矿物掺合料对C30混凝土抗碳化性能影响研究

何晓雁　韩恺　杜磊　吴安利　张淑艳

【摘 要】采用快速碳化方法，改变粉煤灰和矿粉掺量，对C30混凝土抗碳化性能进行研究。结果表明：粉煤灰混凝土的碳化深度随碳化龄期增加近似呈线性增长，而且随着粉煤灰掺量的增加出现微小增加；矿粉混凝土碳化深度在28d之前增加迅速，之后增加速度变缓，且随矿粉掺量的增加而减小；矿粉混凝土与粉煤灰混凝土相比，其抗碳化性能优于粉煤灰混凝土。复掺粉煤灰和矿粉，粉煤灰与矿粉掺量之比为1：3 （粉煤灰10%+矿粉30%） 时混凝土各龄期碳化深度最小。

【关键词】碳化深度；矿物掺合料；矿粉；粉煤灰

中图分类号： TU528.01 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.041

0 引言

在现代建筑中，传统混凝土已经不能满足人们的需求，国内外研究工作者开始在传统配合比基础上作出改变，力求探索性能更好，成本更低的混凝土。掺和料的加入能减少水泥用量，提高混凝土抗碳化性能，延长建筑物使用寿命，具有良好的环保与经济效益[1-3]。在混凝土的耐久性研究中，碳化是一个不可忽视的因素，我国每年因碳化引起的钢筋锈蚀，承载力下降等问题，产生巨大的经济损失。众多学者针对碳化问题作了大量的研究。阿茹罕[4]通过加速碳化和自然碳化两种方法研究了粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响。周万良[5]利用压汞法以及XRD等方法从微观角度对混凝土碳化进行了研究。赵永兴[6]通过对多种因素的多元非线性分析，建立了快速碳化与自然碳化的数学模型。因此，研究矿物掺合料对混凝土碳化的影响，具有较强的学术和应用价值。

本文从矿物掺合料单掺、复掺的角度考虑，讨论掺合料对C30混凝土抗碳化性能的影响。根据试验结果得出粉煤灰、矿粉单掺和复掺情况下的最佳掺量。从混凝土碳化机理的角度出发，分析了影响矿物掺合料混凝土抗碳化性能的因素，为混凝土抗碳化性能的研究提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：冀东普通硅酸盐水泥P.O 42.5，比表面积为375m2/kg；粉煤灰：I级粉煤灰，比表面积为635.7m2/kg，烧失量1.60%，SO3含量1.48%；矿渣粉：包头电厂生产矿渣微粉，测试等级为S75级，SO3含量2.87%；粗骨料：碎石，表观密度为2.80kg/m3，含泥量0.4%；细骨料：天然河砂，表观密度为2746kg/m3，含泥量3.4%；减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为25%左右。

1.2 混凝土配合比设计

试验按照《普通混凝土配合比设计规程》 （JGJ55-2011）进行前期的试配和计算，确定C30混凝土基准配合比，如表1所示。对单掺粉煤灰和矿粉、复掺粉煤灰和矿粉C30混凝土进行碳化试验，最终确定14组配合比，分别为J30、J30F10、J30F20、J30F30、J30F40、J30S10、J30S20、J30S30、J30S40、F10S10、F10S20、F10S30、F20S10、F30S10。J代表基准混凝土，F代表粉煤灰，S代表矿粉，具体数值代表体积掺量。

1.3 試验方法

碳化试验采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件，把养护完成的试件移至烘干箱内，温度控制在60℃ 以内，48小时后取出试件，在成型面的两侧面每隔10mm沿纵向画平行线，在其它四个面上涂抹密封材料。放入CO2浓度、温度、相对湿度分别为20±3%、20±5℃、70±5%的碳化箱内进行快速碳化试验，到一定碳化龄期后切开混凝土试件，在表面涂抹酚酞溶液，等到溶液充分反应后测量其碳化深度（mm），结果保留两位小数。

