看出，編號3001不摻摻合料，編號3002～3005單摻粉煤灰，摻量分別為10%、20%、30%、40%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，5組配合比拌和物坍落度在200～215mm，滿足現(xiàn)代泵送混凝土的工作性能要求；C30混凝土28d標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度在30.8～36.0MPa，達(dá)到C30混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的103%～120%，超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%，滿足混凝土強(qiáng)度評定要求。

由表8可知，不摻摻合料的混凝土的碳化深度值均小于該組摻粉煤灰混凝土的碳化深度，說明粉煤灰的摻入在一定程度上降低混凝土抗碳化能力。這是由于混凝土中摻入了粉煤灰，而粉煤灰會發(fā)生火山灰反應(yīng)，結(jié)果降低了混凝土的堿含量，因而摻加粉煤灰的混凝土抗碳化能力比不摻摻合料的混凝土低，且隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化性能降低。但摻量在10%～20%范圍內(nèi)，混凝土碳化深度增加程度很緩慢。因此，雖然粉煤灰等量取代水泥，會降低混凝土的抗碳化性能，但如果把摻量控制在20%以內(nèi)，對混凝土碳化深度影響較小，混凝土碳化增加緩慢。

表8 單摻摻合料影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.2 礦物摻合料雙摻對混凝土抗碳化性能的影響采用不同粉煤灰摻量及礦渣粉摻量組合，粉煤灰和礦渣粉1∶1等量摻入，摻量均為5%、10%、15%、20%，測定新拌混凝土坍落度、硬化混凝土28d抗壓強(qiáng)度及不同齡期的碳化深度，通過試驗(yàn)結(jié)果分析不同礦物摻合料雙摻摻量對混凝土碳化性能的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表9。與單摻試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙摻粉煤灰10%和礦粉10%時(shí)，C30混凝土碳化深度小于單摻20%粉煤灰時(shí)混凝土碳化深度。這說明雙摻粉煤灰和礦粉比單摻具有更好的抗碳化性能。其原因是在摻入一定比例粉煤灰和礦渣粉后，由于它們的顆粒粒徑與水泥顆粒粒徑形成連續(xù)級配梯度，產(chǎn)生微集料效應(yīng)，顆粒之間相互填充，各組成材料緊密堆積。因此，粉料顆粒間的孔隙減少，混凝土更加密實(shí)。由于礦物摻合料的火山灰效應(yīng)，進(jìn)一步水化反應(yīng)使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，CO2難以侵入混凝土內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng)，導(dǎo)致碳化深度降低。因此，雙摻粉煤灰和礦粉比單摻具有更好的抗碳化性能。

表9 雙摻摻合料影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 養(yǎng)護(hù)條件對混凝土碳化性能的影響

本文主要研究四種不同養(yǎng)護(hù)條件對混凝土碳化性能的影響，分別是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d、7d、14d、28d，再分別檢測28d抗壓強(qiáng)度和28d碳化深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 養(yǎng)護(hù)條件影響因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 不同養(yǎng)護(hù)條件對水泥混凝土碳化性能的影響

養(yǎng)護(hù)條件影響膠凝材料水化反應(yīng)進(jìn)程。本次實(shí)驗(yàn)混凝土配制技術(shù)有保證，環(huán)境條件也滿足實(shí)驗(yàn)要求，在此基礎(chǔ)上，提高施工養(yǎng)護(hù)條件，是一種保障混凝土抗碳化性能的有效措施。3001組的試件為不添加摻合料的水泥混凝土，碳化深度隨養(yǎng)護(hù)濕度的增加而減小，抗碳化性能提高，這是因?yàn)榛炷猎缙谠跐穸容^高的條件下養(yǎng)護(hù)有利于形成較致密的微觀結(jié)構(gòu)，可有效提高混凝土抗碳化耐久性。

4.2.2 不同養(yǎng)護(hù)條件對摻粉煤灰混凝土的碳化性能的影響

早期粉煤灰在水泥中的反應(yīng)速率比普通水泥混凝土的反應(yīng)速率低，因此，粉煤灰混凝土比普通混凝土對養(yǎng)護(hù)條件更加敏感，養(yǎng)護(hù)的溫度控制、濕度控制、不同養(yǎng)護(hù)齡期，這些因素會對混凝土抗碳化性能造成很大影響。3002～3005組試塊，粉煤灰的摻量分別為10%、20%、30%、40%，從表9可以看出，混凝土早期在濕度較高的條件下養(yǎng)護(hù)有利于形成較致密的微觀結(jié)構(gòu)，能極大提高混凝土抗碳化耐久性。另外，延長養(yǎng)護(hù)齡期也是提高混凝土抗碳化性能的重要方法之一，延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間有利于膠凝材料的水化，提升混凝土碳化耐久性能，對于摻合料摻量較大的混凝土，早期養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要一定量的延長。粉煤灰混凝土的碳化速度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而減慢，延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間能有效提高混凝土抗碳化性能。

5 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）用等量的粉煤灰代替水泥，會減小混凝土的抗碳化性能，但粉煤灰在20%摻量以內(nèi)，混凝土碳化深度增加比較緩慢。

（2）雙摻粉煤灰和礦粉的抗碳化性能比單摻粉煤灰的抗碳化性能要好。

（3）碳化深度隨養(yǎng)護(hù)濕度的增加而減小，抗碳化性能提高。