寒冷地區混凝土抗碳化性能的研究

武銀君

（內蒙古自治區錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌027000）

隨著我國經濟建設的不斷發展，城鎮道路、高速公路和高速鐵路等基礎建設項目越來越多，道路和橋梁混凝土結構的耐久性也越來越受重視。在錫林浩特地區，正在建設中的G16丹錫高速 （丹東—錫林浩特 ）、赤峰—錫林浩特高速公路、207國道和303國道都穿過錫林浩特市。這些道路與橋梁在寒冷地區易受到凍融和碳化作用，影響其使用壽命。

錫林浩特位于我國華北西北部，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，無霜期短，結冰期長達5個月，寒冷期長達7個月，1月氣溫最低，平均－19℃，年平均氣溫只有1.7℃，為華北最冷的地區之一。據資料顯示，寒冷地區凍害是道路、橋梁等混凝土過早破壞的最主要原因之一，撒除冰鹽路面或遭遇海水等鹽浸環境則會加劇混凝土剝蝕和內部鋼筋銹蝕［1－2］。而在一般大氣環境條件下，混凝土碳化是鋼筋銹蝕的重要前提條件。鋼筋不斷的銹蝕促使混凝土保護層開裂，產生順鋼筋裂縫和剝落，導致粘結力減小、鋼筋受力面減小、結構耐久性和承載力降低等不良后果［3－4］。因此，寒冷地區混凝土結構除應具有良好的抗凍融循環性能外，還應具有良好的抗碳化性能。文中結合錫林浩特地區某高速公路橋梁混凝土施工的特點，在施工現場取料，制備了一系列混凝土試件，并與實驗室制備的研究試件一起，進行了凍融與碳化交替作用實驗來評估混凝土的耐久性能。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：冀東阿巴嘎旗有限責任公司生產的P.O42.5和P.O52.5水泥，前者用于配制C30混凝土（灌注樁、承臺和橋墩），后者用于配制C50橋梁混凝土。兩種水泥的物理性能如表1，質量滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準要求。

粗骨料：粗骨料為5～25mm連續級配，Ⅱ類碎石，最大粒徑25mm，含泥量0.37%，泥塊含量0.15%，針片狀含量3.2%，壓碎指標18.2%，所檢項目符合GB／T 14685—2011《建設用卵石、碎石》標準要求。

細骨料：細骨料為Ⅱ區Ⅱ類天然砂，細度模數3.0，含泥量1.3%，泥塊含量0.3%，氯離子含量0.007%，所檢項目符合GB／T 14684—2011《建設用砂》標準要求。

粉煤灰：用作混凝土摻合料的粉煤灰為F類I級灰，有關化學成分及物理性能如表2，其質量滿足GB 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準要求。

表2 粉煤灰化學成分及物理性能

高性能聚羧酸減水劑與水：減水劑采用山西桑穆斯建材化工有限公司生產的高性能聚羧酸減水劑，液態，固含量20.4%，減水率27%（對膠凝材料摻量1.0%），減水劑性能滿足GB 8076—2008《混凝土外加劑》所規定的標準型指標要求。混凝土拌合用水和養護用水均采用本地自來水，水質滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標準》要求。

1.2 配合比

本研究的混凝土主要有兩個強度等級，即C30混凝土與C50混凝土，試件的制備來自施工現場與實驗室，C30與C50混凝土配合比分別如表3和表4。

表3 C30混凝土配合比

表4 C50混凝土配合比

1.3 試驗方法

試驗方案分3組進行。第1組只進行凍融循環試驗，第2組進行凍融與碳化交替試驗，第3組只進行碳化試驗。每個編號需成型6條試件尺寸為100mm×100mm×400mm（用于第1組與第2組試驗），9塊試件尺寸為150mm×150mm×150mm（用于第3組試驗與抗壓強度試驗）。

試驗條件：第1組凍融循環次數為200次；第2組試驗采用每凍融25次后碳化1d，共凍融200次，碳化8d；第3組試驗碳化8d。碳化箱中CO2質量分數為10%，溫度均為（20±2）℃，相對濕度設為75%。試驗參照GB／T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。

