矿渣和粉煤灰混凝土的碳化性能

闵 婕，韩静云，宋旭艳

(苏州科技学院土木工程学院，苏州215011)

混凝土碳化是混凝土结构物的耐久性检测指标之一，也是衡量钢筋混凝土结构物使用寿命的重要指标之一。通常情况下，混凝土的碳化是一个有害的化学反应过程。由于混凝土内碱性物质的减少，混凝土碱度降低，破坏混凝土内部的钢筋表面的钝化膜。钢筋接触潮湿的空气，产生类似于原电池的化学反应，从而使得钢筋锈蚀，破坏混凝土的耐久性。目前，大气中二氧化碳浓度约为0.035%，预测到2090年达到0.1%［1］，因此，混凝土碳化是一个不可忽视的问题。

矿渣和粉煤灰作为混凝土的掺合料，本身不具备水化活性或者水化活性较低，需要一些高碱性的物质作为水化的激发剂。因而，当混凝土中掺入矿渣或者粉煤灰时，混凝土内部的水泥熟料首先发生水化反应，生成高碱性的Ca(OH)2等物质，这些物质成为矿渣或粉煤灰水化的激发剂，使混凝土发生二次水化。因此，掺合料的水化降低了混凝土的碱度，使得掺合料混凝土的抗碳化能力显著下降［2］。

目前，针对掺合料混凝土碳化性能的研究已有较多的报道，其中较多研究粉煤灰对混凝土碳化的影响，而矿渣单掺以及粉煤灰与矿渣复掺对混凝土碳化性能的研究尚未完善，并且掺合料的最佳掺量确定也鲜有报道。

本文主要研究单掺及复掺粉煤灰、矿渣两种掺合料对C30混凝土碳化性能的影响，从混凝土掺合料的掺量、掺入方式等影响角度出发，探讨掺合料对混凝土碳化性能的影响，并得出掺合料的最佳掺量范围。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料及配合比

水泥:金峰水泥厂产P.O42.5普通硅酸盐水泥，记作PO;掺合料:磨细Ⅱ级粉煤灰，记作FⅡ;矿粉，记作S;砂:中砂，细度模数为2.46;石子:浙江湖州的花岗岩，5mm～25mm;水:自来水;外加剂:聚羧酸高效减水剂。水泥的物理性能见表1，水泥和掺合料的部分品质指标见表2，表3为C30基准混凝土配合比。

表1 P.O42.5水泥的物理性能

表2 水泥、掺合料的品质指标

表3 C30基准混凝土配合比 /(kg/m3)

1.2 试验方法

基于C30基准混凝土配合比，研究掺合料对混凝土抗压强度以及抗碳化性能的影响。掺合料的影响因素分为品种因素:矿渣、粉煤灰;掺量因素:20%、30%、40%、50%;掺入方式因素:一元单掺、二元复掺。混凝土成型为100mm×100mm×100mm的立方体试块，成型24h后拆模，放入养护室进行标准养护。

混凝土强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002，分别测定基准混凝土与掺合料混凝土3d、28d抗压强度。

混凝土碳化试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》GB/T50082-2009，将试块放入标准养护室养护28d，提前2d取出，在60℃下烘48h，烘干后画线刷蜡，并放入 CO2浓度为(20±3)%，温度为(20±5)℃，相对湿度为(70±3)%的碳化箱中进行碳化试验，碳化时间分别为3d、7d、28d，待每个龄期取出试块进行切片，测其碳化深度。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土强度试验

根据基准混凝土以及掺合料混凝土配合比，参照《普通混凝土配合比设计规程》制作标准制成100×100×100mm试块，分别测定上述各组混凝土3d、28d抗压强度。

试验测得基准混凝土的28d抗压强度为34.3MPa，满足C30混凝土的要求。图1、图2分别为不同掺量矿渣、粉煤灰对C30混凝土抗压强度的影响。图3为同一掺合料时，不同掺量对C30混凝土抗压强度的影响。其中S0为基准混凝土;KF为矿渣、粉煤灰掺量分别为15%、15%的复掺混凝土;K1、K2、K3、K4为矿渣掺量分别为20%、30%、40%、50%的矿渣混凝土;F1、F2、F3、F4 为粉煤灰掺量分别为 20%、30%、40%、50%的粉煤灰混凝土。

