寒冷地区混凝土抗碳化性能的研究

武银君

（内蒙古自治区锡林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，宝昌027000）

随着我国经济建设的不断发展，城镇道路、高速公路和高速铁路等基础建设项目越来越多，道路和桥梁混凝土结构的耐久性也越来越受重视。在锡林浩特地区，正在建设中的G16丹锡高速 （丹东—锡林浩特 ）、赤峰—锡林浩特高速公路、207国道和303国道都穿过锡林浩特市。这些道路与桥梁在寒冷地区易受到冻融和碳化作用，影响其使用寿命。

锡林浩特位于我国华北西北部，属中温带半干旱大陆性季风气候区，无霜期短，结冰期长达5个月，寒冷期长达7个月，1月气温最低，平均－19℃，年平均气温只有1.7℃，为华北最冷的地区之一。据资料显示，寒冷地区冻害是道路、桥梁等混凝土过早破坏的最主要原因之一，撒除冰盐路面或遭遇海水等盐浸环境则会加剧混凝土剥蚀和内部钢筋锈蚀［1－2］。而在一般大气环境条件下，混凝土碳化是钢筋锈蚀的重要前提条件。钢筋不断的锈蚀促使混凝土保护层开裂，产生顺钢筋裂缝和剥落，导致粘结力减小、钢筋受力面减小、结构耐久性和承载力降低等不良后果［3－4］。因此，寒冷地区混凝土结构除应具有良好的抗冻融循环性能外，还应具有良好的抗碳化性能。文中结合锡林浩特地区某高速公路桥梁混凝土施工的特点，在施工现场取料，制备了一系列混凝土试件，并与实验室制备的研究试件一起，进行了冻融与碳化交替作用实验来评估混凝土的耐久性能。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：冀东阿巴嘎旗有限责任公司生产的P.O42.5和P.O52.5水泥，前者用于配制C30混凝土（灌注桩、承台和桥墩），后者用于配制C50桥梁混凝土。两种水泥的物理性能如表1，质量满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

粗骨料：粗骨料为5～25mm连续级配，Ⅱ类碎石，最大粒径25mm，含泥量0.37%，泥块含量0.15%，针片状含量3.2%，压碎指标18.2%，所检项目符合GB／T 14685—2011《建设用卵石、碎石》标准要求。

细骨料：细骨料为Ⅱ区Ⅱ类天然砂，细度模数3.0，含泥量1.3%，泥块含量0.3%，氯离子含量0.007%，所检项目符合GB／T 14684—2011《建设用砂》标准要求。

粉煤灰：用作混凝土掺合料的粉煤灰为F类I级灰，有关化学成分及物理性能如表2，其质量满足GB 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准要求。

表2 粉煤灰化学成分及物理性能

高性能聚羧酸减水剂与水：减水剂采用山西桑穆斯建材化工有限公司生产的高性能聚羧酸减水剂，液态，固含量20.4%，减水率27%（对胶凝材料掺量1.0%），减水剂性能满足GB 8076—2008《混凝土外加剂》所规定的标准型指标要求。混凝土拌合用水和养护用水均采用本地自来水，水质满足JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求。

1.2 配合比

本研究的混凝土主要有两个强度等级，即C30混凝土与C50混凝土，试件的制备来自施工现场与实验室，C30与C50混凝土配合比分别如表3和表4。

表3 C30混凝土配合比

表4 C50混凝土配合比

1.3 试验方法

试验方案分3组进行。第1组只进行冻融循环试验，第2组进行冻融与碳化交替试验，第3组只进行碳化试验。每个编号需成型6条试件尺寸为100mm×100mm×400mm（用于第1组与第2组试验），9块试件尺寸为150mm×150mm×150mm（用于第3组试验与抗压强度试验）。

试验条件：第1组冻融循环次数为200次；第2组试验采用每冻融25次后碳化1d，共冻融200次，碳化8d；第3组试验碳化8d。碳化箱中CO2质量分数为10%，温度均为（20±2）℃，相对湿度设为75%。试验参照GB／T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。

