水泥-石灰石粉體系抗碳化效應研究*

逄建軍，王鏡堯，徐美清，湯建樹（1.重慶富普新材料有限公司,重慶 400707；2.重慶綠色建筑材料工程技術研究中心,重慶 400707）

0 引言

自然界CO2在一定溫濕度下與未水化的C3S和C2S及水化產物氫氧化鈣和水化硅酸鈣發生反應的過程為碳化過程[1]。該過程會加速鋼筋銹蝕，不利混凝土耐久性[2]。碳化過程是復雜的化學反應過程，水泥水化產物各組分和孔徑都會發生變化。早期漿體不密實，氣體滲透快，則碳化快，而后期漿體密實后，碳化速度變成擴散控制[3]。因此漿體密實度和早期強度會直接影響混凝土碳化速度和深度[4]。同時孔隙溶液中K+和Na+會起催化作用并促進碳化進程[5]。在混凝土體系中，石灰石粉不僅具有微晶核效應來優化界面過渡區[6]且微量參與反應生成單碳水化鋁酸鈣[7]具有微膨脹效應，但會降低混凝土密實度，使其抗CO2、Cl-或SO42-侵蝕能力減弱。

基于此，探討石灰石粉比表面積、礦物摻合料、早強劑、防水物質及CO2捕收劑對水泥-石灰石粉體系強度和碳化的影響，為提高水泥-石灰石粉混凝土體系抗碳化能力和促進石灰石粉高效利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

富皇P·O42.5水泥，比表面積380m2/kg，3d和28d抗壓強度分別為26.5MPa和50.5MPa；其化學組成見表1。

表1 水泥的化學成分分析 %

龍電II級粉煤灰，45 μm篩余19%，需水量比97%，7 d活性63%，28 d活性76%；鈺宏S95礦粉，45 μm篩余2.5%，7d活性78%，28d活性98%；三遠硅灰，SiO2含量94%，燒失量為4.5%。

硝酸鐵（FN），AR，西隴化工；硝酸鈣（CN），AR，西隴化工；防水石蠟乳液(FEP)，工業級，拓達防水；一乙醇胺(MEA，99%)，AR，西隴化工；三乙烯四胺(TETA，99%)，AR，西隴化工；N-甲基二乙醇胺(NDEA，99%)，AR，西隴化工。

1.2 不同比表面積石灰石粉的制備

稱量5 kg石灰石質砂，加入0.02%的三乙醇胺作為助磨劑，于Φ500mm×500mm標準水泥試驗磨中粉磨不同時間，甩料時間為3min。出料為不同比表面積石灰石粉過0.6mm標準篩。粉磨時間與比表面積的關系見表2。

表2 粉磨時間與比表面積的關系

1.3 性能測試方法

混凝土強度測定：標養條件下，測試混凝土7d和28d抗壓強度。其中C30混凝土配合比為：膠材∶砂∶石∶水=390∶815∶994∶165。依據 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，制備100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。

混凝土碳化深度測試：依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中碳化試驗的要求進行測試。試塊標準養護26d后取出于60℃下烘48h，烘干后留面石蠟密封進行7d碳化實驗。

1.4 混凝土配合比

實驗考慮不同比表面積石灰石粉體系、硅灰、礦粉和粉煤灰等摻合料體系及不同外加劑對混凝土強度和碳化深度的影響。其中體系混凝土配合比設計及編號見表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 實驗結果與討論

2.1 不同比表面積石灰石粉的影響

不同比表面積石灰石粉對水泥-石灰石粉混凝土體系28d抗壓強度和7d快速碳化深度的影響由圖1所示。由圖1可知，隨石灰石粉替代水泥比例增加，抗壓強度逐漸降低，碳化深度逐漸增加。當石灰石粉替代比例為40%時，隨石灰石粉比表面積的增加：抗壓強度先增加后降低，碳化深度先降低后增加，當石灰石粉比表面積為750m2/kg時，抗壓強度達37 MPa，碳化深度為14 mm，比摻比表為400 m2/kg的石灰石粉(1～2)強度高4MPa，碳化深度降低9 mm。

