水泥强度等级对混凝土碳化耐久性的影响

李 倩，叶 青，2，黄秀弟，俞嘉陈，虞凯凯

LI Qian1，YE Qing1，2，HUANG Xiudi3，YU Jiachen1，YU Kaikai1

(1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州310014;3.绍兴市华冠新型建材有限公司，浙江 绍兴312000)

1 概 述

1989年，我国通过综合调查发现建国初期的大多数建筑已无法满足安全、经济使用50 a 的要求，一般约30年就会大修，而处于严酷环境中的建筑物使用寿命则更短，仅20年左右［1］，其中最主要的原因是这些建筑只按安全性和适用性来设计结构，而忽略了耐久性设计［2］。因此，工程中除了应按强度设计钢筋混凝土结构以外，还须考虑耐久性设计要求。

随着工业的迅猛发展，环境中CO2的浓度(体积分数)持续升高，20 世纪80年代还只有0.03%，而今却有0.04%，据专家分析，到21 世纪下半叶可能上升到0.05%［3］。空气中CO2浓度的提升使混凝土的碳化耐久性急剧下降，给工程造成了严重的经济损失和安全事故［4-6］，因此由碳化导致混凝土结构破坏已列为耐久性的首要问题之一［7］。从20世纪90年代到21 世纪初，我国开始重视重大建筑工程的耐久性问题，并相继完成了一批有关耐久性问题的国家重点工程项目［8］，例如:青藏铁路、香港国际机场、三峡大坝、杭州湾跨海大桥等［9］。

但在一般工程中多数普通建筑仍旧只按强度要求来设计而并未考虑混凝土的耐久性问题，特别是在水泥的选用上盲目大意，胶材中又混入较多的混合材料和矿物掺和料［10］，这些都将使混凝土的碳化耐久性严重降低。基于上述情况，本项目欲研究在标准养护条件下由不同标号的水泥配制的C35 混凝土抗碳化耐久性随矿物掺合料含量的变化规律，揭示水泥强度等级对混凝土抗压强度和抗碳化耐久性的影响。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)水泥:某市售52.5 级普通硅酸盐水泥，其28 d 抗折和抗压强度分别为7.9、55.4 MPa，SO3含量为2.8%，比表面积为345 m2/kg;某市售42.5 级普通硅酸盐水泥，其28 d 抗折和抗压强度分别为7.1、45.5 MPa，SO3含量为2.9%，比表面积为330 m2/kg;水泥的化学成分见表1。

(2)矿渣微粉:杭州当地某炼钢厂矿渣微粉，比表面积为425 m2/kg，其化学成分见表1。

(3)细骨料:由杭州当地某石矿石灰石碎屑和以石英为主的长江细砂混合而成，该混合砂的细度模数为2.6，级配为Ⅱ区，表观密度为2.70 g/cm3，含泥量为2.0%。

(4)粗骨料:杭州当地某碎石，级配为5～31.5 mm，表观密度为2.75 g/cm3，含泥量为0.5%。

(5)泵送剂:采用市售减水率为17%的泵送剂，以萘系减水剂为主，含固量为28% (掺入量以固体计)。

(6)水:自来水。

2.2 配合比的确定

现用42. 5 级普通硅酸盐水泥配制水胶比为0.5、砂率42%的C35 混凝土，用52.5 级普通硅酸盐水泥配制水胶比为0.6、砂率42%的C35 混凝土。混凝土中分别掺入15%、30%、40%和50%的矿渣，减水剂掺量为1.8%，设计坍落度为150～200 mm。配合比见表2。

表1 水泥和矿渣微粉的化学成分(%)

表2 试验用C35 混凝土的配合比及其28 d 抗压强度

2.3 实验步骤

按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T 50080—2002)》测定混凝土拌合物的和易性，按《普通混凝土力学性能试验方法(GB/T 50081—2002)》成型和测定抗压强度，按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法(GB/T 50082—2009)》进行快速碳化实验。实验用100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方体抗压强度试件和100 mm ×100 mm ×300 mm的棱柱体抗碳化试件。将浇筑成型的混凝土试件静停6 h 后移入标准养护室养护，24 h 龄期时拆摸，拆模后继续早期保湿养护至28 d。其中早期保湿养护的温度为(20±2)℃，相对湿度大于95%。

将养护28 d 后的立方体试件表面清除干净，放在压力机压板上，并使试件的中心与下压板中心对准，试件的承压面与成型时的顶面垂直，在试验过程中应连续均匀地加荷，试件压碎时记录抗压强度值。

将养护28 d 后的棱柱体试件在60℃下烘48 h 后用熔化的石蜡对其侧面和一个底面进行密封，放入碳化箱内进行快速碳化试验，当快速碳化至3、7、14、28 d时，分别取出试件，将试件距一端50 mm 处劈裂，封蜡后继续放入碳化箱内进行碳化，切下部分喷上1%的酚酞酒精溶液，并根据变色范围量测其碳化深度。

2.4 主要试验仪器

采用浙江土工仪器厂生产的机械压力机和全自动混凝土碳化试验箱，碳化控制箱内CO2体积分数保持在(20 ±3)%，相对湿度保持在(70 ±5)%［11］，温度保持为(20 ±2)℃。

