C3S含量对铁路常用混凝土碳化的影响

张国帅　周润

摘 要：钢筋混凝土作为建筑耗材在铁路线路建设中得到了广泛极为的应用，各类因素对其性能的影响也得到了学者的广泛关注。虽然，其中碳化对混凝土性能的影响尤为重要，但目前相关研究较少、影响因素考虑尚不全，尤其是胶凝材料中各类氧化物比例对碳化的影响亟待进一步研究。本文以铁路常用混凝土为研究对象，在实验室标准条件下采用控制变量法，针对C3S所占不同比例对混凝土碳化的影响进行了分析研究，对复杂环境下的铁路工程具有很好的实用性。

关键词：C3S；碳化；水化；活性指数；饱和溶解度；强度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.017

1 基础理论

水化后，水泥中含有氢氧化钙、水化C3A、水化C3S、水化C3AF、水化硅酸二钙，因而刚形成的混凝土的pH值一般为12.1。在未发生碳化作用下，此时碱性环境为钢筋产生的钝化膜处于十分稳定的状态。

但随着空气中CO2、SO2溶于混凝土所含的水分中，从而产生酸性溶液，与其中的碱性碱性物质发生反应，降低混凝土中pH值。

由于C3AF后期反应慢，当混凝土拌合物生成时，仍有20%-36%的C3AF尚未被水化而是以铁相固溶体状态存在于混凝土中，而在后期遇到水又发生二次水化反应，生成C3A和水化铁酸钙，生成物质呈碱性，能够中和掉通过空隙渗透进的酸性溶液，并维持混凝土碱性环境[4]。

此外，混凝土中的Ca2+与CO32-发生反应生成CaCO3沉淀于孔壁表面，从而一定程度影响混凝土孔隙率。同时，掺料矿粉中的活性物质在发生水化反应是会生成较多的胶凝，能填充部分混凝土空隙，进一步降低混凝土孔隙率，以减少Cl—的入侵，提高混凝土的密实度[5]。

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O+4H2CO3

→4CaCO3↓+6Al（OH）3↓+2Fe（OH）3↓+10H2O

2 研究方法和实验

2.1 研究方法

本文研究针对一般铁路线路环境下的混凝碳化问题展开，采用控制变量法，分别以同一品牌水泥中C3S与C3AF作为单一变量，分别制作如表1中14种比例配比试件28组试件，其中编号A、B两组为基准对照组。

在种配比中，并同时探究了，同一条件下，混凝土碳化深度与强度之间关系。

2.2 实验流程及方法

2.2.1 试件制作及养护

具体试件制作流程如下：

①制作100 ×100 ×100mm3预制混凝土试块；

②试件脱模后即放入标准养护室（ T = 20℃±3℃、RH≥95%）内养护28天；

③试件养护完毕后即取出放在室内自然环境，然后放入105℃烘箱内烘干48h，冷却至常温，保留试件成型时的相对两侧面，其余各表面采用石蜡密封；

④将试件放入按表1设定好温湿度气候条件、CO2浓度的碳化室内进行碳化，在碳化过程中每24h检查一次碳化箱内CO2浓度，并随时进行补充以保证CO2的浓度在20% ±1%；

综合分析认为：由于C3S在胶凝材料中所在比例大，水化速度快，早期强度高等特性。随水泥中C3S含量提高，在水化后，达到饱和溶解度的所用时间缩短，进而提高构件强度[6]。另一方面，由于C3S细度模数大于水泥中其他物质，以此便于加快水化，水化速度过快不利于混凝土内部结构进行碱储备，以至于构件抗碳化性能降低[7]。同时，C3S水化后所产生的C-S-H为固相共溶体，不利于构件密实，当C3S含量增加，将导致混凝土中的孔隙和毛孔管数量增加，混凝土抗渗透性能减弱，进而加深碳化深度。因此，提高水泥中C3S的相对比例，存在以上特点。

根据以上实验分析，我们可以得出，在使用混凝土构件的工程中，需要根据工程实际应用情况来选择其水泥中C3S含量的水泥，以便达到更好的使用效果。

当构件对抗压强度要求较高时，我们可以适当提高水泥中的C3S含量，例如路基、房屋基础等。

当构件对使用寿命要求较高时，从抗碳化的方面考虑，我们适当维持水泥中的C3S含量在45%-50%之间，应用工程如城市标志性建筑、铁路隧道、地铁工程等。

3 结论

综合分析本文得到以下结论：

（1）混凝土抗碳化性能随C3S在水泥中含量的增长而减弱，两者近似为反比关系。但混凝土强度与水泥中C3S含量，两者近似为正比关系。在一定范围内，在C3S含量的增长情况下，抗压强度随碳化深度增加而增加。

（2）如构件受拉力时应酌情降低水泥中C3S的含量，以提高构件抗碳化性能，增强抗拉性能和使用寿命。如果对抗压强度要求过高的构件，需提高水泥中C3S的含量，增加其抗压性能。

参考文献：

[1]杨静.混凝土的碳化机理及其影响因素[J].混凝土，1995（06）：23-28.

[2]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京：中国建筑出版社，1996.

[3]阿列克谢.耶夫.钢筋结构混凝土中钢筋腐蚀与保护.

[4] Gao Y L，Cheng L，Gao Z M，Guo S Y， Effects of different mineral admixtures on carbonation resistance of lightweight aggregate concrete[J]. Construction and building Materials，2013，43：506-510.

[5] Bohni H. Corrosion in reinforced concrete structures[W]. Abington： woodhead Publishing limited，2005：15；24-25；56.endprint