矿物掺合料对混凝土碳化深度的影响

李晓峰 胡 毅 高世孝

(1.山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001； 2.山西华建建筑工程检测有限公司，山西 太原 030001)



矿物掺合料对混凝土碳化深度的影响

李晓峰1胡 毅2高世孝2

(1.山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001； 2.山西华建建筑工程检测有限公司，山西 太原 030001)

通过建立混凝土碳化深度理论模型，研究了混凝土用粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉掺合料的量值变化对混凝土碳化深度的影响，并综合考虑环境温度、相对湿度、CO2浓度、混凝土水胶比等因素，提出了控制混凝土碳化深度发展的有效途径。

混凝土碳化，粉煤灰，矿渣粉，钢渣粉

随着国民经济的迅速发展，我国混凝土生产和使用量目前已成为全球量能最大，但近两年我国常态化、去产能、侧供改等政策的出台，混凝土的发展也趋于绿色、节能、高性能，特别是住房城乡建设部《高性能混凝土应用技术指南》的颁布，混凝土的高耐久性成为一个热点词语，而混凝土碳化深度为考核混凝土耐久性的重要指标，也越来越引起广大混凝土从业人员的重视。本研究根据CO2在混凝土中的扩散规律以及可碳化物质守恒定律，改变掺合料的掺加量，结合相关混凝土试验，验证了混凝土碳化深度的主要相关因素及其影响规律。

1 混凝土碳化深度理论模型

混凝土碳化主要指环境空气中CO2在混凝土内部进行扩散，与混凝土内部的Ca(OH)2进行酸碱中和反应，使混凝土的碱性环境发生根本性的变化，转化为中性环境，在用酚酞溶液测试时酚酞指示剂不变色。混凝土碳化会降低混凝土保护层对钢筋良好的保护作用，当碳化深度达到钢筋保护层时，钢筋开始生锈。因混凝土由碱性变为中性，混凝土孔溶液中氢离子数量会增加对钢筋的锈蚀作用，从而影响混凝土的耐久性。

鉴于此混凝土碳化的定义理论，故一般情况下单位时间内扩散进入混凝土中的CO2的量等于参与碳化所消耗的CO2的量，也就是混凝土碳化中的CO2质量平衡原理。同时混凝土中的量由外到里呈近似线性分布的由高到低的客观状态，其扩散系数与混凝土水胶比、砂石骨料、水泥、掺合料品种、外加剂、温度、湿度、碳化反应速率等。在高温与高湿的外界条件下，根据布朗运动原理，混凝土中的扩散速度一定是较低温干燥的外界环境要快，我国南、北方的混凝土碳化速度是有区别的，同时，空气里的CO2含量是客观存在，体积浓度基本为空气的0.03%，故仅仅考虑混凝土表面的CO2浓度和CO2扩散系数时，可用式(1)来表示混凝土碳化深度:

(1)

2 试验方案

2.1 试验材料

水泥为山西冀东双良鼎新水泥公司P.O42.5级水泥；5mm～26.5mm连续级配，且级配良好的太原镇成碎石；豆罗砂与破碎石灰石砂5∶5；外加剂采用山西黄河新型化工有限公司HJSX-A聚羧酸系高性能减水剂；太原二电厂Ⅱ级粉煤灰；山西中科S95矿渣粉；太钢一级钢渣粉；拌合用水为太原市饮用自来水。

2.2 试验验证

1)胶材为水泥的不同强度等级混凝土碳化深度。为了验证不同强度等级的混凝土因密实度差异，其60d碳化深度的区别，课题组将胶材为水泥的混凝土按强度等级C25～C50进行配制，养护条件为室外同条件养护，室外温度变化范围15 ℃～26 ℃，相对湿度30RH～50RH，观察其60d碳化深度，具体试验结果数据见表1。由试验结果可见，随着混凝土水胶比的减小，混凝土的碳化深度在逐渐降低，原因是混凝土内部微小的毛细孔随着混凝土强度等级的提高在逐渐减少，CO2主要扩散的通道为混凝土内部毛细孔，较少毛细孔的数量可有效控制混凝土碳化的发展。

