高鈦型高爐渣混凝土碳化深度試驗研究

汪 杰，李 根，梁月華*，干 斌，趙 翼

（1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000；2.中國十九冶集團有限公司，四川 攀枝花 617000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 宜賓 643002）

0 引言

自工業(yè)革命以來，地球大氣中的CO2濃度不斷增加，到2019 年更是達到了歷史最高水平（0.041 526%）。空氣中CO2濃度不斷增加，將加速混凝土碳化，從而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋受到侵蝕，造成結(jié)構(gòu)耐久性失效[1]。

攀枝花地區(qū)由于攀鋼持續(xù)產(chǎn)出高鈦型高爐渣這一工業(yè)固廢，并大宗存積。經(jīng)過不斷深入研究[2-7]，其已作為混凝土粗細骨料廣泛應用于攀枝花工程建設領域，針對這一地區(qū)特有的混凝土材料，對其開展耐久性研究在本地區(qū)工程建設安全上顯得尤為重要和迫在眉睫。

二氧化碳與混凝土中氫氧化鈣發(fā)生化學反應，混凝土堿性降低的過程叫做混凝土碳化。主要反應如式(1)～(3)[8]所示：

現(xiàn)有對普通混凝土碳化深度的影響的研究較為深入[9-10]，但針對髙鈦型高爐渣混凝土碳化的研究還很少。李久存等[11]采用快速碳化及劈裂抗拉強度試驗研究水膠比、鋼纖維及碳化齡期等參數(shù)對鋼纖維混凝土抗碳化性能和劈裂性能的影響規(guī)律。張揚等[12]對不同水膠比、粉煤灰摻量、水泥摻量對混凝土碳化速率的影響進行了研究，得出水膠比和粉煤灰量越大，混凝土越容易碳化，水泥摻量越大，混凝土越難碳化。張令茂[13]對普通水泥混凝土和摻粉煤灰水泥混凝土開展了自然環(huán)境碳化10 年的碳化試驗研究，并從微觀形貌上對其進行了分析。宋華等[14]對不同水膠比、摻合料類型、摻量混凝土進行了碳化深度規(guī)律試驗研究，得到合理設計的復合摻合料，能提高混凝土的抗碳化能力。黃鐘暉等[15]對高性能鐵尾礦摻量對再生混凝土碳化后力學性能的影響進行了研究。張文俊等[16]對不同水灰比、油菜秸稈纖維長度、油菜秸稈纖維體積摻量混凝土抗碳化能力進行了試驗研究，研究表明合理的摻量和長度能有效改善混凝土的抗碳化性能。李林澤等[17]通過對攀枝花現(xiàn)有的不同年代高鈦型高爐渣混凝土的碳化深度進行實測，研究了碳化深度與碳化時間之間的關系，該研究選擇的高鈦型高爐渣混凝土工況是在自然環(huán)境中隨著時間的推移，混凝土發(fā)生碳化，未考慮溫度、濕度、二氧化碳濃度等相關自然環(huán)境指標并進行統(tǒng)計量化，也就是說該研究的碳化環(huán)境是不明確的、且碳化數(shù)據(jù)離散型大，規(guī)律性不強。高鈦型高爐渣混凝土碳化機理與普通混凝土一致，都是二氧化碳在混凝土中的擴散和侵蝕。二氧化碳在混凝土中擴散符合Fick 第一定律，二氧化碳在混凝土中的擴散能力受二氧化碳濃度、溫度、濕度、混凝土強度等因素影響。筆者在Fick 第一定律基礎上，通過對不同強度等級高鈦型高爐渣混凝土在GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規(guī)定環(huán)境下加速碳化不同時間的樣本進行碳化深度和強度測定，分析了不同強度和碳化時間下高鈦型高爐渣混凝土的碳化規(guī)律，建立了方便工程應用的以混凝土立方體抗壓強度為主要參數(shù)，綜合考慮環(huán)境溫度、濕度和CO2濃度等氣候條件的混凝土碳化速度預測模型。

1 試驗研究

1.1 方案設計

為研究不同強度等級高鈦型高爐渣混凝土在標準環(huán)境下加速碳化不同時間對碳化深度的影響。方案設定環(huán)境條件為定量，取混凝土強度等級和加速碳化時間為變量，混凝土加速碳化環(huán)境為GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規(guī)定環(huán)境，即，溫度：20 ℃±2 ℃，濕度：70%±3% RH，二氧化碳濃度：20%±2%?；炷猎O計強度分別為C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50，加速碳化時間選擇3、7、14、28 d。

1.2 試驗實施

為貼近生產(chǎn)，選用攀枝花市某商品混凝土公司的全高鈦型高爐渣集料（粗細集料均為高鈦型高爐渣）混凝土（泵送）配合比（如表1 所示）制備強度等級為C20～C50，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準混凝土試塊。拆模后在飽水條件下養(yǎng)護14 d，自然條件下養(yǎng)護14 d，然后按GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中碳化試驗要求進行加速碳化，用濃度為1%的酚酞酒精溶液測定高鈦型高爐渣混凝土加速碳化3、7、14、28 d 樣本的碳化深度，并按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定強度?；炷良铀偬蓟囼炄鐖D1 所示、碳化后的混凝土如圖2 所示。

圖1 混凝土標準環(huán)境加速碳化試驗Fig.1 Accelerated carbonation test of concrete in standard environment

