水工混凝土双掺矿物掺合料抗碳化性能的试验分析

吕学良

(北票市南八家子水利服务站单位，辽宁 朝阳 122118)

钢筋混凝土结构在氯离子渗透、碳化等恶劣环境条件下的耐久性问题日趋突出，钝化膜受侵蚀性介质作用失去对钢筋的保护作用，从而造成钢筋锈蚀、混凝土脱落甚至更大的经济损失[1-2]。钢筋锈蚀后的体积增大至原来的3倍，受四周混凝土的约束锈蚀产物体积增大将产生膨胀力，当混凝土抗拉强度不足以抵抗膨胀力时就会沿顺筋方向产生裂缝，混凝土保护层随锈蚀产物的不断增大加速剥落，并进一步使得构件有效截面面积的减小。此外，钢筋锈蚀后的承载力和力学性能下降，对结构的安全性构成严重影响[3]。

文章运用加速碳化法，以粉煤灰和花岗岩石粉为例，研究了不同细度、不同掺量、不同矿物掺合料条件下的抗碳化性能，为节约自然资源实现粉煤灰、花岗岩石粉的再生利用提供一定借鉴。

1 试验研究

1.1 试验目的

通过抗碳化性能试验研究相同荷载条件下不同掺合料的水工混凝土碳化机理，并探讨了矿物掺合料掺量与混凝土抗碳化性能间的关系，为实现水工混凝土配合比的优化设计和结构耐久性研究提供试验参考。

1.2 原材料与仪器

本试验所用的原材料及其掺量为：P·O 42.5水泥；细度0-150μm和0-80μm，掺量30%、20%、10%的花岗岩石粉；掺量30%、20%、10%的Ⅲ级粉煤灰；细度模数为2.68的河砂；连续级配，粒径5-25mm的碎石；掺量为矿物掺合料和水泥总量0.6%的萘系高效减水剂；含20%蒸馏水的1%酚酞乙醇溶液。试验所用仪器设备有喷雾器、钢尺、变色硅胶、CO2供气装置、气体分析仪、碳化箱等，严格执行《水工混凝土试验规程》相关流程完成混凝土碳化试验操作。

1.3 配合比设计

结合试验目的共设计16组配合比，每组制作3个尺寸为100mm×100mm×300mm的试件，混凝土配合比设计，见表1。

表1 混凝土配合比设计 mg/m3

2 结果与分析

采用幂函数d=α·xβ来曲线回归分析混凝土碳化龄期与碳化深度之间的关系[4]，其中α、β为混凝土早期碳化性能和后期碳化速率影响系数，α值越大则越易被碳化，β值越大则碳化速率越快；d、x为混凝土的碳化深度，mm和碳化龄期，d。

2.1 粉煤灰组

粉煤灰组碳化结果，见表2。利用表2中的数据绘制碳化深度与碳化龄期的关系图，粉煤灰组碳化数据分析，见图1。在此基础上拟合计算相关系数r和拟合曲线公式d=α·xβ，粉煤灰组碳化数据拟合参数，见表3。

表2 粉煤灰组碳化结果 mm

图1 粉煤灰组碳化数据分析

表3 粉煤灰组碳化数据拟合参数

结合拟合公式，在荷载作用及养护条件保持不变的情况下，随粉煤灰掺量的增加混凝土抗碳化性能不断下降，即α值和β值呈现出明显的规律性特征。从表2可以看出，掺粉煤灰组与基准组相比，其早期抗碳化性能下降近50%，结合α值可知掺粉煤灰组的早期碳化难易程度基本相当；混凝土碳化后期，从10%增大至20%时β值明显增大即后期碳化速率显著增加，从20%增大至30%时β值变化不明显，即粉煤灰掺量的进一步增加并未引起碳化速率的明显变化。根据α值、β值和混凝土碳化深度整体数据，从20%增大至30%时混凝土的抗碳化性能整体比较稳定。粉煤灰的掺入会降低抗碳化性能，从而加速钢筋的锈蚀，但考虑到保护层厚度≥30mm，粉煤灰掺量≤30%时其最大碳化深度为保护层的1/3，加之实行的是加速碳化，实际工程应用时受空气温湿度、CO2浓度等因素影响，在粉煤灰掺量≤30%情况下不会对混凝土抗碳化性能造成较大影响。

粉煤灰取代水泥降低了水泥熟料，必然会减少水化形成的Ca(OH)2，尤其是粉煤灰掺量较高时二次反应中Ca(OH)2会被大量消耗，从而降低内部的Ca(OH)2含量。粉煤灰所具有的活性难以弥补凝胶材料减少所引起的负面效应，凝胶材料的减少会降低混凝土的密实性使其更易被CO2气体侵入，与水化产物Ca(OH)2发生反应使早期混凝土被碳化，这也是较基准组掺粉煤灰组α值偏大的根本原因。此外，粉煤灰掺量的增加以及混凝土碱储备的降低加速了二次水化反应速率，大大缩短碳中和过程，这也是从10%增大至20%时后期碳化速率明显增加的根本原因。从20%增大至30%时，混凝土凝胶材料虽然减少但提高了其密实性，故拟合的α值、β值相差较小。

2.2 花岗岩石粉组

花岗岩石粉组碳化结果，见表4。利用表4中的数据绘制碳化深度与碳化龄期的关系图如图2。在此基础上拟合计算相关系数r和拟合曲线公式d=α·xβ，花岗岩石粉组碳化数据拟合参数，见表5。