圖1 不同石灰石粉對混凝土強度和碳化深度的影響

適度提高石灰石粉比表面積能提高混凝土抗壓強度并降低碳化深度，可能與高比表面積物質的填充密實作用有關，但碳化深度依然較深，可能是混凝土密實度依然不夠所致。

2.2 不同礦物摻合料的影響

以1-2為基準，分別采用粉煤灰、礦粉和硅灰三種礦物摻合料替代石灰石粉，探討其對28d抗壓強度和7d快速碳化深度的影響，其結果由圖2所示。由圖2可知，礦物摻合料種類和摻量對混凝土強度和碳化影響不同，硅灰和礦粉可有效提高抗壓強度并適度降低碳化深度，粉煤灰摻入會增加碳化深度，當硅灰替代20kg時，28d抗壓強度為40MPa，比基準提高6 MPa，碳化深度為18 mm，比基準降低5mm。礦物摻合料的潛在火山灰活性會消耗部分氫氧化鈣，使體系堿性降低，更易碳化，但礦粉和硅灰能適度降低碳化與其比表面積較高體系密實度高有關[8]。

圖2 不同礦物摻合料對混凝土強度和碳化深度的影響

2.3 不同無機早強劑的影響

以1-2為基準，探討不同無機早強劑(硝酸鈣和硝酸鐵)及摻量(0.3%、0.5%和0.8%)對其對28d抗壓強度和7 d快速碳化深度的影響，結果由圖3所示。由圖3可知，隨硝酸鐵用量的增加，28 d抗壓強度適度增加，碳化深度降低明顯，摻量為0.8%時，碳化深度為13 mm，比空白降低11 mm；隨硝酸鈣摻量的增加，混凝土28 d強度呈降低趨勢，碳化深度逐漸增加。引入鐵離子后體系碳化深度降低可能是鐵離子通過形成氫氧化鐵凝膠堵塞氣孔并優化界面薄弱區[9]來實現適度增加混凝土密實度。

圖3 不同無機物對混凝土強度和碳化深度的影響

2.4 防水石蠟乳液的影響

以1-2為基準，探討防水物質的用量(0.1%、0.3%、0.5%和0.8%)對其28 d抗壓強度和7d快速碳化深度的影響，其結果見圖4。由圖4可知，隨防水石蠟乳液摻量的增加，混凝土28d抗壓強度逐漸降低，7d碳化深度呈先降低后增加趨勢，摻量為0.3%時，碳化深度最低，達11 mm，比空白降低12 mm。體系加入防水性物質后混凝土強度會降低，但會適度增加混凝土抗碳化性能。摻入較多防水物質后碳化深度增加可能與混凝土強度降低嚴重有關。

圖4 防水石蠟乳液對混凝土強度和碳化深度的影響

2.5 二氧化碳捕收劑的影響

根據文獻[10]，將MEA、NDEA和TETA按質量比1∶2∶0.2混合即為二氧化碳捕收劑（CH）。以1-2為基礎，探討捕收劑摻量（0.01%、0.03%、0.05%和0.08%）對其28d抗壓強度和7d快速碳化深度的影響，其結果見圖5。由圖5可知，隨碳補收劑摻量的增加，混凝土28d強度逐漸降低，碳化深度先降低后增加，當摻量為0.05%時，碳化深度最低達11 mm，比空白降低12mm，摻入較多捕收劑后碳化深度增加可能與超摻后，凝結時間延長，強度降低嚴重所致。

圖5 碳捕收劑對混凝土強度和碳化深度的影響

3 結論

對于水泥-石灰石粉混凝土體系，隨石灰石粉替代水泥比例增加，混凝土強度和抗碳化性能逐漸降低。當石灰石粉替代水泥比例為40%時，混凝土強度方面：硅灰替代20 kg石灰石粉時強度達最高，為40MPa，比空白高6MPa，高比表面積(750m2/kg)石灰石粉次之，為37MPa，比空白高4MPa，防水物質和過量硝酸鈣會影響混凝土強度；混凝土抗碳化方面：摻入0.3%防水石蠟乳液可使體系碳化深度降至最低，達11mm，比空白降低13mm，摻入0.8%硝酸鐵次之，碳化深度為13mm，比空白降低11mm，礦物摻合料替代石灰石粉不會有效降低碳化深度。

適度引入鐵離子、防水組分或較高比表面積石灰石粉來增加體系密實度和防水性能可提高水泥-石灰石粉體系混凝土抗碳化性能。