水泥強度等級對混凝土碳化耐久性的影響

李 倩，葉 青，2，黃秀弟，俞嘉陳，虞凱凱

LI Qian1，YE Qing1，2，HUANG Xiudi3，YU Jiachen1，YU Kaikai1

(1.浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州310014;3.紹興市華冠新型建材有限公司，浙江 紹興312000)

1 概 述

1989年，我國通過綜合調查發現建國初期的大多數建筑已無法滿足安全、經濟使用50 a 的要求，一般約30年就會大修，而處于嚴酷環境中的建筑物使用壽命則更短，僅20年左右［1］，其中最主要的原因是這些建筑只按安全性和適用性來設計結構，而忽略了耐久性設計［2］。因此，工程中除了應按強度設計鋼筋混凝土結構以外，還須考慮耐久性設計要求。

隨著工業的迅猛發展，環境中CO2的濃度(體積分數)持續升高，20 世紀80年代還只有0.03%，而今卻有0.04%，據專家分析，到21 世紀下半葉可能上升到0.05%［3］?？諝庵蠧O2濃度的提升使混凝土的碳化耐久性急劇下降，給工程造成了嚴重的經濟損失和安全事故［4-6］，因此由碳化導致混凝土結構破壞已列為耐久性的首要問題之一［7］。從20世紀90年代到21 世紀初，我國開始重視重大建筑工程的耐久性問題，并相繼完成了一批有關耐久性問題的國家重點工程項目［8］，例如:青藏鐵路、香港國際機場、三峽大壩、杭州灣跨海大橋等［9］。

但在一般工程中多數普通建筑仍舊只按強度要求來設計而并未考慮混凝土的耐久性問題，特別是在水泥的選用上盲目大意，膠材中又混入較多的混合材料和礦物摻和料［10］，這些都將使混凝土的碳化耐久性嚴重降低?；谏鲜銮闆r，本項目欲研究在標準養護條件下由不同標號的水泥配制的C35 混凝土抗碳化耐久性隨礦物摻合料含量的變化規律，揭示水泥強度等級對混凝土抗壓強度和抗碳化耐久性的影響。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥:某市售52.5 級普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強度分別為7.9、55.4 MPa，SO3含量為2.8%，比表面積為345 m2/kg;某市售42.5 級普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強度分別為7.1、45.5 MPa，SO3含量為2.9%，比表面積為330 m2/kg;水泥的化學成分見表1。

(2)礦渣微粉:杭州當地某煉鋼廠礦渣微粉，比表面積為425 m2/kg，其化學成分見表1。

(3)細骨料:由杭州當地某石礦石灰石碎屑和以石英為主的長江細砂混合而成，該混合砂的細度模數為2.6，級配為Ⅱ區，表觀密度為2.70 g/cm3，含泥量為2.0%。

(4)粗骨料:杭州當地某碎石，級配為5～31.5 mm，表觀密度為2.75 g/cm3，含泥量為0.5%。

(5)泵送劑:采用市售減水率為17%的泵送劑，以萘系減水劑為主，含固量為28% (摻入量以固體計)。

(6)水:自來水。

2.2 配合比的確定

現用42. 5 級普通硅酸鹽水泥配制水膠比為0.5、砂率42%的C35 混凝土，用52.5 級普通硅酸鹽水泥配制水膠比為0.6、砂率42%的C35 混凝土?；炷林蟹謩e摻入15%、30%、40%和50%的礦渣，減水劑摻量為1.8%，設計坍落度為150～200 mm。配合比見表2。

表1 水泥和礦渣微粉的化學成分(%)

表2 試驗用C35 混凝土的配合比及其28 d 抗壓強度

2.3 實驗步驟

按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2002)》測定混凝土拌合物的和易性，按《普通混凝土力學性能試驗方法(GB/T 50081—2002)》成型和測定抗壓強度，按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法(GB/T 50082—2009)》進行快速碳化實驗。實驗用100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體抗壓強度試件和100 mm ×100 mm ×300 mm的棱柱體抗碳化試件。將澆筑成型的混凝土試件靜停6 h 后移入標準養護室養護，24 h 齡期時拆摸，拆模后繼續早期保濕養護至28 d。其中早期保濕養護的溫度為(20±2)℃，相對濕度大于95%。

將養護28 d 后的立方體試件表面清除干凈，放在壓力機壓板上，并使試件的中心與下壓板中心對準，試件的承壓面與成型時的頂面垂直，在試驗過程中應連續均勻地加荷，試件壓碎時記錄抗壓強度值。

將養護28 d 后的棱柱體試件在60℃下烘48 h 后用熔化的石蠟對其側面和一個底面進行密封，放入碳化箱內進行快速碳化試驗，當快速碳化至3、7、14、28 d時，分別取出試件，將試件距一端50 mm 處劈裂，封蠟后繼續放入碳化箱內進行碳化，切下部分噴上1%的酚酞酒精溶液，并根據變色范圍量測其碳化深度。

2.4 主要試驗儀器

采用浙江土工儀器廠生產的機械壓力機和全自動混凝土碳化試驗箱，碳化控制箱內CO2體積分數保持在(20 ±3)%，相對濕度保持在(70 ±5)%［11］，溫度保持為(20 ±2)℃。