圖2 混凝土碳化狀況Fig.2 Carbonation of concrete

表1 全高鈦型高爐渣集料混凝土（泵送）配合比Table 1 Blend ratio of full high-titanium furnace slag aggregate concrete (pumping)kg/m3

1.3 試驗結(jié)果與分析

C20～C50 高鈦型高爐渣混凝土在標準環(huán)境下加速碳化不同時間的碳化深度（X）和混凝土抗壓強度標準值(fcuk)如表2 所示，碳化深度與混凝土抗壓強度之間關系曲線如圖3 所示，碳化深度與碳化時間之間的關系曲線如圖4 所示。

圖3 混凝土碳化深度與混凝土強度關系曲線Fig.3 Relationship between concrete carbonation depth and concrete strength

圖4 混凝土碳化深度與時間關系曲線Fig.4 Relationship between concrete carbonation depth and time

表2 混凝土碳化深度及強度值Table 2 Carbonation depth and strength of concrete

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知：當高鈦型高爐渣混凝土強度較低時，如C20（fcuk=25.96 MPa）混凝土加速碳化3、7、14、28 d，碳化深度分別為14、16、22.5、25 mm，低強度混凝土較易碳化，在加速碳化環(huán)境下碳化明顯，且隨著碳化時間的增加，碳化深度增加明顯。

當高鈦型高爐渣混凝土強度低于C40（fcuk≤53.12 MPa）時，高鈦型高爐渣混凝土碳化規(guī)律與普通碎石混凝土類似，在標準碳化環(huán)境下，相同強度等級的混凝土隨著加速碳化時間的增長，碳化深度加大；碳化時間相同的情況下，隨著混凝土強度的增加，混凝土碳化深度成遞減趨勢。

當強度為C45（fcuk=62.01 MPa）時，高鈦型高爐渣混凝土較難碳化，在標準碳化環(huán)境下，高鈦型高爐渣混凝土隨碳化時間的增長，加速碳化作用不明顯，加速碳化到14 d 時碳化深度為0.5 mm，28 d 時碳化深度為1.5 mm，此時強度范圍碳化回歸方程：X（C45）=0.001 2t2+0.024 7t-0.136 4，R2=0.990 2；t為加速碳化時間，d；R2為擬合程度指標。

當高鈦型高爐渣混凝土強度為C50（fcuk=64.85 MPa）時，在標準碳化環(huán)境下，高鈦型高爐渣混凝土很難被CO2侵蝕，加速碳化28 d 碳化深度依然為0 mm。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可推測，當高鈦型高爐渣混凝土強度大于C50（fcuk＞64.85 MPa）時，混凝土極難碳化，在標準碳化環(huán)境下加速碳化28 d 的碳化深度為0 mm。

2 混凝土碳化模型

通過對混凝土碳化機理分析，學術(shù)界比較認可的是基于Fick 第一定律的擴散理論[18-27]，基于Fick第一定律可得混凝土碳化基本模型[13，27-29]如式（4）所示:

式中，X為碳化深度，t為碳化時間，k為考慮混凝土綜合質(zhì)量、二氧化碳濃度的影響系數(shù)?；炷恋奶蓟旧鲜荂O2在混凝土中擴散、侵蝕，碳化深度與碳化時間的平方根成正比。

高鈦型高爐渣混凝土的碳化同普通混凝土一樣，主要受內(nèi)在因素和外部因素的影響，內(nèi)在因素主要為：組成混凝土的砂、石、水泥等材料特性和配合比，反映混凝土的綜合質(zhì)量，可用混凝土強度表征；外部因素主要是指混凝土所處的碳化環(huán)境，即溫度、濕度、CO2濃度等?；诨炷翉姸?、碳化時間建立模型，如公式（5）所示。

kCO2為CO2濃度影響系數(shù)；C1為環(huán)境中CO2濃度；kC為混凝土強度影響系數(shù)。

通過對上述數(shù)據(jù)進行分析，C20～C40（25.96 MPa≤fcuk≤53.12 MPa）強度等級范圍內(nèi)，高鈦型高爐渣混凝土碳化深度與公式（5）所示理論模型符合性更高，對其抗壓強度值與碳化時間、碳化深度等相關數(shù)據(jù)進行分析、擬合，可得公式（7）所示的碳化模型中混凝土強度影響系數(shù)kC與混凝土抗壓強度值fcuk之間的關系，擬合關系曲線如圖5 所示，隨著強度fcuk的增大，混凝土強度影響系數(shù)kC越小，即混凝土強度越高，碳化越不明顯。

圖5 混凝土抗壓強度值與碳化強度影響系數(shù)關系曲線Fig.5 Influence coefficient curve of concrete compressive strength and carbonization strength

3 結(jié)論

通過深入分析混凝土碳化理論，結(jié)合高鈦型高爐渣混凝土標準環(huán)境下加速碳化試驗，得到如下結(jié)論：

fcuk≥64.85 MPa 時，高鈦型高爐渣混凝土很難被CO2侵蝕而碳化。

53.12 MPa≤fcuk≤64.85 MPa 時，高鈦型高爐渣混凝土碳化現(xiàn)象較弱。

25.96 MPa≤fcuk≤53.12 MPa 時，高鈦型高爐渣混凝土碳化規(guī)律明顯；混凝土強度一定時，碳化深度隨碳化時間的增長而加深；碳化時間一定時，混凝土碳化深度隨強度的增加而減少。

基于Fick 第一定律的混凝土強度碳化深度模型預測與實際吻合。