2 试验结果分析

2.1 单掺粉煤灰和矿粉混凝土碳化试验结果分析

从图中可以看出，随着龄期的增加，碳化深度逐渐增加，而且呈现线性增长趋势。而且随着粉煤灰掺量的增加，相同龄期碳化深度变大。可见粉煤灰的加入对碳化性能会产生一定影响。原因在于粉煤灰后期的水化作用会消耗一部分碱性物质，使混凝土pH值降低，抗碳化性能减弱。从图中可以看出，粉煤灰的掺量的增加并未使碳化深度明显增加，主要在于粉煤灰水化产物为较多的硅胶和铝胶，填充在孔隙中会使结构更加致密，因此会抵消掉一部分负面影响，抗碳化性能降低并不显著。

图2所示为不同矿粉掺量混凝土的碳化深度的变化规律。在28d龄期之前，混凝土碳化深度增加迅速，而35d时速度有所变缓。主要原因在于，矿粉前期主要起填充作用，随着龄期的增加，矿粉开始参与水化，当达到28d龄期时，矿粉基本水化完全，生成更加致密的水化产物填充在基体内部，使碳化速率明显减缓。从图中可以看出，随矿粉掺量的增加，碳化深度有所降低，说明矿粉的掺入可提高混凝土的抗碳化性能。相对于粉煤灰，矿粉颗粒更细，比表面积更大，所以微集料填充效应更明显，当矿粉掺量增加时，可以进一步改善水泥石内部的孔隙结构。矿粉的掺入还使水泥石与骨料的粘结力增强，抗渗性增强，可有效阻止酸性气体的入侵，进而提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 复掺粉煤灰和矿粉混凝土碳化试验结果分析

从图3可以看出，当控制矿粉掺量不变时，增加粉煤灰掺量，碳化深度逐渐增加，尤其是在粉煤灰与矿粉掺量为2：1时，碳化深度增加最为明显，此时混凝土抗碳化性能最弱，但此后继续增加粉煤灰掺量，碳化深度又出现了明显降低的现象，这主要是由于当粉煤灰掺量过大时，其中一部分粉煤灰未参与水化，以微集料的形式填充在混凝土体系中，这将使混凝土基体更加致密，在提高力学性能的同时，也拥有较好的抗碳化性能。当控制粉煤灰掺量不变时，增加矿粉掺量，碳化深度逐渐减弱，在碳化初期的时候，碳化深度降低并不明显，但随着龄期的增加，碳化深度出现了明显降低。当粉煤灰与矿粉掺量之比为1：3，即粉煤灰掺量10%、矿粉掺量为20%时，混凝土各龄期的碳化深度最低，在35d时碳化深度为9.7mm，仅为基准混凝土的77%，而且也明显低于其他单掺和双掺粉煤灰和矿粉的混凝土，说明其碳化性能最好。因此，当采用合理的掺量时，可以将粉煤灰与矿粉自身的特殊效应相叠加，不仅可以节约水泥用量，还可以提高混凝土的耐久性能。

3 结论

（1）粉煤灰混凝土的碳化深度随碳化龄期增加近似呈线性增长，而且随着粉煤灰掺量的增加出现微小增加。

（2）矿粉混凝土碳化深度在28d之前增加迅速，之后增加速度变缓，且随矿粉掺量的增加而减小；与粉煤灰混凝土相比，矿粉混凝土抗碳化性能更优。

（3）当粉煤灰与矿粉掺量之比为1：3（粉煤灰10%+矿粉30%）时，C30混凝土抗碳化性能最好。

【参考文献】

[1]韩方晖，胡瑾，王栋民.钢渣和石灰石粉对混凝土抗碳化性能的影响[J].硅酸盐通报，2014，07：1573-1577.

[2]郑建岚，黄利频.大掺量矿物掺合料自密实混凝土抗碳化性能研究[J].建筑材料学报，2012，05：678～683.

[3]SULAPHAL P，WONG S F，WEE T H，et al. Carbonation of concrete containing mineral admixtures[J].J Mater Civil Eng， 2003，15（2）：134-143.

[4]阿茹罕，阎培渝.不同粉煤灰掺量混凝土的碳化特性[J].硅酸盐学报，2011，01：7-12.

[5]周万良，方坤河，詹炳根.掺粉煤灰、矿粉混凝土抗碳化性能研究[J].混凝土与水泥制品，2012（12）：14-19.

[6]赵永兴，杜应吉，刘方琼，陈庆亚.基于多元非线性分析的粉煤灰混凝土碳化模型研究[J].混凝土，2017（03）：74-77+81.