水泥颗粒分布对混凝土抗碳化性能的影响

欧阳克连 吴笑梅 樊粤明

(1 广州市华力新建材科技有限公司；2 华南理工大学材料与工程学院）

0 引言

混凝土是一种碱性材料，它可以在钢筋表面形成一层钝化膜，从而避免钢筋锈蚀。而钢筋锈蚀的原因之一是外界二氧化碳渗入混凝土内部，使得混凝土中性化，钢筋失去了钝化膜而可能被侵蚀而产生锈蚀现象，从而破坏了钢筋在钢筋混凝土中的骨架支撑作用，使得建筑耐久性不良。混凝土的碳化主要是空气中的二氧化碳与水泥水化产物发生反应。水泥水化产物主要是Ca(OH)2和水化硅酸钙C-S-H，空气中的CO2通过混凝土的孔隙和毛细管由表及里渗入并与这些水化产物以及中间体进行碳化反应。混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构，对混凝土力学性能有明显的影响。

水泥颗粒分布与水泥及混凝土的许多主要性能，如强度、密实性、需水量等都有较大关系，它也是目前现代化水泥生产厂调控水泥品种、强度等级及某些施工性能的主要手段之一。颗粒分布对混凝土强度有很大的影响[1]。颗粒分布较宽的水泥，在水灰比及外加剂用量相同的情况下，配制的水泥砂浆或混凝土具有良好的密实性及孔结构[2]。调整水泥颗粒分布，增加细粉含量，实现最佳堆积密度可最大限度地减少颗粒之间的三角空隙区，降低所需水膜厚度，达到降低用水量，提高砂浆流动性，提高混凝土强度和密实性的目的[3]。水泥的颗粒大小分布影响混凝土的孔隙率、水化率以及密实度，而这些因素对于混凝土的抗碳化性能起重要作用。

1 实验原材料及方法

1.1 实验原材料

本实验选用珠江水泥厂的开流磨(ZK)和闭路磨(ZB)两种不同颗粒分布的水泥作为实验原材料。其颗粒分布如表1，表中可以看出，开流磨(ZK)水泥5～30μm颗粒含量为52.72%，闭路磨(ZB)水泥5～30μm颗粒含量为63.03%，闭路磨(ZB)水泥颗粒分布要窄。

表1 ZK与ZB水泥颗粒分布

1.2 实验方法

1.2.1 混凝土试件的成型

根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》成型混凝土试件（规格为100mm×100mm×100mm）。采用SJD 型强制式单卧轴混凝土搅拌机进行混凝土的搅拌。混凝土的配合比及坍落度如表2所示。

表2 混凝土配合比

其中配合比A 表示纯水泥配制的混凝土，配合比B表示单掺石灰石粉30%（超掺系数为1.2）的混凝土。

1.2.2 加速碳化实验

按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法GB/T50082-2009进行碳化实验。

1.2.3 浆体的PH测定

实验设备采用瑞士785DMP 自动电位滴定仪器。实验采用固液萃取法测定孔隙液相pH值，实验步骤：

⑴将混凝土试件敲碎，取试件内部的砂浆试块，将砂浆试块进行研磨后过0.08mm筛；

⑵称取过完筛的试样（粒径≤0.08mm）10g，再加入10 倍重量的蒸馏水，密封以防止碳化；将试样振荡2 小时后进行过滤，得到的滤液需静止24h；用自动电位滴定仪对滤液测PH值。

1.2.4 颗粒分布的测定

颗粒分布按沉降天平法测量，实验所用仪器为TZC-4颗粒测定仪。

2 结果与讨论

2.1 水泥颗粒分布对混凝土抗碳化性能的影响

2.1.1 混凝土抗压强度实验结果

配合比A 的混凝土为不掺掺合料的基准混凝土，其养护条件为标准养护，即养护温度20±2℃，相对湿度≥95%。由珠江水泥开流磨（ZK）和闭路磨(ZB)的两种水泥配制的配合比A的混凝土抗压强度数据如表3所示。

表3 纯水泥混凝土抗压强度实验结果

实验数据显示，标准养护28d 后ZK 与ZB 两种混凝土的强度相近。经碳化后两种纯水泥混凝土的强度均降低，这是因为在碳化过程中使得混凝土结构被破坏，因此抗压强度降低。

