不同强度等级混凝土的碳化行为分析

张东伍 栗 潮

1尉氏县鑫胜砼业有限公司（475500） 2中国水电十一局郑州科研设计有限公司（450001）

0 前言

混凝土的钢筋锈蚀问题是困扰工程建设的重要问题之一，而混凝土的碳化是引起其钢筋锈蚀的一个重要原因。近些年来，混凝土的碳化问题得到了大量的研究，表明混凝土强度等级、水灰比、水泥用量等因素均对混凝土的碳化行为有较为明显的影响。颜承越[1]研究表明，水灰比和碳化深度之间大致呈线性的关系，而根据另外一些研究表明，这两者之间的线性关系并不明显，而是近似呈指数函数的关系[2]。同时有研究表明，在混凝土中掺入粉煤灰、石灰石粉、矿渣和硅灰等矿物掺合料具有活性，可以与Ca(OH)2反应,减少胶凝组分中的Ca(OH)2含量，从而使混凝土抗碳化能力减弱[3-5]。

通过设计不同强度等级的混凝土试样，通过设计不同的水灰比和水泥用量，制备不同抗压强度的混凝土,并针对其抗压强度和碳化深度进行分析，研究其强度与抗碳化性能的关系，并对其机理进行分析。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

试验所用水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，密度为 3.11 g·cm-3，比表面积为 336 m2/kg，作为混凝土掺合料的粉煤灰和矿粉均取自开封。表1为试验原材料的化学成分分析。

表1 实验原材料的化学成分分析

1.2 试验方法

混凝土配合比分别针对设计强度C25、C30、C35和C40混凝土进行，通过调整混凝土胶材用量、水灰比和掺合料用量进行调整，从而制备出不同强度等级的混凝土。混凝土配合比如表2所示。

混凝土的抗压强度测试参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》标准进行，在标准条件（RH≧90%，T=20±3 ℃）下养护 3 d、7 d和 28 d后测量其抗压强度。同时,参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》的规定对不同碳化龄期的混凝土进行碳化深度测试。试件成型后24 h拆模，经标准条件（RH≧90%，T=20±3℃）养护26 d后，置于60℃烘箱中烘干48 h。试样保留两相对侧面，其余表面用石蜡密封，按要求放入混凝土快速碳化试验箱（RH=70%±5%，T=20±3℃，CCO2=20%±3%）中，并在碳化龄期达到3 d、7 d和28 d时，分别测试各龄期混凝土的碳化深度。酚酞试剂采用1%的酚酞酒精溶液，喷在劈裂后的混凝土试块断面，碳化深度采用游标卡尺测定。碳化深度测试方法[6]如图1所示。

表2 混凝土配合比

图1 碳化深度测试方法

2 试验结果与分析

图2为不同强度等级混凝土的抗压强度测试结果。图3为不同强度等级混凝土的碳化深度测试结果。由测试结果可以看出，混凝土碳化深度基本与其抗压强度的变化趋势相反，表明抗压强度越高的混凝土，其碳化深度越小，则其抗碳化性能越强。相比来说，对于经过28 d龄期养护的C40混凝土，其抗压强度达到了C25混凝土的1.5倍左右，而其28 d碳化深度仅为C25混凝土的一半。同时，对于不同强度等级的混凝土，其碳化深度基本表现出了碳化深度随着强度的增加而逐步下降的趋势。

大量研究结果表明，混凝土的抗碳化性能主要与其孔结构和内部可碳化物质数量相关。一方面，根据表2中的混凝土配合比,随着强度等级的增加，其配比中水泥用量逐步增多，从这方面说，水泥用量越多的混凝土试样，其内部水化生成的Ca(OH)2含量,即混凝土内部主要的可碳化物质数量越多，因此，强度等级越高的混凝土试样，其内部可碳化物质消耗越慢，从而有更强的抗碳化能力。另一方面，强度标号越高的混凝土,所用配比的水灰比越小，从而使制备出混凝土内部的孔结构更加密实，从而减缓了外部CO2向混凝土内部的扩散，显著改善了混凝土的抗碳化性能。

图2 不同强度等级混凝土的抗压强度

图3 不同强度等级混凝土的碳化深度

依据混凝土的碳化深度测试结果,根据公式（1）分别计算混凝土在碳化3 d内和碳化4 d～7 d龄期内的碳化速率，计算结果如图4所示。

其中:α表示碳化速率(cm/d)；D表示碳化深度(cm)；t表示碳化时间(d)。

图4 混凝土在不同养护龄期时间段的碳化速率

根据碳化速率计算结果可以看出,在碳化0～3 d时，C25、C30和 C35混凝土的碳化速率相当，而C40混凝土的碳化速率显著较小，表明C40混凝土内部较高的碱含量使其早期碳化效果并不显著。而在碳化4～7 d时，C30以上强度等级的混凝土碳化速度相对较小,但C25混凝土的碳化速度明显较快,这表明强度等级较低的C25混凝土外部CO2侵入速度较快，结合其内部较低的碱含量，混凝土表现出了快速碳化的趋势。而在8～28 d的碳化龄期中，混凝土碳化速率显著变慢，使不同强度等级混凝土的碳化速度并无明显差别。

3 结论

通过不同强度等级混凝土的碳化实验，结合强度与碳化深度之间的联系，对其抗碳化性能与强度之间的关系进行了分析。结果表明，对于不同强度等级的混凝土来说，由于水灰比和水泥用量的影响,其抗碳化性能随着其抗压强度的增加而增强。

[1]颜承越.水灰比-碳化方程与抗压强度-碳化方程的比较[J].混凝土,1994(3)：46.

[2]张德成,张云飞,程新.硫铝酸盐水泥基混凝土抗碳化性能的研究[J].硅酸盐通报,2008,27(2)：56～58.

[3]P.Sulapha,S.F.Wong,T.H.Wee and S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of materials in civil engineering,1994(3)：32～35.

[4]L.Stevula,J.Madej,J.Kozankova and J.Madejova.Hydration products at the blast furnace slag aggregate-cement pasteinterface[J].Cement and Concrete Research,1994(24)：413～423.

[5]J.Liu,Y.Li,L.Lv.Effect of Anti-freezing Admixtures on Alkali-silica Reaction in Mortars[J].Wuhan University of Technology-Mater,2005(2)：55～59.

[6]马军涛,水中和,陈伟,徐文冰.养护湿度对补偿收缩混凝土碳化速率的影响[J].混凝土,2011(1)：24～27.