普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土抗碳化性能的試驗研究

吳艷青

（山東華森興隆混凝土有限公司，山東 濟南 250000）

0 前言

混凝土結構是土木工程領域應用最為廣泛、最為常見的。眾所周知，鋼筋混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料，然而，在荷載和環境等因素作用下，仍然存在材料老化、腐蝕，以及由此引起的結構性能劣化等問題。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。鋼筋不斷地銹蝕促使混凝土保護層開裂，產生沿筋裂縫和剝落，進而導致粘結力減小、鋼筋受力面積減小、結構耐久性和承載力降低等一系列不良后果。因此，進行混凝土碳化研究，無論是對既有建筑物的耐久性評定、維修加固還是對建筑物的耐久性設計均有重要意義[1-2]。

混凝土碳化主要是指空氣中的 CO2等酸性氣體與混凝土中的液相堿性物質發生反應，造成混凝土堿性下降和混凝土中化學成分改變的中性化反應過程，可碳化物質是在水泥水化過程中產生的，主要是氫氧化鈣（Ca(OH)2），此外還有水化硅酸鈣（CaO·32SiO2·3H2O），未發生水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣在有水分的條件下也能參與碳化反應[3]。

本文主要研究了普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度隨水灰比、試驗養護齡期、粉煤灰摻量的變化規律；同時利用 SEM 對其進行微觀分析。

1 原材料、試驗方法、試驗方案設計

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），山東濟南山水水泥集團；Ⅱ級粉煤灰，山東濟南黃臺電廠；砂：濟南市郊，細度模數 2.85，含泥量 1.4%，級配良好；石子：5～31.5mm 連續級配碎石，級配良好，濟南市郊；外加劑：聚羧酸系高性能減水劑，山東建筑科學研究院。普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學成分見表 1。

表 1 普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學成分 %

1.2 試驗方法

將新拌混凝土加入 150mm×150mm×150mm 試模中進行成型，在溫度 (20±5)℃、相對濕度 (90±2)%標準養護室內養護，養護至 24h 后脫模，脫模后放入(20±3)℃ 水中養護至規定碳化齡期后取出，放入溫度(60±2)℃ 的干燥箱中烘干 48 小時，然后留成型的兩個上下面，其余的各面用石蠟密封完好，放入標準碳化箱中進行碳化，碳化至 3d、7d、14d、28d，從碳化箱中取出，用壓力機把試塊沿未涂石蠟的側面從中間劈開，滴加 1% 酒精酚酞溶液，30s 后以每各 10mm 讀取碳化深度，并三個試塊取平均作為碳化深度試驗結果。

1.3 試驗方案設計

本試驗分兩種方案進行，各組混凝土配合比見表 2。第 1 種方案為水灰比分別為 0.48、0.44、0.40、0.36、0.32，粉煤灰摻量都為 30%，試件標準養護齡期為 7d，試驗序號為 A；第 2 種方案為粉煤灰摻量分別為 0、10%、20%、30%、40% 和 50%，水灰比都為0.36，試件標準養護齡期為 7d，試驗序號為 B。

2 試驗結果與分析

2.1 水灰比對混凝土碳化深度的影響

水灰比對普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度的影響試驗結果見表 3 和圖 1。

表 2 普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土配合比

表 3 水灰比對混凝土碳化深度的影響 mm

圖 1 水灰比對高性能混凝土碳化深度的影響

從圖 1 中可以看出：隨著水灰比的降低，其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土抗碳化能力提高；隨著碳化齡期的延長，其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的碳化深度增加，即水灰比越小，其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土抗碳化能力越強，碳化時間越長其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度越大。

主要原因是水灰比是影響普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內部結構的主要因素，水灰比越小，其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內部結構密實性越差，即內部孔隙越多、大孔較多、小孔較少、未水化水泥顆粒多，等等，因此，CO2在其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內部就越易擴散，因而其高性能混凝土碳化性能下降。

2.2 粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響

粉煤灰摻量對普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化性能影響的試驗研究結果見表 4 和圖 2。

從圖 2 可以看出：當粉煤灰加入普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土后，其碳化深度先降低后增加，存在某一最佳摻量，即在 30% 摻量下其高性能混凝土碳化深度最低。

圖 2 粉煤灰摻量對高性能混凝土碳化深度的影響

2.3 試驗養護齡期對混凝土碳化深度的影響

本試驗測試不摻粉煤灰和粉煤灰摻量為 30% 時，分別標養 7d 和 28d 后，各碳化齡期的混凝土碳化深度。結果見表 5 和圖 3。

表 5 養護齡期對混凝土碳化深度的影響 mm

從圖 3 中可以看出：無論是否加入粉煤灰，普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度都隨著養護齡期的延長而降低，特別是不加粉煤灰的普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土降低比較明顯。主要因為：隨著試件養護齡期的延長，混凝土漿體中水泥礦物顆粒水化比較充分，硅膠和鋁膠（水化產物）就多，內部結構得到細化，高性能混凝土內部結構更加密實。因此，CO2氣體向普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內部擴散的阻力就越大，使其抗碳化性能增強。

圖 3 養護齡期對高性能混凝土碳化深度的影響

2.4 普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土微觀結構的分析

圖 4、圖 5 分別是普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化前、完全碳化后的 SEM 分析。

從圖 4 和圖 5 中可以看出：普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化后，其內部含有大量石膏、CaCO3、SiO2，還有少部分鋁膠存在，而水化產物（硅膠和鈣礬石）基本沒有；而普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化后碳化前，其內部中有大量水化產物（硅膠、鋁膠、鈣礬石等）的存在。這說明：普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土中的大部分水化產物都發生碳化，從而使普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內部堿性降低，同時使高性能混凝土內部結構密實性降低，進而導致其高性能混凝土各種性能（抗碳化性能等）的變化。

3 結論

（1）隨著水灰比的升高，普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能降低。

（2）粉煤灰在一定摻量范圍內，使普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能提高，且存在其最佳摻量 30%。

（3）隨著標準養護齡期的延長，其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能提高。

圖 4 混凝土碳化前 SEM-能譜分析