不同种类混凝土抗碳化性能的影响因素研究

任妍妍

(河北省交通运输厅 公路管理局，河北 石家庄 050000)

0 前言

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳通过毛细孔扩散到混凝土内部，与水泥的水化产物之间发生物理化学反应，形成碳酸钙的过程［1］。碳化使混凝土的pH 值降低，酸性增强，破坏了钢筋表面的钝化膜，为钢筋腐蚀提供了条件［2］，所以研究混凝土的抗碳化性能对混凝土结构而言具有重要意义。对混凝土抗碳化性能，国内学者主要研究了纤维［2］、水泥细度［3］和粉煤灰［4］等对混凝土碳化性能的影响。但是对于不同种水泥制备的混凝土的碳化性能对比研究至今很少，基于此，本文以硅酸盐水泥混凝土和矿渣水泥混凝土为例，对比研究了水灰比、水泥用量和粉煤灰掺量等因素对两种混凝土碳化性能的影响，为进一步研究混凝土的碳化性能提供理论参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

硅酸盐水泥选用重庆小南海水泥厂生产的P.O42.5 水泥，矿渣水泥选用重庆秦阳水泥厂生产的425#矿渣水泥，其主要化学成分见表1;粉煤灰选用新疆天山电力玛纳斯发电厂的Ⅰ级灰，比表面积为655 m2/kg;细集料采用普通中砂，细度模数为2.75，含泥量符合相关要求;粗集料为5 ～25 mm 连续级配碎石;外加剂选用聚羧酸系减水剂。进行配合比设计时，控制粗集料含量为509 kg/m3，细集料含量为796 kg/m3，砂率为45%不变，添加1.2%的减水剂，通过变化水灰比和水泥用量得到不同情况下轻骨料混凝土的配合比。

表1 水泥的材料组成 %

1.2 试验方法

两种混凝土的碳化试验均按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，试验工程中控制CO2浓度范围为17% ～23%，湿度为65% ～75%，温度在15 ～25 ℃之间。

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对抗碳化性能的影响

测定不同水灰比下，两种混凝土在不同龄期的碳化深度，研究水灰比对两种混凝土碳化性能的影响，试验结果见图1。

图1 水灰比对水泥混凝土碳化深度的影响

从图1 可以看出，两种混凝土碳化深度随水灰比的变化规律并不相同，其中硅酸盐水泥混凝土的碳化深度随着水灰比的增大逐渐减小，但当水灰比大于0.50 时，再增大水灰比反而使28 d 的碳化深度增大，例如，当水灰比由0.40 增大到0.50 时，28 d 的碳化深度由30.1 mm 降低为6.4 mm，再增大水灰比至0.55 时，碳化深度反而升高为9.1 mm。矿渣水泥混凝土的碳化深度随着水灰比的增大逐渐增大，例如当水灰比由0.35 增大至0.45 和0.50 时，28 d 的碳化深度分别由0 mm 增大为3.7 mm 和4.7 mm。这主要是因为，硅酸盐水泥中由水泥水化生成的Ca(OH)2的量多于矿渣水泥，因此当水灰比小于0.50 时随着水灰比的增大，硅酸盐水泥的水化作用加强，生成的Ca(OH)2逐渐增多，Ca(OH)2凝胶体填充在混凝土内部的孔隙之中使密实度增大，因此混凝土抗碳化性能提高，碳化深度减小，而当水灰比大于0.50 时，再增大水灰比使混凝土内部自由水分含量增多，自由水分蒸发使混凝土内部出现大量毛细孔，混凝土密实度反而降低，因此碳化深度有所增加。而矿渣水泥混凝土中由水泥水化生成的Ca(OH)2量本来较小，Ca(OH)2对孔隙的填充作用小于自由水分蒸发引起的孔隙率升高值，因此随着水灰比的增大，矿渣水泥混凝土的碳化深度逐渐增大。

当水灰比一定时，碳化时间越长，混凝土的碳化深度越大，其中，当水灰比为0.50 时，硅酸盐水泥混凝土7 d 之后碳化深度随碳化时间的变化不明显，例如水灰比为0.50 时，7、14、28 d 的碳化深度依次为5.7、5.9、6.4 mm。当水灰比小于0.40 时，矿渣水泥混凝土几乎不发生碳化破坏，而当水灰比大于0.45 时，矿渣水泥混凝土7 d 以内的碳化深度急剧增大。

2.2 水泥用量对抗碳化性能的影响

控制水灰比为0.5，当水泥用量分别为350、400、450、500 kg/m3时，测定硅酸盐水泥混凝土在不同龄期(3、7、14、28 d)时的碳化深度，研究水泥用量对硅酸盐水泥混凝土碳化性能的影响，试验结果见图2。

