水泥顆粒分布對混凝土抗碳化性能的影響

歐陽克連 吳笑梅 樊粵明

(1 廣州市華力新建材科技有限公司；2 華南理工大學材料與工程學院）

0 引言

混凝土是一種堿性材料，它可以在鋼筋表面形成一層鈍化膜，從而避免鋼筋銹蝕。而鋼筋銹蝕的原因之一是外界二氧化碳滲入混凝土內部，使得混凝土中性化，鋼筋失去了鈍化膜而可能被侵蝕而產生銹蝕現象，從而破壞了鋼筋在鋼筋混凝土中的骨架支撐作用，使得建筑耐久性不良。混凝土的碳化主要是空氣中的二氧化碳與水泥水化產物發生反應。水泥水化產物主要是Ca(OH)2和水化硅酸鈣C-S-H，空氣中的CO2通過混凝土的孔隙和毛細管由表及里滲入并與這些水化產物以及中間體進行碳化反應。混凝土的碳化改變了混凝土的化學成分和組織結構，對混凝土力學性能有明顯的影響。

水泥顆粒分布與水泥及混凝土的許多主要性能，如強度、密實性、需水量等都有較大關系，它也是目前現代化水泥生產廠調控水泥品種、強度等級及某些施工性能的主要手段之一。顆粒分布對混凝土強度有很大的影響[1]。顆粒分布較寬的水泥，在水灰比及外加劑用量相同的情況下，配制的水泥砂漿或混凝土具有良好的密實性及孔結構[2]。調整水泥顆粒分布，增加細粉含量，實現最佳堆積密度可最大限度地減少顆粒之間的三角空隙區，降低所需水膜厚度，達到降低用水量，提高砂漿流動性，提高混凝土強度和密實性的目的[3]。水泥的顆粒大小分布影響混凝土的孔隙率、水化率以及密實度，而這些因素對于混凝土的抗碳化性能起重要作用。

1 實驗原材料及方法

1.1 實驗原材料

本實驗選用珠江水泥廠的開流磨(ZK)和閉路磨(ZB)兩種不同顆粒分布的水泥作為實驗原材料。其顆粒分布如表1，表中可以看出，開流磨(ZK)水泥5～30μm顆粒含量為52.72%，閉路磨(ZB)水泥5～30μm顆粒含量為63.03%，閉路磨(ZB)水泥顆粒分布要窄。

表1 ZK與ZB水泥顆粒分布

1.2 實驗方法

1.2.1 混凝土試件的成型

根據GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》成型混凝土試件（規格為100mm×100mm×100mm）。采用SJD 型強制式單臥軸混凝土攪拌機進行混凝土的攪拌。混凝土的配合比及坍落度如表2所示。

表2 混凝土配合比

其中配合比A 表示純水泥配制的混凝土，配合比B表示單摻石灰石粉30%（超摻系數為1.2）的混凝土。

1.2.2 加速碳化實驗

按照普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法GB/T50082-2009進行碳化實驗。

1.2.3 漿體的PH測定

實驗設備采用瑞士785DMP 自動電位滴定儀器。實驗采用固液萃取法測定孔隙液相pH值，實驗步驟：

⑴將混凝土試件敲碎，取試件內部的砂漿試塊，將砂漿試塊進行研磨后過0.08mm篩；

⑵稱取過完篩的試樣（粒徑≤0.08mm）10g，再加入10 倍重量的蒸餾水，密封以防止碳化；將試樣振蕩2 小時后進行過濾，得到的濾液需靜止24h；用自動電位滴定儀對濾液測PH值。

1.2.4 顆粒分布的測定

顆粒分布按沉降天平法測量，實驗所用儀器為TZC-4顆粒測定儀。

2 結果與討論

2.1 水泥顆粒分布對混凝土抗碳化性能的影響

2.1.1 混凝土抗壓強度實驗結果

配合比A 的混凝土為不摻摻合料的基準混凝土，其養護條件為標準養護，即養護溫度20±2℃，相對濕度≥95%。由珠江水泥開流磨（ZK）和閉路磨(ZB)的兩種水泥配制的配合比A的混凝土抗壓強度數據如表3所示。

表3 純水泥混凝土抗壓強度實驗結果

實驗數據顯示，標準養護28d 后ZK 與ZB 兩種混凝土的強度相近。經碳化后兩種純水泥混凝土的強度均降低，這是因為在碳化過程中使得混凝土結構被破壞，因此抗壓強度降低。