由图1、图2可以发现，单掺掺合料混凝土中，掺合料掺量每增加10%，抗压强度下降约2～4MPa，这一点在单掺粉煤灰混凝土中体现地更加明显。由于本试验采用的矿渣本身的水化活性高于Ⅱ级粉煤灰的水化活性，所以在同一龄期下、同一掺量下，矿渣混凝土的抗压强度比粉煤灰混凝土要高很多［3］。

图1 矿渣掺量对C30混凝土抗压强度的影响

图2 粉煤灰掺量对C30混凝土抗压强度的影响

由图3可以发现，在早期(3d)，掺合料混凝土相比基准混凝土，抗压强度最少下降3.3%，在后期(28d)，呈明显上升趋势。这是因为随着掺合料掺量的增加，混凝土中的水泥含量相对降低，而矿渣、或粉煤灰的水化活性比较低，这就使得掺合料混凝土的早期抗压强度会比基准混凝土低，但当养护一定的龄期时，矿渣和粉煤灰会被水泥水化形成的碱性物质激发出活性，发生二次水化反应，从而使得掺合料混凝土后期强度得以提升。

图3 同掺量不同掺合料对C30混凝土抗压强度的影响

当掺合料掺量都是30%时，双掺矿渣和粉煤灰混凝土的抗压强度高于单掺粉煤灰混凝土17.9%，低于单掺矿渣混凝土13.4%。这是因为在复掺混凝土中既有水化活性较低的粉煤灰，又有水化活性较高的矿渣，使得自身的水化活性居于矿渣和粉煤灰之间，从而使得其抗压强度的发展速度居于这两者之间。

2.2 混凝土碳化试验

混凝土抗碳化能力的检测指标是混凝土的碳化深度，图4为10组不同掺和料混凝土在不同碳化龄期时的碳化深度。

图4 C30混凝土碳化深度与碳化龄期关系

从图4中可以看出，无论混凝土掺合料的种类及其掺量，其碳化深度都随碳化龄期的增长而增加。并且当粉煤灰掺量为50%时，碳化龄期为28d时，该粉煤灰混凝土完全碳化，说明粉煤灰作为掺合料时，其掺量不可超过50%。

2.2.1 矿渣对混凝土碳化性能的影响 从矿渣混凝土和基准混凝土的抗压强度来看，矿渣的掺量会影响混凝土抗碳化性能，比较4种不同矿渣掺量的混凝土(K1-K4)和基准混凝土(S0)碳化深度，可得图5。

图5 单掺矿渣混凝土碳化深度与碳化龄期的关系

由图5可以发现，矿渣混凝土的碳化深度随矿渣掺量的增加而增加，即抗碳化能力随矿渣掺量的增加而降低。当矿渣掺量在30%以内时，矿渣混凝土与基准混凝土抗碳化性能基本一致，当矿渣掺量高于30%，低于50%时，碳化深度最多上升28.9%，其抗碳化性能表现为明显下降趋势。就整体趋势而言，单掺矿渣混凝土碳化深度随矿渣掺量的增加而增加，这与单掺矿渣混凝土的抗压强度发展规律保持一致。这是因为当混凝土掺入矿渣时，矿渣水化会消耗混凝土中的碱性物质，混凝土的碱度降低，从而使得混凝土的抗碳化性能下降。

2.2.2 粉煤灰对混凝土碳化性能的影响 与矿渣一样，混凝土中粉煤灰的掺量也会影响混凝土抗碳化性能，比较4种不同粉煤灰掺量的混凝土(F1-F4)和基准混凝土(S0)碳化深度，可得图6。

由图6可以发现，单掺粉煤灰混凝土的抗碳化能力劣于基准混凝土，比起基准混凝土，碳化深度最少上升51.3%。

图6 单掺粉煤灰混凝土碳化深度与碳化龄期的关系

在早期(3d、7d)，粉煤灰掺量每增加10%时，粉煤灰混凝土的碳化深度增加约4mm，在后期(28d)时，碳化深度先随粉煤灰掺量的增加而降低，并于粉煤灰掺量是40%的时候，碳化深度最小，当掺量大于40%时，碳化深度开始增加，但当粉煤灰掺量是50%时，粉煤灰混凝土完全碳化。

