C3S含量對鐵路常用混凝土碳化的影響

張國帥　周潤

摘 要：鋼筋混凝土作為建筑耗材在鐵路線路建設中得到了廣泛極為的應用，各類因素對其性能的影響也得到了學者的廣泛關注。雖然，其中碳化對混凝土性能的影響尤為重要，但目前相關研究較少、影響因素考慮尚不全，尤其是膠凝材料中各類氧化物比例對碳化的影響亟待進一步研究。本文以鐵路常用混凝土為研究對象，在實驗室標準條件下采用控制變量法，針對C3S所占不同比例對混凝土碳化的影響進行了分析研究，對復雜環境下的鐵路工程具有很好的實用性。

關鍵詞：C3S；碳化；水化；活性指數；飽和溶解度；強度

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

1 基礎理論

水化后，水泥中含有氫氧化鈣、水化C3A、水化C3S、水化C3AF、水化硅酸二鈣，因而剛形成的混凝土的pH值一般為12.1。在未發生碳化作用下，此時堿性環境為鋼筋產生的鈍化膜處于十分穩定的狀態。

但隨著空氣中CO2、SO2溶于混凝土所含的水分中，從而產生酸性溶液，與其中的堿性堿性物質發生反應，降低混凝土中pH值。

由于C3AF后期反應慢，當混凝土拌合物生成時，仍有20%-36%的C3AF尚未被水化而是以鐵相固溶體狀態存在于混凝土中，而在后期遇到水又發生二次水化反應，生成C3A和水化鐵酸鈣，生成物質呈堿性，能夠中和掉通過空隙滲透進的酸性溶液，并維持混凝土堿性環境[4]。

此外，混凝土中的Ca2+與CO32-發生反應生成CaCO3沉淀于孔壁表面，從而一定程度影響混凝土孔隙率。同時，摻料礦粉中的活性物質在發生水化反應是會生成較多的膠凝，能填充部分混凝土空隙，進一步降低混凝土孔隙率，以減少Cl—的入侵，提高混凝土的密實度[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 研究方法和實驗

2.1 研究方法

本文研究針對一般鐵路線路環境下的混凝碳化問題展開，采用控制變量法，分別以同一品牌水泥中C3S與C3AF作為單一變量，分別制作如表1中14種比例配比試件28組試件，其中編號A、B兩組為基準對照組。

在種配比中，并同時探究了，同一條件下，混凝土碳化深度與強度之間關系。

2.2 實驗流程及方法

2.2.1 試件制作及養護

具體試件制作流程如下：

①制作100 ×100 ×100mm3預制混凝土試塊；

②試件脫模后即放入標準養護室（ T = 20℃±3℃、RH≥95%）內養護28天；

③試件養護完畢后即取出放在室內自然環境，然后放入105℃烘箱內烘干48h，冷卻至常溫，保留試件成型時的相對兩側面，其余各表面采用石蠟密封；

④將試件放入按表1設定好溫濕度氣候條件、CO2濃度的碳化室內進行碳化，在碳化過程中每24h檢查一次碳化箱內CO2濃度，并隨時進行補充以保證CO2的濃度在20% ±1%；

綜合分析認為：由于C3S在膠凝材料中所在比例大，水化速度快，早期強度高等特性。隨水泥中C3S含量提高，在水化后，達到飽和溶解度的所用時間縮短，進而提高構件強度[6]。另一方面，由于C3S細度模數大于水泥中其他物質，以此便于加快水化，水化速度過快不利于混凝土內部結構進行堿儲備，以至于構件抗碳化性能降低[7]。同時，C3S水化后所產生的C-S-H為固相共溶體，不利于構件密實，當C3S含量增加，將導致混凝土中的孔隙和毛孔管數量增加，混凝土抗滲透性能減弱，進而加深碳化深度。因此，提高水泥中C3S的相對比例，存在以上特點。

根據以上實驗分析，我們可以得出，在使用混凝土構件的工程中，需要根據工程實際應用情況來選擇其水泥中C3S含量的水泥，以便達到更好的使用效果。

當構件對抗壓強度要求較高時，我們可以適當提高水泥中的C3S含量，例如路基、房屋基礎等。

當構件對使用壽命要求較高時，從抗碳化的方面考慮，我們適當維持水泥中的C3S含量在45%-50%之間，應用工程如城市標志性建筑、鐵路隧道、地鐵工程等。

3 結論

綜合分析本文得到以下結論：

（1）混凝土抗碳化性能隨C3S在水泥中含量的增長而減弱，兩者近似為反比關系。但混凝土強度與水泥中C3S含量，兩者近似為正比關系。在一定范圍內，在C3S含量的增長情況下，抗壓強度隨碳化深度增加而增加。

（2）如構件受拉力時應酌情降低水泥中C3S的含量，以提高構件抗碳化性能，增強抗拉性能和使用壽命。如果對抗壓強度要求過高的構件，需提高水泥中C3S的含量，增加其抗壓性能。

參考文獻：

[1]楊靜.混凝土的碳化機理及其影響因素[J].混凝土，1995（06）：23-28.

[2]馮乃謙.高性能混凝土[M].北京：中國建筑出版社，1996.

[3]阿列克謝.耶夫.鋼筋結構混凝土中鋼筋腐蝕與保護.

[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