3 实验结果与分析

3.1 由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的抗压强度比较

由表2 中的抗压强度数据可知:用42.5 或52.5级水泥均可配制C35 混凝土并能满足其配制强度，且当矿渣掺量一定时，两者配制的C35 混凝土28 d抗压强度基本相当。例如，在矿渣掺量分别为0%、15%、30%、40% 和50% 时，其相对比值分别是1.00、0.99、0.99、0.99 和0.97，可见，两种水泥配制的C35 混凝土28 d 抗压强度相差不超过3%。

3.2 由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久性比较

3.2.1 碳化深度实测数据

42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土在不同矿渣掺量和不同快速碳化时间时的碳化深度实测数据见表3。

表3 由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化深度实测数据/mm

3.2.2 碳化深度数据分析C35 混凝土的碳化耐久性

由表3 中的碳化深度数据线性拟合得到的拟合曲线图，见图1、图2。

图1 42.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化深度拟合曲线图

图2 52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化深度拟合曲线图

由图1 和图2 可知，由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的快速碳化深度D 与快速碳化时间t 符合D =kt0.5(R2＞0.95，拟合程度好)的关系式，其中k 为碳化速度系数，且k 随着矿渣掺量的降低而减小。根据碳化速度系数k 可推算C35 混凝土在空气中CO2体积分数为0.04%时的自然环境中完全碳化(即碳化达到混凝土保护层厚度，假设为25 mm)所需的时间，下文称混凝土的碳化耐久年限。

由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化系数和碳化耐久年限见表4。

表4 42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化系数和碳化耐久年限

由表4 可知，在当今CO2体积分数为0.04%的自然环境中，当矿渣掺量分别为0%、15%、30%、40%和50%时，由42.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限均能达到设计使用年限50 a 以上，而由52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限在矿渣掺量超过40%时已不能达到50年。

在矿渣掺量一定的条件下，若以52.5 级水泥配制的C35 混凝土的碳化年限为基准，则42.5 级水泥配制时的碳化年限与基准的相对比值分别为1.36、1.32、1.29、1.25 和1.19，可见用42.5 级水泥配制的C35 混凝土碳化年限更高，至少比52.5 级水泥配制的高15%。

由此可知，当矿渣掺量超过40%时，用52.5 级水泥配制C35 混凝土已达不到设计使用年限50年的要求;当矿渣掺量不超过40%时，用42.5 级水泥或52.5 级水泥配制的C35 混凝土都能超过设计年限50年，但42.5 级水泥配制的C35 混凝土碳化耐久性更好、抗碳化性能更强。

4 讨 论

由于水泥生产工艺和质量的提高，使当今水泥具有细度高、混合材料掺量高、熟料中早强矿物数量多、早期强度发展快的特点，水泥强度也比以往提高1～2 个等级，这有利于配制高强混凝土，但对配制C25～C40 混凝土来讲带来了水灰比大、孔隙率大、耐久性低的问题。此外，为了增大混凝土的抗裂能力、减小水化热和节约成本，拌制混凝土时常掺入15%～40%的矿渣等掺和料，使混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱。再加上当今CO2体积分数持续上升，混凝土的抗碳化能力进一步下降。在上述条件下，实际工程中的钢筋混凝土结构即使强度等级达到了设计要求，但其抗碳化耐久性已经受到了严重的影响，导致大部分结构未达到设计使用年限就提前失效。

当今工程上习惯用52.5 而不是用42.5 级水泥来配制C35 混凝土，导致所配C35 混凝土的水胶比更大，水泥用量更少。由于水胶比大，混凝土内部毛细孔多，致使混凝土碳化深度大［12］;水泥用量减少，混凝土密实度下降，碳化速度加快［13］，导致抗碳化能力小。因此，用52.5 级水泥配制的C35 混凝土的抗碳化耐久性大大降低。以本研究数据为例，在矿渣掺量达到50%时，由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土自然碳化(空气中CO2体积分数以0.04%计)达到保护层厚度(25 mm)所需时间分别为53.3年和44.7年，相差将近9年。可见，用42.5 级水泥配制C35 混凝土的抗碳化能力比用52.5 级水泥配制时更强。

5 结 语

由42.5 或52.5 级水泥配制的C35 混凝土的28 d 抗压强度基本相等，相差不超过3%;但其抗碳化能力差异较大，在CO2体积分数为0.04%的条件下，用42.5 级水泥配制的C35 混凝土碳化年限更长，至少大于用52.5 级水泥配制时的15%。

C35 混凝土的快速碳化深度D 与快速碳化时间t 符合D=kt0.5(R2＞0.95，拟合程度好)的关系式，且碳化速度系数k 随着矿渣掺量的降低而减小。当矿渣掺量超过40%时，用52.5 级水泥配制的C35混凝土已无法保证设计使用年限50 a 的要求。

在当今C25～C40 混凝土工程中面临水泥强度较高、水灰比较大、胶材中混合材料和矿物掺和料较多等不良情况，导致混凝土的抗碳化能力严重下降。为充分考虑钢筋混凝土结构的强度设计和耐久性设计，建议优先选用42.5 级水泥来配制C35 混凝土。

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