图2 水泥用量对水泥混凝土碳化深度的影响

从图2 可以看出，水泥用量对硅酸盐水泥混凝土3 d 碳化深度的影响较小，而对7 d 以后碳化深度的影响较大，随着水泥用量的增多，硅酸盐水泥混凝土7、14、28 d 的碳化深度都表现出相同的变化规律，碳化深度都随着水泥用量的增多表现出先增大后减小的变化趋势，其中当水泥用量为400 kg/m3时14 d 和28 d 的碳化深度都达到最大值，此时混凝土的抗碳化性能最差。这主要是因为，当水泥用量小于400 kg/m3时混凝土内部水泥的水化作用较弱，而且随着水泥用量的增多，用水量相应的增多，水分蒸发引起的孔隙增多，因此混凝土抗碳化性能减弱，而当水泥用量大于400 kg/m3时，随着水泥用量的增多，硅酸盐水泥混凝土中水泥的水化作用增强，混凝土的密实度提高，而且混凝土内部的Ca(OH)2含量增多，吸收CO2的能力增强，因此抗碳化性能增强，碳化深度减小。

2.3 粉煤灰替代量对抗碳化性能的影响

用粉煤灰等体积替代两种混凝土中的部分水泥，其中硅酸盐水泥混凝土中的粉煤灰替代量为25%、35%、45%、55%和65%，而矿渣水泥混凝土中煤灰替代量为0%、25%、45%和65%。测定两种混凝土28 d 的碳化深度，研究粉煤灰替代量对混凝土碳化性能的影响，试验结果见图3。

图3 粉煤灰掺量对水泥混凝土碳化深度的影响

从图3 可以看出，不同水灰比下，两者水泥混凝土的碳化深度都随着粉煤掺量的增多逐渐增大，其中当水灰比为0.50，粉煤灰掺量为25%时，硅酸盐水泥混凝土的碳化深度较大，这可能是试验误差造成的。对硅酸盐水泥混凝土而言，当粉煤灰掺量在25%～35%之间时，粉煤灰对其碳化深度的影响较小，当粉煤灰掺量大于55%时，碳化深度随粉煤灰掺量的增多大幅增加，硅酸盐水泥混凝土抗碳化性能大幅降低。当粉煤灰掺量小于45%时，随着掺量的增多矿渣水泥混凝土的碳化深度逐渐增加，但是增加的幅度较小，而当掺量大于45%时，矿渣水泥混凝土的碳化深度随掺量的增多大幅增长。这主要是因为，粉煤灰作为一种活性混合材料，加入到混凝土后，在水泥水化的早期并不发生反应，随着水泥水化的进行，粉煤灰的活性得到激发，粉煤灰中的SiO2和Al2O3与水泥的水化产物Ca(OH)2之间发生反应，使混凝土的碱性降低，抗碳化性能减弱。另外，当硅酸盐水泥混凝土中粉煤灰掺量大于55%，矿渣水泥混凝土中粉煤灰掺量大于45%时，过多的粉煤灰颗粒无法与水泥的水化产物之间发生充分的化学反应而积聚在水泥石和集料之间的界面处，使界面处疏松多孔，成为混凝土结构中的薄弱区，因此再增加粉煤灰掺量时，两种混凝土的抗碳化性能都会大幅降低。

3 结论

1)硅酸盐水泥混凝土早期的碳化深度随水灰比增大逐渐减小，而28 d 的碳化深度先减小后增大，其中当水灰比为0.50 时28 d 的碳化深度最小;当水灰比小于0.40 时，水灰比对矿渣水泥混凝土的碳化深度影响很小，而当水灰比大于0.45 时，增大水灰比使碳化深度大幅增加。

2)随着水泥用量的增多，硅酸盐水泥混凝的碳化深度出现先增大后减小的变化趋势，当水泥用量为400 kg/m3时，碳化深度最大，硅酸盐混凝土的抗碳化性能最差。

3)两种水泥混凝土28 d 的碳化深度都随粉煤灰掺量的增多逐渐增大，其中当粉煤灰掺量在25%～35%之间时，粉煤灰对硅酸盐水泥混凝土碳化深度的影响较小，使硅酸盐水泥混凝土和矿渣水泥混凝土碳化深度出现大幅增长的粉煤灰掺量分别为55%和45%。

［1］程云虹，闫 俊，刘 斌，等.粉煤灰混凝土碳化性能试验研究［J］.公路，2007(12):160－162.

［2］郭艳华，潘慧敏，李志业.钢纤维混凝土碳化性能的研究［J］.混凝土，2007(2):45－47.

［3］谷昌宇，江静华，刘冠国，等.水泥细度对混凝土碳化性能的影响［J］.商品混凝土，2012(1):42－44.

［4］徐文冰，水中和，马军涛，等.基于显微硬度分析的粉煤灰混凝土碳化性能研究［J］.硅酸盐通报，2011，30(1):7－12.