3 實驗結果與分析

3.1 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的抗壓強度比較

由表2 中的抗壓強度數據可知:用42.5 或52.5級水泥均可配制C35 混凝土并能滿足其配制強度，且當礦渣摻量一定時，兩者配制的C35 混凝土28 d抗壓強度基本相當。例如，在礦渣摻量分別為0%、15%、30%、40% 和50% 時，其相對比值分別是1.00、0.99、0.99、0.99 和0.97，可見，兩種水泥配制的C35 混凝土28 d 抗壓強度相差不超過3%。

3.2 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久性比較

3.2.1 碳化深度實測數據

42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土在不同礦渣摻量和不同快速碳化時間時的碳化深度實測數據見表3。

表3 由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度實測數據/mm

3.2.2 碳化深度數據分析C35 混凝土的碳化耐久性

由表3 中的碳化深度數據線性擬合得到的擬合曲線圖，見圖1、圖2。

圖1 42.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度擬合曲線圖

圖2 52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化深度擬合曲線圖

由圖1 和圖2 可知，由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時間t 符合D =kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關系式，其中k 為碳化速度系數，且k 隨著礦渣摻量的降低而減小。根據碳化速度系數k 可推算C35 混凝土在空氣中CO2體積分數為0.04%時的自然環境中完全碳化(即碳化達到混凝土保護層厚度，假設為25 mm)所需的時間，下文稱混凝土的碳化耐久年限。

由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化系數和碳化耐久年限見表4。

表4 42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化系數和碳化耐久年限

由表4 可知，在當今CO2體積分數為0.04%的自然環境中，當礦渣摻量分別為0%、15%、30%、40%和50%時，由42.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限均能達到設計使用年限50 a 以上，而由52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限在礦渣摻量超過40%時已不能達到50年。

在礦渣摻量一定的條件下，若以52.5 級水泥配制的C35 混凝土的碳化年限為基準，則42.5 級水泥配制時的碳化年限與基準的相對比值分別為1.36、1.32、1.29、1.25 和1.19，可見用42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化年限更高，至少比52.5 級水泥配制的高15%。

由此可知，當礦渣摻量超過40%時，用52.5 級水泥配制C35 混凝土已達不到設計使用年限50年的要求;當礦渣摻量不超過40%時，用42.5 級水泥或52.5 級水泥配制的C35 混凝土都能超過設計年限50年，但42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化耐久性更好、抗碳化性能更強。

4 討 論

由于水泥生產工藝和質量的提高，使當今水泥具有細度高、混合材料摻量高、熟料中早強礦物數量多、早期強度發展快的特點，水泥強度也比以往提高1～2 個等級，這有利于配制高強混凝土，但對配制C25～C40 混凝土來講帶來了水灰比大、孔隙率大、耐久性低的問題。此外，為了增大混凝土的抗裂能力、減小水化熱和節約成本，拌制混凝土時常摻入15%～40%的礦渣等摻和料，使混凝土的堿度降低，抗碳化能力減弱。再加上當今CO2體積分數持續上升，混凝土的抗碳化能力進一步下降。在上述條件下，實際工程中的鋼筋混凝土結構即使強度等級達到了設計要求，但其抗碳化耐久性已經受到了嚴重的影響，導致大部分結構未達到設計使用年限就提前失效。

當今工程上習慣用52.5 而不是用42.5 級水泥來配制C35 混凝土，導致所配C35 混凝土的水膠比更大，水泥用量更少。由于水膠比大，混凝土內部毛細孔多，致使混凝土碳化深度大［12］;水泥用量減少，混凝土密實度下降，碳化速度加快［13］，導致抗碳化能力小。因此，用52.5 級水泥配制的C35 混凝土的抗碳化耐久性大大降低。以本研究數據為例，在礦渣摻量達到50%時，由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土自然碳化(空氣中CO2體積分數以0.04%計)達到保護層厚度(25 mm)所需時間分別為53.3年和44.7年，相差將近9年?？梢姡?2.5 級水泥配制C35 混凝土的抗碳化能力比用52.5 級水泥配制時更強。

5 結 語

由42.5 或52.5 級水泥配制的C35 混凝土的28 d 抗壓強度基本相等，相差不超過3%;但其抗碳化能力差異較大，在CO2體積分數為0.04%的條件下，用42.5 級水泥配制的C35 混凝土碳化年限更長，至少大于用52.5 級水泥配制時的15%。

C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時間t 符合D=kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關系式，且碳化速度系數k 隨著礦渣摻量的降低而減小。當礦渣摻量超過40%時，用52.5 級水泥配制的C35混凝土已無法保證設計使用年限50 a 的要求。

在當今C25～C40 混凝土工程中面臨水泥強度較高、水灰比較大、膠材中混合材料和礦物摻和料較多等不良情況，導致混凝土的抗碳化能力嚴重下降。為充分考慮鋼筋混凝土結構的強度設計和耐久性設計，建議優先選用42.5 級水泥來配制C35 混凝土。

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