配合比B的混凝土為單摻30%石灰石摻合料的混凝土試塊(ZKS 表示添加石灰石摻和料的開流磨水泥，ZBS表示添加石灰石摻和料的閉路磨水泥)。因為在實際工程施工過程的養護無法達到標準養護條件，為了切合工程實際，單摻摻合料的混凝土碳化實驗選用非標準養護條件，即養護溫度15℃，相對濕度60%。此外由于在純水泥混凝土的快速碳化實驗中發現由于標準養護使得混凝土的碳化深度差距不夠明顯，因此選用非標準養護條件可以放大混凝土試塊的碳化深度以便對比分析。表4為單摻石灰石粉的混凝土抗壓強度的實驗結果。

表4 單摻石灰石粉混凝土抗壓強度實驗結果

從實驗數據上看，ZKS 和ZBS 非標準養護28d 強度相當，而與標準養護的基準混凝土相比，非標準養護的摻石灰石粉的混凝土養護28d 強度明顯要低。從已有理論分析，這是因為非標準養護條件下溫度和濕度較低，不利于水泥的水化，導致混凝土水化進程變慢，從而影響強度；另一方面，由于加入了石灰石摻合料，減少了水泥用量，使得C-S-H 凝膠減少，混凝土膠結作用降低，從而降低強度。

與標準養護情況不同的是，進行快速碳化實驗6d后摻石灰石摻和料的混凝土的抗壓強度提高了。從已有理論上分析，是因為在非標準養護條件下，混凝土試塊的孔隙較多，經碳化反應后所產生的碳酸鈣填充了混凝土的孔隙，使得混凝土的結構變得更加致密，提高了抗壓強度。

2.1.2 水泥顆粒分布對混凝土抗碳化性能的影響

將養護28d 齡期后的混凝土放入碳化箱中進行加速碳化實驗，然后經過一定時間間隔取出并測量碳化深度，并結合圖表進行分析。

⑴首先是配合比A，即不摻摻合料的基準混凝土。在標準養護條件（養護溫度20±2℃，相對濕度≥95%）下養護28d 后進行加速碳化實驗。碳化實驗結果如表5、圖1所示。

圖1 純水泥混凝土碳化曲線

圖2 摻石灰石混凝土碳化曲線

表5 純水泥混凝土碳化深度實驗結果

從碳化結果可以看出，碳化深度在碳化3d 時ZK 比ZB 的較大，而到了3d 以后，ZB 的碳化深度要比ZK 的碳化深度更大。結果表明：早期ZB 的抗碳化性能要優于ZK,而到了后期，ZK 在抗碳化性能上要優于ZB。從實驗結果分析可知：較寬的水泥顆粒分布有利于提高混凝土后期的抗碳化性能。

⑵配合比為B（摻加30%石灰石粉）的混凝土在非標準養護條件（養護溫度15℃，相對濕度60%）下養護28d后進行加速碳化實驗。碳化實驗結果見表6。

表6 摻石灰石混凝土碳化深度實驗結果

表7為將水泥和石灰石粉充分混合均勻后的ZKS和ZBS 的水泥顆粒分布實驗結果，從表中可以看處，開流磨(ZKS)水泥的5～30μm的顆粒含量為57.35%，閉路磨(ZBS)水泥的5～30μm 的顆粒含量為64.57%，閉路磨(ZBS)水泥的顆粒分布要窄。

表7 ZKS與ZBS的水泥顆粒分布

從碳化結果可以看出，摻加石灰石粉的混凝土碳化較快，ZBS 在碳化5d 后就已經穿透，ZKS 在碳化6d 后才被穿透。從圖2 可以發現ZBS 的碳化曲線在ZKS 碳化曲線的上方。從ZKS 和ZBS 的顆粒分布對比可以發現ZBS的顆粒較為集中，即ZKS的顆粒分布比ZBS的顆粒分布要寬，這與ZKS 的碳化深度比ZBS 的碳化深度小是相對應的。綜上分析可知，對于單摻30%石灰石粉的混凝土，顆粒分布較窄會降低混凝土的抗碳化性能。

3 結論

⑴標準養護條件下，與用閉路磨水泥配制的混凝土相比，用開流磨水泥配制混凝土碳化3d 后碳化深度較大，而3d 后碳化深度均要比閉路磨基準混凝土小；碳化對標準養護的混凝土強度有破壞作用。

⑵在低溫低濕的非標準養護條件下，單摻30%石灰石粉的混凝土碳化深度則始終是開流磨水泥混凝土小于閉路磨水泥混凝土。反映出水泥顆粒分布寬有利于提高混凝土的抗碳化性能。在這種養護條件下，適當的碳化有利于混凝土強度。