高原干燥高寒地区混凝土碳化性能研究

张海霞，王龙志，张会冰，张雪，崔鑫

（山东建泽混凝土有限公司，山东　济南　250101）

高原干燥高寒地区混凝土碳化性能研究

张海霞，王龙志，张会冰，张雪，崔鑫

（山东建泽混凝土有限公司，山东济南250101）

为西部大开发提供技术支持、保证混凝土工程质量、以青海省玉树援建项目为依托，开展了高原干燥高寒地区混凝土碳化性能研究。在相同外部环境条件下，研究混凝土粉煤灰掺量、混凝土强度等级对混凝土碳化的影响；在相同混凝土配合比、相同二氧化碳浓度条件下，研究温湿度对混凝土碳化的影响；研究不同地区混凝土碳化情况。研究表明：随粉煤灰掺量的提高、混凝土强度的降低，混凝土碳化深度增大；随温度的增高、相对湿度的降低，混凝土碳化深度增大；环境温度对混凝土碳化的影响大于环境相对湿度对混凝土碳化的影响。

高原干燥高寒；碳化；粉煤灰掺量；强度等级；湿温度

0　前言

中国建筑玉树援建项目的各类建筑，总建筑面积约 79 万平方米，共计 150 个子项目，混凝土总需求量约 30 万立方米。玉树地区自然条件严酷，平均海拔 4200m 以上，高寒缺氧、太阳辐射异常强烈、昼夜温差大，最低气温零下 42%，气候环境恶劣，为了保证重建工程的质量，对混凝土耐久性能提出更高的要求。

混凝土碳化试验是检验混凝土结构耐久性的一个重要指标。以青海玉树援建项目为依托，通过试验室试验、现场模拟验证的方法对影响混凝土碳化速度的因素进行分析，重点研究高原干燥高寒地区混凝土碳化速度发展规律，并在此基础上研究控制、预防混凝土碳化的技术措施。

1　组成材料

1.1水泥

本试验选用 P·O42.5 水泥，该水泥早期强度高、后期强度增长快且对当地外加剂适应好，表 1 为水泥的基本性能指标情况。

表1　P·O42.5 水泥性能指标

1.2集料

本试验选择当地砂场细集料，粗集料采自当地采石场（河卵石二次破碎形成的 5～31.5mm 连续粒径碎石），要求碎石针片状含量不得超过 8%，坚固性及碱活性满足相关标准要求，表 2 为集料性能指标情况。

表2　混凝土集料性能测试表

1.3粉煤灰

粉煤灰选用 Ⅱ 级灰，性能指标见表 3。

表3　粉煤灰性能指标%

1.4外加剂

外加剂选用具有低温、早强、耐腐蚀、减水率高、引气效果好的西宁宣达建材有限公司生产的 MKJ 高效复合防冻泵送剂，掺量为 4.5%。

2　影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着 CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于水并与水化产物发生化学反应的一个复杂的物理化学过程，从根本上讲是其自身内部条件与外部环境共同作用的结果。从混凝土自身条件来说，混凝土强度等级、配合比以及密实度都会影响混凝土的碳化反应，同时施工质量和养护条件也对混凝土碳化有影响；从混凝土外部环境来说，空气的温湿度及 CO2的浓度也对混凝土碳化有影响。

3　试验及结果分析

通过在试验室对混凝土碳化的内部影响因素和外部影响因素进行研究分析，同时与工程中混凝土碳化进行比较，研究影响混凝土碳化深度和碳化速度的因素，便于控制及预防混凝土的碳化破坏。

3.1内部影响因素

内部影响因素主要从相同外部环境下，不同配合比、不同强度等级方面进行研究，分析这二个方面对混凝土碳化及碳化速度的影响。

3.1.1混凝土配合比对碳化速度的影响

由于青海玉树资源缺乏且交通不便，在材料选择上没有大的空间，因此从混凝土配合比上进行研究。以C30强度等级混凝土为例进行分析，具体配合比如表4所示。

表4　混凝土各强度等级及材料用量　kg/m3

依据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，对相同强度等级不同粉煤灰掺量的混凝土试件进行碳化试验，采用混凝土快速碳化箱，按标准中的快速碳化方法进行碳化试验，具体试验数据如图 1 所示。

图1　粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响

由图 1 可知，在相同外部环境条件下，随着龄期的增长，碳化深度都在不断加深。而同龄期的碳化深度，随着粉煤灰的掺量的增加而增大，即粉煤灰的加入会加剧混凝土的碳化。

3.1.2强度等级对碳化速度的影响

在外部环境、原材料品种相同的条件下，对不同强度等级混凝土进行碳化试验，其中各强度等级中粉煤灰掺量均为胶凝材料掺量的 15%，具体强度等级及材料组成见表 5。

表5　不同强度等级及材料组成 kg/m3

不同强度等级混凝土的碳化试验结果如图 2 所示。

图2　不同强度等级碳化深度试验

由图 2 可知，在相同外部环境作用下，随着龄期的增长，各强度等级的混凝土碳化深度都在加深。而同龄期的碳化深度，随着强度等级的增大而减小，高强度等级的混凝土其致密性高于低强度等级，其碳化深度低。