表1 不同强度等级混凝土碳化深度对比 mm

2)胶材为水泥与掺合物的C30混凝土碳化深度。改变胶材中水泥、粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉的掺量，将掺合料的比例控制在0%～30%范围内，养护条件为室外同条件养护，室外温度变化范围15 ℃～26 ℃，相对湿度30 RH～50 RH，观察其60 d碳化深度，具体试验结果数据见表2。由试验结果可见，随着掺合料比例的增加，混凝土碳化深度在快速增大，掺合料品种的不同，碳化深度也存在明显的不同，其中掺加粉煤灰时，混凝土碳化发展较快，掺加矿渣粉时碳化发展较慢，究其原因是三种掺合料中粉煤灰细度相对较粗，混凝土内部毛细孔存在较多；矿渣粉细度相对较细，且矿渣粉自身也存在部分，不仅降低了毛细孔的数量，且对混凝土中的碱系统有所补充，所以碳化发展相对较慢；钢渣粉介于两者之间。同时通过表1和表2的对比发现：在总胶材量不变的情况下，胶材中掺加掺合料时，混凝土的碳化发展比胶材仅为水泥时发展更快，究其原因是掺合料的掺入降低了水泥用量，混凝土中Ca(OH)2的量也相对减少，可碳化物质减少，混凝土中性化较快，导致了CO2在混凝土内部的快速扩散，同时掺合料的二次水化会消耗部分可碳化物质，进一步降低混凝土的抗碳化能力。

表2 掺合料替代部分水泥后C30混凝土碳化深度对比

3)混凝土表面介质环境不同对碳化深度的影响。选用胶材为水泥的C30混凝土试验外表面涂刷混凝土养护剂和在相对湿度为80 RH时的60 d碳化发展情况，试验结果见表3，由表3可知，在混凝土表面涂刷养护剂后其碳化深度明显降低，在湿度较大的环境里混凝土碳化明显较快。由此可见混凝土的外部介质环境对混凝土的碳化也具有明显的抑制或促进作用，做好混凝土表面毛细孔封闭减少混凝土在潮湿环境里的时间也能减少碳化，提高混凝土耐久性。

表3 混凝土表面介质不同碳化深度对比 mm

3 分析与结论

通过对不同强度等级的混凝土、不同掺量的掺合料、不同介质环境的混凝土碳化深度的试验验证，可以看出混凝土的碳化发展程度是由混凝土本身及外部环境影响共同作用的综合结果，为避免混凝土碳化过快要做好以下措施：1)尽量采用活性较好的掺合料，以补充混凝土碳化所需要的碱性物质。2)尽量选用细度较好的掺合料，以减少混凝土内部毛细孔，降低混凝土的CO2扩散系数。3)混凝土结构设计尽量选用强度等级不小于C30的混凝土。4)混凝土结构施工拆除模板后，要采用封闭性较好的养护剂进行养护，以降低混凝土碳化速度。5)潮湿的环境对混凝土碳化的速度有极大的影响，尤其是地下水中电解质较强的环境，应引起重视。

[1] 杨绿峰，成 荻，刘才勇，等.矿物掺合料混凝土碳化分析的实用预测模型[J].混凝土，2016(7)：79-83.

The influence of mineral admixtures to concrete carbonation depth

Li Xiaofeng1Hu Yi2Gao Shixiao2

(1.ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China; 2.ShanxiHuajianConstructionEngineeringTestingLimitedCompany,Taiyuan030001,China)

Through the establishment of concrete carbonation depth theoretical model, researched the influence of concrete with fly ash, slag powder, steel slag powder admixtures quantity value to concrete carbonation depth, and considering the environmental temperature, relative humidity, CO2concentration, concrete water cement ratio other factors, proposed the effective ways to control the concrete depth carbonation development.

concrete carbonation, fly ash, slag powder, steel slag powder

1009-6825(2016)24-0121-02

2016-06-17

李晓峰(1974- )，男，工程师； 胡 毅(1989- )，男，助理工程师； 高世孝(1993- )，男，助理工程师

TU502

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