表4 花岗岩石粉组碳化结果 mm

图2 花岗岩石粉组碳化数据分析

表5 花岗岩石粉组碳化数据拟合参数

花岗岩石粉组试验数据表明：①相对于基准组混凝土花岗岩石粉组的抗碳化性能明显较低；②细度为0-150μm组的α值整体<细度为0-80μm组，即细度越小则早期越易被碳化；③细度为0-150μm组的β值整体<细度为0-80μm组，即吸附越小则后期碳化速率越快；④随花岗岩石粉掺量百分比(即水泥取代率)的增加α值呈明显增大趋势，即花岗岩石粉掺量越大则早期混凝土越易被碳化；随花岗岩石粉掺量百分比的增大β值呈不断减小趋势，一定范围内的大掺量能够降低后期碳化速率；α值的变化趋势较α值更加明显，从而导致α值对28d碳化期内混凝土抗碳化性能的影响占主导作用。

试验表明，花岗岩石粉取代混凝土中的部分水泥能够明显降低其碱储备。混凝土抗碳化性能主要取决于碱储备指标，碱储备降低时其抗碳化性能下降也就越易发生碳化。碱性物质Ca(OH)2与空气中的水、CO2发生碳化反应，因部分水泥被花岗岩石粉所替代，所以在荷载不变情况下掺花岗岩石粉组的碳化速率、碳化深度均高于基准试验组。

在水泥取代率保持不变的情况下，细度越细花岗岩石粉的比表面积越大。将花岗岩石粉掺入混凝土中，花岗岩石粉的外部被水泥浆体包裹，对比分析细度0-150μm和0-80μm的试验组发现，0-80μm的花岗岩石粉具有更大的包裹面积，有利于加快水泥水化。由于碳化的主要反应物是水泥水化产物Ca(OH)2，所以水泥水化速率越快则早期混凝土越易被碳化，这也是0-80μm组α值整体偏高的根本原因。

混凝土硬化形成非均质多孔体系，内部主要有气孔、毛细孔和凝胶孔等。其中，气孔是通过外加剂引入或拌和操作过程中陷入水泥浆体内的细小气孔；毛细孔一般是水泥浆未填充所形成的空间；凝胶孔直径通常≤10mm，主要分布于C-S-H水化硅酸钙凝胶内。水化水泥浆体中气孔最大可以达到3mm，引入的气孔主要处于50-200μm之间。因此，将细度不同而质量相同的花岗岩石粉掺入到混凝土中，0-150μm组的孔隙填充效果要优于0-80μm组，这是由于混凝土中较大的气孔难以被0-80μm的花岗岩石粉所填充，而0-150μm组具有较均匀的孔隙填充作用，混凝土密实性明显增大，在一定程度上发挥着阻碍CO2气体向混凝土内部扩散的作用，早期混凝土不易被碳化且后期碳化率也不高。所以，在单掺情况下石粉细度越大则拟合公式中的α值越小，抗碳化性能越强。

随着水泥取代率的增大混凝土的碱储备不断减小，混凝土抗碳化性能下降也就越易被碳化，并导致水泥取代率越大则碳化拟合公式中的α值越大。水泥取代率越大则混凝土的孔隙率越小，其密实性在一定程度上增加，有利于降低碳化速率，即β值减小。结合试验数据，由于水泥取代率的增大导致α值的受影响程度发挥着主导作用[5]。

2.3 双掺组

试验研究双掺粉煤灰与花岗岩石粉组碳化结果，双掺组组碳化结果，见表6。利用表6中的数据绘制碳化深度与碳化龄期的关系图，双掺组碳化数据分析，见图3；在此基础上拟合计算相关系数r和拟合曲线公式d=α·xβ，双掺组碳化数据拟合参数，见表7。

表6 双掺组组碳化结果 mm

图3 双掺组碳化数据分析

表7 双掺组碳化数据拟合参数

由图3可知，在其它参数保持不变粉煤灰与花岗岩石粉按照1:1取代水泥双掺条件下，细度为0-150μm双掺组的α值要<细度0-80μm双掺组，单掺花岗岩石粉组与双掺组的α值整体变幅接近，即混凝土早期碳化受双掺组花岗岩石粉的影响较大，其细度越小早期越易被碳化，这是由于相同质量情况下细度小的花岗岩石粉能够使水泥浆体更好地分散，有利于加快水泥水化[6-9]。由于双掺时粉煤灰加速二次水化反应，混凝土早期更易被0-80μm花岗岩石粉碳化，从而使得0-80μm组的后期密实度较高；此外，由于掺加0-80μm组的碳化深度较大，因此具有更长的CO2侵蚀路径，这在一定程度上降低了后期碳化速率，因碳化深度和密实度的增加0-80μm组的碳化速率有所下降，主要表现拟合公式的β较小。

3 结 语

1)在荷载不变情况下掺花岗岩石粉组的碳化速率、碳化深度均高于基准试验组，碳化深度随掺量的增加而增大，混凝土中加入掺合料后抗碳化性能有所下降。

2)在荷载作用及养护条件保持不变的情况下，随粉煤灰掺量的增加混凝土抗碳化性能不断下降，10%增大至20%时后期碳化速率明显增加，从20%增大至30%时后期碳化速率变化不明显，即粉煤灰掺量的进一步增加并未引起碳化速率的明显变化。

3)在其它参数保持不变粉煤灰与花岗岩石粉按照1∶1取代水泥双掺条件下，混凝土早期碳化受双掺组花岗岩石粉的影响较大，其细度越小早期越易被碳化，单掺条件的混凝土抗碳化性能劣于双掺条件下的混凝土。