3.2外部影响因素

主要从空气温湿度方面对外部影响因素进行分析研究。以强度等级为 C30 的普通泵送混凝土配合比为例，保持 CO2浓度不变，变换空气不同的温度、湿度进行碳化试验，混凝土配合比组成如表 6 所示。

表6　C30 强度等级混凝土配合比　 kg/m3

为达到较为明显的混凝土碳化深度对比效果，CO2浓度统一设定为 20%，温湿度组合如表 7 所示。

表7　混凝土碳化试验中温湿度条件组合情况

具体试验过程为：试件采用 100mm×100mm×100mm试件，每组 3 块，其碳化深度取 3 块试件的碳化深度算术平均值，碳化时间取 28d 为准，具体试验结果如图 3、图 4 所示。

图3　环境温度与混凝土碳化深度的关系

图4　环境相对湿度与碳化深度的关系

从图 3、图 4 可以看出，环境温湿度对混凝土的碳化速度有明显影响，而且环境温度对碳化深度的影响高于环境相对湿度。环境相对湿度不变，随着环境温度的升高，混凝土的碳化深度显著增大。例如：相对湿度 70% 时，环境温度从 10℃ 提高至 50℃，混凝土的碳化深度由 7.1mm 提高至 21.1mm，提高了 3 倍。而环境温度不变，随着相对湿度的增加，混凝土的碳化深度明显减小。例如：环境温度 30℃时，环境相对湿度从 30% 增大到 70%，混凝土的碳化深度从19.3mm 降至 14.3mm，降低约 25%。

3.3工程验证

玉树地区自然条件严酷，全州气候只有冷暖之别，无四季之分，全年冷季 7～8 个月，全年暖季 4～5 个月，没有绝对无霜期，气候寒冷而干湿不均，年平均气温 -0.8℃，年最低气温 -42℃，最高气温 28℃，年平均降水量 463.7mm，空气含氧量要比海平面空气含氧量低 1/3～1/2，其年相对湿度在 10%～40%之间。山东省济南市年平均气温 13.8℃，极端气温最高 42.5℃，极端最低气温零下 19.7℃。最高月均温27.2℃（7 月），最低月均温 -3.2℃（1 月），年平均降水量685mm，相对湿度在 20%～80%之间。

山东济南和青海玉树其温湿度相差较大，在山东济南地区和青海玉树地区，对相同温度或相对湿度条件下浇筑的相同强度等级的混凝土构件钻芯取样，进行碳化深度检测，具体数据如表 8 所示。

表8　济南地区与玉树地区碳化深度比较

由表 8 可以看出，相同温度浇筑条件下，从构件中钻芯取得的试件，其碳化深度随着温度的增长碳化深度增加，随着湿度的增长，碳化深度减小。

对青海玉树地区相同气候条件、相同浇筑及养护方式下成型的不同强度等级的混凝土构件钻芯取样，进行碳化试验，其碳化深度也有明显区别。具体数据如表 9 所示。

表9　玉树地区不同强度等级碳化深度比较

由表 9 可以看出，相同温湿度条件下，从构件中钻芯取得的试件，其碳化深度随着强度等级的增长其碳化深度减小。

4　结语

根据以上对混凝土碳化内部影响因素和外部影响因素两个方面进行的研究分析及工程验证，得出如下结论：（1）在相同的外部环境条件下，相同水胶比的混凝土，混凝土碳化深度随着混凝土粉煤灰的掺加量的增加而增大；（2）在相同的外部环境、相同粉煤灰掺量的条件下，混凝土碳化深度随混凝土强度等级的增高而减小；（3）相同配合比的混凝土，在相同湿度条件下，混凝土碳化深度随温度的增高而增大；（4）相同配合比的混凝土，在相同温度条件下，混凝土碳化深度随环境相对湿度的增大而减小；（5）环境温度对混凝土碳化的影响大于环境相对湿度对混凝土碳化的影响。

［通讯地址］山东省济南市高新区舜华路 1117 号科汇大厦 B区 302 楼山东建泽混凝土有限公司（250101）

Study on carbonation performance of concrete in dry and cold plateau areas

Zhang Haixia, Wang Longzhi, Zhang Huibing, Yan Donghong, Zhang Xue, Cui Xin
(Shandong Jianze Concrete Co.,Ltd., Jinan250101)

Provide technical support for the development of the western region, ensure the quality of concrete engineering, based on rebuilding project in Yushu Qinghai province, carried out studding on carbonation performance of concrete indry and cold plateau areas. Under the same external environment conditions, fly ash content, concrete strength grade influence on concrete carbonation; Under the same concrete mix, carbon dioxide concentrations, temperature and humidity influence on concrete carbonation; Carbonation of concrete case studied in different areas.Results showed that with the increase of fly ash, reduce of the concrete strength, concrete carbonation depth increases; with the increasing of the temperature, reduce of the relative humidity, concrete carbonation depth increases; effect of environmental temperature on carbonation of concrete is greater than the influence of relative humidity on concrete carbonation.

; plateau dry and cold; carbonation; fly ash content; srength grade; temperature and humidity

张海霞（1975—），女，高级工程师，从事高性能混凝土工程应用技术研究。