混凝土经25次冻融循环后，采用相对动弹性模量和质量损失进行表征；混凝土经碳化后，测定其碳化深度。

2 结果与分析

2.1 冻融循环单一作用下混凝土性能

在冻融循环单一作用下，不同粉煤灰掺量对不同水胶比的混凝土，其经过相同冻融循环后，混凝土的质量损失率与相对动弹性模量变化是不同的。图1是C30强度等级混凝土冻融后质量损失与相对动弹性模量变化情况。由图1可以看出，没有掺粉煤灰的混凝土试件（P0）抗冻融性能最差，试件P2抗冻融性能最好。随着粉煤灰掺量由0%、10%、20%变化，混凝土的抗冻融性能越来越好，而掺30%粉煤灰的混凝土（P3）还要比没有掺粉煤灰的混凝土试件（P0）抗冻融性能强一些。图2是C50混凝土经冻融循环后质量损失与相对动弹性模量变化情况。从图2可以看出，冻融后，试件M2抗冻融性能最好，掺粉煤灰的混凝土变化趋势与图1相一致，但由于混凝土的强度较高，质量损失与相对动弹性模量都要较C30混凝土小。值得注意是，无论是C30混凝土，还是C50混凝土，混凝土刚开始冻融时，质量损失与相对动弹性模量变化较小，有的甚至没有变化，随着冻融循环次数的增加，尤其经150次冻融循环后，质量损失与相对动弹性模量变化都相当大［5］。

上述的实验结果表明，在混凝土中掺入10%～20%适量粉煤灰可以提高混凝土的抗冻融性能，而当粉煤灰掺量为30%时，混凝土的抗冻融性能又降低，这一结论与张誉等人［5－6］的试验结果一致。有一点是可以肯定的，对掺粉煤灰的混凝土，只要加入适量的引气剂（混凝土含气量≥4.0%），混凝土的抗冻性能就能得到提高。

2.2 碳化单一作用下的性能

混凝土试件经28d标准养护后，再经8d的碳化实验，其碳化深度如表5所示。从表5可以看出，无论是C30混凝土，还是C50混凝土，随粉煤灰掺量增加，混凝土的碳化深度越来越大，当粉煤灰掺量为30%时，混凝土的碳化深度最大，即混凝土抗碳化能力最差。水胶比越小（混凝土强度越高），混凝土抗碳化能力越强。

表5 混凝土碳化深度

2.3 冻融与碳化交替作用下的性能

混凝土试件（P系列M系列）经过冻融与碳化交替后，相对动弹性模量变化较单一冻融循环变化幅度要小，变化趋势与图1和图2相似。主要是因为混凝土碳化作用后，其内部变得更加致密，毛细孔数量减少，而毛细孔是混凝土冻融破坏的主要渠道。表6是混凝土试件经冻融与碳化交替作用后，混凝土的碳化深度。从表中可以看出，较单一的碳化作用相比，混凝土的碳化深度加大了许多，尤其是低强度等级的P系列混凝土，经冻融与碳化交替作用后，碳化深度成倍增加，即混凝土的抗碳化性能急剧下降；对强度等级较高的M系列混凝土而言，碳化深度增加的幅度较缓，但粉煤灰掺量较高的M3试件，碳化深度也较大。这说明，在冻融与碳化交替作用下，在混凝土中掺入大量粉煤灰（≥30%），对其抗冻融性能与抗碳化性能都影响较大，而适量掺入粉煤灰（10%～20%），有利于提高混凝土的抗冻融性能，对抗碳化性能影响较小。总之，该实验说明，实际工程中的混凝土在冻融与碳化双重作用下，混凝土的抗冻融性能是有改善的，但混凝土的抗碳化性能急剧下降。

表6 混凝土经冻融与碳化交替作用后的碳化深度

3 结 论

a.在混凝土中掺入适量（10%～20%）粉煤灰可以提高混凝土的抗冻融性能，大掺量粉煤灰（≥30%）对混凝土的抗冻融性能与抗碳化性能都不利。

b.混凝土的强度越高，抗冻融与抗碳化性能越好。混凝土抗冻融性能的变化规律是：刚开始冻融时，混凝土的相对动弹性模量和质量损失变化很小，甚至没有变化，经过150次冻融循环后，相对动弹性模量和质量损失变化幅度明显加大。

c.混凝土经冻融与碳化交替作用后，其抗冻融性能有所改善，但对混凝土抗碳化性能极为不利。

［1］ 蒋林华，那彬彬.冻融与碳化交替作用下的混凝土性能试验［J］.水利水电科技进展，2012（8）：33－36.

［2］ 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性［M］.科学出版社，2002.

［3］ 宋 华，牛荻涛，王国宾.矿物掺合料混凝土碳化性能试验研究［J］.硅酸盐学报，2009，37（12）：2006－2070.

［4］ 邓会江，田正宏.冻融—碳化交替作用下混凝土耐久性试验分析［J］.混凝土技术，2012（4）：62－66.

［5］ 周万良，方坤河，詹炳根.掺粉煤灰、矿粉混凝土抗碳化性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2012（12）：14－19.

［6］ 张 誉，蒋利学.混凝土结构耐久性概论［M］.上海科学技术出版社，2003.