混凝土經25次凍融循環后，采用相對動彈性模量和質量損失進行表征；混凝土經碳化后，測定其碳化深度。

2 結果與分析

2.1 凍融循環單一作用下混凝土性能

在凍融循環單一作用下，不同粉煤灰摻量對不同水膠比的混凝土，其經過相同凍融循環后，混凝土的質量損失率與相對動彈性模量變化是不同的。圖1是C30強度等級混凝土凍融后質量損失與相對動彈性模量變化情況。由圖1可以看出，沒有摻粉煤灰的混凝土試件（P0）抗凍融性能最差，試件P2抗凍融性能最好。隨著粉煤灰摻量由0%、10%、20%變化，混凝土的抗凍融性能越來越好，而摻30%粉煤灰的混凝土（P3）還要比沒有摻粉煤灰的混凝土試件（P0）抗凍融性能強一些。圖2是C50混凝土經凍融循環后質量損失與相對動彈性模量變化情況。從圖2可以看出，凍融后，試件M2抗凍融性能最好，摻粉煤灰的混凝土變化趨勢與圖1相一致，但由于混凝土的強度較高，質量損失與相對動彈性模量都要較C30混凝土小。值得注意是，無論是C30混凝土，還是C50混凝土，混凝土剛開始凍融時，質量損失與相對動彈性模量變化較小，有的甚至沒有變化，隨著凍融循環次數的增加，尤其經150次凍融循環后，質量損失與相對動彈性模量變化都相當大［5］。

上述的實驗結果表明，在混凝土中摻入10%～20%適量粉煤灰可以提高混凝土的抗凍融性能，而當粉煤灰摻量為30%時，混凝土的抗凍融性能又降低，這一結論與張譽等人［5－6］的試驗結果一致。有一點是可以肯定的，對摻粉煤灰的混凝土，只要加入適量的引氣劑（混凝土含氣量≥4.0%），混凝土的抗凍性能就能得到提高。

2.2 碳化單一作用下的性能

混凝土試件經28d標準養護后，再經8d的碳化實驗，其碳化深度如表5所示。從表5可以看出，無論是C30混凝土，還是C50混凝土，隨粉煤灰摻量增加，混凝土的碳化深度越來越大，當粉煤灰摻量為30%時，混凝土的碳化深度最大，即混凝土抗碳化能力最差。水膠比越?。ɑ炷翉姸仍礁撸炷量固蓟芰υ綇?。

表5 混凝土碳化深度

2.3 凍融與碳化交替作用下的性能

混凝土試件（P系列M系列）經過凍融與碳化交替后，相對動彈性模量變化較單一凍融循環變化幅度要小，變化趨勢與圖1和圖2相似。主要是因為混凝土碳化作用后，其內部變得更加致密，毛細孔數量減少，而毛細孔是混凝土凍融破壞的主要渠道。表6是混凝土試件經凍融與碳化交替作用后，混凝土的碳化深度。從表中可以看出，較單一的碳化作用相比，混凝土的碳化深度加大了許多，尤其是低強度等級的P系列混凝土，經凍融與碳化交替作用后，碳化深度成倍增加，即混凝土的抗碳化性能急劇下降；對強度等級較高的M系列混凝土而言，碳化深度增加的幅度較緩，但粉煤灰摻量較高的M3試件，碳化深度也較大。這說明，在凍融與碳化交替作用下，在混凝土中摻入大量粉煤灰（≥30%），對其抗凍融性能與抗碳化性能都影響較大，而適量摻入粉煤灰（10%～20%），有利于提高混凝土的抗凍融性能，對抗碳化性能影響較小?？傊搶嶒炚f明，實際工程中的混凝土在凍融與碳化雙重作用下，混凝土的抗凍融性能是有改善的，但混凝土的抗碳化性能急劇下降。

表6 混凝土經凍融與碳化交替作用后的碳化深度

3 結 論

a.在混凝土中摻入適量（10%～20%）粉煤灰可以提高混凝土的抗凍融性能，大摻量粉煤灰（≥30%）對混凝土的抗凍融性能與抗碳化性能都不利。

b.混凝土的強度越高，抗凍融與抗碳化性能越好?；炷量箖鋈谛阅艿淖兓幝墒牵簞傞_始凍融時，混凝土的相對動彈性模量和質量損失變化很小，甚至沒有變化，經過150次凍融循環后，相對動彈性模量和質量損失變化幅度明顯加大。

c.混凝土經凍融與碳化交替作用后，其抗凍融性能有所改善，但對混凝土抗碳化性能極為不利。

［1］ 蔣林華，那彬彬.凍融與碳化交替作用下的混凝土性能試驗［J］.水利水電科技進展，2012（8）：33－36.

［2］ 金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性［M］.科學出版社，2002.

［3］ 宋 華，牛荻濤，王國賓.礦物摻合料混凝土碳化性能試驗研究［J］.硅酸鹽學報，2009，37（12）：2006－2070.

［4］ 鄧會江，田正宏.凍融—碳化交替作用下混凝土耐久性試驗分析［J］.混凝土技術，2012（4）：62－66.

［5］ 周萬良，方坤河，詹炳根.摻粉煤灰、礦粉混凝土抗碳化性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2012（12）：14－19.

［6］ 張 譽，蔣利學.混凝土結構耐久性概論［M］.上?？茖W技術出版社，2003.