寒冷地區(qū)混凝土抗碳化性能的研究

武銀君

（內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌027000）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)道路、高速公路和高速鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)項目越來越多，道路和橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也越來越受重視。在錫林浩特地區(qū)，正在建設(shè)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(qū)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(qū)，無霜期短，結(jié)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(qū)之一。據(jù)資料顯示，寒冷地區(qū)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(huán)境則會加劇混凝土剝蝕和內(nèi)部鋼筋銹蝕［1－2］。而在一般大氣環(huán)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(chǎn)生順鋼筋裂縫和剝落，導致粘結(jié)力減小、鋼筋受力面減小、結(jié)構(gòu)耐久性和承載力降低等不良后果［3－4］。因此，寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)除應(yīng)具有良好的抗凍融循環(huán)性能外，還應(yīng)具有良好的抗碳化性能。文中結(jié)合錫林浩特地區(qū)某高速公路橋梁混凝土施工的特點，在施工現(xiàn)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(chǎn)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(zhì)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(xù)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(shè)用卵石、碎石》標準要求。

細骨料：細骨料為Ⅱ區(qū)Ⅱ類天然砂，細度模數(shù)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(shè)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(guān)化學成分及物理性能如表2，其質(zhì)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(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，液態(tài)，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(guī)定的標準型指標要求。混凝土拌合用水和養(yǎng)護用水均采用本地自來水，水質(zhì)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(xiàn)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(huán)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(huán)次數(shù)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(zhì)量分數(shù)為10%，溫度均為（20±2）℃，相對濕度設(shè)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(jīng)25次凍融循環(huán)后，采用相對動彈性模量和質(zhì)量損失進行表征；混凝土經(jīng)碳化后，測定其碳化深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)單一作用下混凝土性能

在凍融循環(huán)單一作用下，不同粉煤灰摻量對不同水膠比的混凝土，其經(jīng)過相同凍融循環(huán)后，混凝土的質(zhì)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(zhì)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(jīng)凍融循環(huán)后質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(huán)次數(shù)的增加，尤其經(jīng)150次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失與相對動彈性模量變化都相當大［5］。

上述的實驗結(jié)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(jié)論與張譽等人［5－6］的試驗結(jié)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(jīng)28d標準養(yǎng)護后，再經(jīng)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。水膠比越小（混凝土強度越高），混凝土抗碳化能力越強。

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(jīng)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(huán)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(nèi)部變得更加致密，毛細孔數(shù)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(jīng)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(jīng)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。總之，該實驗說明，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(jīng)凍融與碳化交替作用后的碳化深度

3 結(jié) 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。混凝土抗凍融性能的變化規(guī)律是：剛開始凍融時，混凝土的相對動彈性模量和質(zhì)量損失變化很小，甚至沒有變化，經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量和質(zhì)量損失變化幅度明顯加大。

c.混凝土經(jīng)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海科學技術(shù)出版社，2003.