配合比B的混凝土为单掺30%石灰石掺合料的混凝土试块(ZKS 表示添加石灰石掺和料的开流磨水泥，ZBS表示添加石灰石掺和料的闭路磨水泥)。因为在实际工程施工过程的养护无法达到标准养护条件，为了切合工程实际，单掺掺合料的混凝土碳化实验选用非标准养护条件，即养护温度15℃，相对湿度60%。此外由于在纯水泥混凝土的快速碳化实验中发现由于标准养护使得混凝土的碳化深度差距不够明显，因此选用非标准养护条件可以放大混凝土试块的碳化深度以便对比分析。表4为单掺石灰石粉的混凝土抗压强度的实验结果。

表4 单掺石灰石粉混凝土抗压强度实验结果

从实验数据上看，ZKS 和ZBS 非标准养护28d 强度相当，而与标准养护的基准混凝土相比，非标准养护的掺石灰石粉的混凝土养护28d 强度明显要低。从已有理论分析，这是因为非标准养护条件下温度和湿度较低，不利于水泥的水化，导致混凝土水化进程变慢，从而影响强度；另一方面，由于加入了石灰石掺合料，减少了水泥用量，使得C-S-H 凝胶减少，混凝土胶结作用降低，从而降低强度。

与标准养护情况不同的是，进行快速碳化实验6d后掺石灰石掺和料的混凝土的抗压强度提高了。从已有理论上分析，是因为在非标准养护条件下，混凝土试块的孔隙较多，经碳化反应后所产生的碳酸钙填充了混凝土的孔隙，使得混凝土的结构变得更加致密，提高了抗压强度。

2.1.2 水泥颗粒分布对混凝土抗碳化性能的影响

将养护28d 龄期后的混凝土放入碳化箱中进行加速碳化实验，然后经过一定时间间隔取出并测量碳化深度，并结合图表进行分析。

⑴首先是配合比A，即不掺掺合料的基准混凝土。在标准养护条件（养护温度20±2℃，相对湿度≥95%）下养护28d 后进行加速碳化实验。碳化实验结果如表5、图1所示。

图1 纯水泥混凝土碳化曲线

图2 掺石灰石混凝土碳化曲线

表5 纯水泥混凝土碳化深度实验结果

从碳化结果可以看出，碳化深度在碳化3d 时ZK 比ZB 的较大，而到了3d 以后，ZB 的碳化深度要比ZK 的碳化深度更大。结果表明：早期ZB 的抗碳化性能要优于ZK,而到了后期，ZK 在抗碳化性能上要优于ZB。从实验结果分析可知：较宽的水泥颗粒分布有利于提高混凝土后期的抗碳化性能。

⑵配合比为B（掺加30%石灰石粉）的混凝土在非标准养护条件（养护温度15℃，相对湿度60%）下养护28d后进行加速碳化实验。碳化实验结果见表6。

表6 掺石灰石混凝土碳化深度实验结果

表7为将水泥和石灰石粉充分混合均匀后的ZKS和ZBS 的水泥颗粒分布实验结果，从表中可以看处，开流磨(ZKS)水泥的5～30μm的颗粒含量为57.35%，闭路磨(ZBS)水泥的5～30μm 的颗粒含量为64.57%，闭路磨(ZBS)水泥的颗粒分布要窄。

表7 ZKS与ZBS的水泥颗粒分布

从碳化结果可以看出，掺加石灰石粉的混凝土碳化较快，ZBS 在碳化5d 后就已经穿透，ZKS 在碳化6d 后才被穿透。从图2 可以发现ZBS 的碳化曲线在ZKS 碳化曲线的上方。从ZKS 和ZBS 的颗粒分布对比可以发现ZBS的颗粒较为集中，即ZKS的颗粒分布比ZBS的颗粒分布要宽，这与ZKS 的碳化深度比ZBS 的碳化深度小是相对应的。综上分析可知，对于单掺30%石灰石粉的混凝土，颗粒分布较窄会降低混凝土的抗碳化性能。

3 结论

⑴标准养护条件下，与用闭路磨水泥配制的混凝土相比，用开流磨水泥配制混凝土碳化3d 后碳化深度较大，而3d 后碳化深度均要比闭路磨基准混凝土小；碳化对标准养护的混凝土强度有破坏作用。

⑵在低温低湿的非标准养护条件下，单掺30%石灰石粉的混凝土碳化深度则始终是开流磨水泥混凝土小于闭路磨水泥混凝土。反映出水泥颗粒分布宽有利于提高混凝土的抗碳化性能。在这种养护条件下，适当的碳化有利于混凝土强度。