2.2.3 矿渣和粉煤灰对混凝土碳化性能的共同影响上述试验结构可以看出，矿渣和粉煤灰都会对混凝土的抗碳化性能产生一定的影响，比较矿渣掺量为30%混凝土、粉煤灰掺量为30%的混凝土、矿渣和粉煤灰以质量比1:1掺入总量是30%的混凝土的碳化深度，可得图7。

图7 掺量为30%的不同掺合料混凝土碳化深度与碳化龄期的关系

从图7可以看出，当掺合料掺量均为30%时，单掺矿渣混凝土抗碳化能力相对复掺矿渣和粉煤灰混凝土提高34.4%，单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力比双掺矿渣和粉煤灰混凝土降低12.0%，这与混凝土抗压强度规律保持一致。

综上所述，同时比较混凝土抗压强度和碳化深度，发现混凝土的抗碳化性能与抗压强度成正比关系，即抗压强度越高，抗碳化性能越好。这是由于混凝土抗压强度越高，则其致密性越好，从而使得其抗碳化能力越好。

在基准混凝土中掺入矿渣和粉煤灰时，不一定会降低掺合料混凝土的抗碳化能力。以掺量而言，每一种掺合料都有一个掺量范围，使得在该掺量范围内的混凝土的抗碳化能力和基准混凝土的抗碳化能力基本保持相同。当矿渣掺量低于30%时，单掺矿渣混凝土的抗碳化能力与基准混凝土基本一致;当粉煤灰掺量在20%～40%之间时，早期粉煤灰混凝土的抗碳化性能和基准混凝土基本一致，后期性能则最少下降51.3%。综合考虑经济因素和抗碳化能力，单掺矿渣的最大掺量建议为30%，单掺粉煤灰的最大掺量可以是40%，但考虑到粉煤灰掺量为40%时，混凝土后期强度严重不足，故建议粉煤灰的最大掺量为30%。

就掺合料种类而言，相同掺量的掺合料，矿渣混凝土相比粉煤灰混凝土，其抗碳化性能最少提高31.5%，这是因为，矿渣的水化活性要高于Ⅱ级粉煤灰，使得在同一龄期时的矿渣混凝土水化程度高于粉煤灰混凝土，达到更加致密的程度，从而提高了混凝土的抗碳化性能［4］。因此，综合考虑混凝土的抗碳化能力和经济性两个方面，矿渣更适合作为混凝土的掺合料。

3 结论

(1)单掺掺合料混凝土中，掺合料掺量每增加10%，抗压强度下降约2～4MPa。在同一龄期下，同掺量混凝土抗压强度大小关系为:矿渣混凝土 ＞矿渣、粉煤灰复掺混凝土 ＞粉煤灰混凝土。

(2)当矿渣掺量在30%以内时，矿渣混凝土与基准混凝土抗碳化性能基本一致，当矿渣掺量高于30%，低于50%时，碳化深度最多上升28.9%，混凝土抗碳化性能表现为明显地下降趋势。单掺粉煤灰混凝土的抗碳化能力劣于基准混凝土，当粉煤灰掺量为50%时，粉煤灰混凝土完全碳化。

(3)当掺合料掺量均为30%时，单掺矿渣混凝土抗碳化能力相对复掺矿渣和粉煤灰混凝土提高34.4%，单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力比复掺矿渣和粉煤灰混凝土降低12.0%，这与混凝土抗压强度规律保持一致。

(4)建议粉煤灰和矿渣的最佳掺量为30%，且矿渣作为掺合料时各性能更佳。

［1］ 衣北宇.空气环境污染对混凝土建构筑物寿命的影响［J］.环境保护科学，2007，33(I):4-7

［2］ 赵方冉，王起才，严捍东.土木工程材料［M］.同济大学出版社，2004.7

［3］ 袁润章.胶凝材料学［M］.武汉理工大学出版社，2009

［4］ 宋华，牛荻涛，李春晖.矿物掺合料混凝土碳化性能试验研究［J］.硅酸盐学报，2009，12(37):2066-2070.