高原干燥高寒地區混凝土碳化性能研究

張海霞，王龍志，張會冰，張雪，崔鑫

（山東建澤混凝土有限公司，山東　濟南　250101）

高原干燥高寒地區混凝土碳化性能研究

張海霞，王龍志，張會冰，張雪，崔鑫

（山東建澤混凝土有限公司，山東濟南250101）

為西部大開發提供技術支持、保證混凝土工程質量、以青海省玉樹援建項目為依托，開展了高原干燥高寒地區混凝土碳化性能研究。在相同外部環境條件下，研究混凝土粉煤灰摻量、混凝土強度等級對混凝土碳化的影響；在相同混凝土配合比、相同二氧化碳濃度條件下，研究溫濕度對混凝土碳化的影響；研究不同地區混凝土碳化情況。研究表明：隨粉煤灰摻量的提高、混凝土強度的降低，混凝土碳化深度增大；隨溫度的增高、相對濕度的降低，混凝土碳化深度增大；環境溫度對混凝土碳化的影響大于環境相對濕度對混凝土碳化的影響。

高原干燥高寒；碳化；粉煤灰摻量；強度等級；濕溫度

0　前言

中國建筑玉樹援建項目的各類建筑，總建筑面積約 79 萬平方米，共計 150 個子項目，混凝土總需求量約 30 萬立方米。玉樹地區自然條件嚴酷，平均海拔 4200m 以上，高寒缺氧、太陽輻射異常強烈、晝夜溫差大，最低氣溫零下 42%，氣候環境惡劣，為了保證重建工程的質量，對混凝土耐久性能提出更高的要求。

混凝土碳化試驗是檢驗混凝土結構耐久性的一個重要指標。以青海玉樹援建項目為依托，通過試驗室試驗、現場模擬驗證的方法對影響混凝土碳化速度的因素進行分析，重點研究高原干燥高寒地區混凝土碳化速度發展規律，并在此基礎上研究控制、預防混凝土碳化的技術措施。

1　組成材料

1.1水泥

本試驗選用 P·O42.5 水泥，該水泥早期強度高、后期強度增長快且對當地外加劑適應好，表 1 為水泥的基本性能指標情況。

表1　P·O42.5 水泥性能指標

1.2集料

本試驗選擇當地砂場細集料，粗集料采自當地采石場（河卵石二次破碎形成的 5～31.5mm 連續粒徑碎石），要求碎石針片狀含量不得超過 8%，堅固性及堿活性滿足相關標準要求，表 2 為集料性能指標情況。

表2　混凝土集料性能測試表

1.3粉煤灰

粉煤灰選用 Ⅱ 級灰，性能指標見表 3。

表3　粉煤灰性能指標%

1.4外加劑

外加劑選用具有低溫、早強、耐腐蝕、減水率高、引氣效果好的西寧宣達建材有限公司生產的 MKJ 高效復合防凍泵送劑，摻量為 4.5%。

2　影響混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴隨著 CO2氣體向混凝土內部擴散，溶解于水并與水化產物發生化學反應的一個復雜的物理化學過程，從根本上講是其自身內部條件與外部環境共同作用的結果。從混凝土自身條件來說，混凝土強度等級、配合比以及密實度都會影響混凝土的碳化反應，同時施工質量和養護條件也對混凝土碳化有影響；從混凝土外部環境來說，空氣的溫濕度及 CO2的濃度也對混凝土碳化有影響。

3　試驗及結果分析

通過在試驗室對混凝土碳化的內部影響因素和外部影響因素進行研究分析，同時與工程中混凝土碳化進行比較，研究影響混凝土碳化深度和碳化速度的因素，便于控制及預防混凝土的碳化破壞。

3.1內部影響因素

內部影響因素主要從相同外部環境下，不同配合比、不同強度等級方面進行研究，分析這二個方面對混凝土碳化及碳化速度的影響。

3.1.1混凝土配合比對碳化速度的影響

由于青海玉樹資源缺乏且交通不便，在材料選擇上沒有大的空間，因此從混凝土配合比上進行研究。以C30強度等級混凝土為例進行分析，具體配合比如表4所示。

表4　混凝土各強度等級及材料用量　kg/m3

依據 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，對相同強度等級不同粉煤灰摻量的混凝土試件進行碳化試驗，采用混凝土快速碳化箱，按標準中的快速碳化方法進行碳化試驗，具體試驗數據如圖 1 所示。

圖1　粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響

由圖 1 可知，在相同外部環境條件下，隨著齡期的增長，碳化深度都在不斷加深。而同齡期的碳化深度，隨著粉煤灰的摻量的增加而增大，即粉煤灰的加入會加劇混凝土的碳化。

3.1.2強度等級對碳化速度的影響

在外部環境、原材料品種相同的條件下，對不同強度等級混凝土進行碳化試驗，其中各強度等級中粉煤灰摻量均為膠凝材料摻量的 15%，具體強度等級及材料組成見表 5。

表5　不同強度等級及材料組成 kg/m3

不同強度等級混凝土的碳化試驗結果如圖 2 所示。

圖2　不同強度等級碳化深度試驗

由圖 2 可知，在相同外部環境作用下，隨著齡期的增長，各強度等級的混凝土碳化深度都在加深。而同齡期的碳化深度，隨著強度等級的增大而減小，高強度等級的混凝土其致密性高于低強度等級，其碳化深度低。

3.2外部影響因素

主要從空氣溫濕度方面對外部影響因素進行分析研究。以強度等級為 C30 的普通泵送混凝土配合比為例，保持 CO2濃度不變，變換空氣不同的溫度、濕度進行碳化試驗，混凝土配合比組成如表 6 所示。

表6　C30 強度等級混凝土配合比　 kg/m3

為達到較為明顯的混凝土碳化深度對比效果，CO2濃度統一設定為 20%，溫濕度組合如表 7 所示。

表7　混凝土碳化試驗中溫濕度條件組合情況

具體試驗過程為：試件采用 100mm×100mm×100mm試件，每組 3 塊，其碳化深度取 3 塊試件的碳化深度算術平均值，碳化時間取 28d 為準，具體試驗結果如圖 3、圖 4 所示。

圖3　環境溫度與混凝土碳化深度的關系

圖4　環境相對濕度與碳化深度的關系

從圖 3、圖 4 可以看出，環境溫濕度對混凝土的碳化速度有明顯影響，而且環境溫度對碳化深度的影響高于環境相對濕度。環境相對濕度不變，隨著環境溫度的升高，混凝土的碳化深度顯著增大。例如：相對濕度 70% 時，環境溫度從 10℃ 提高至 50℃，混凝土的碳化深度由 7.1mm 提高至 21.1mm，提高了 3 倍。而環境溫度不變，隨著相對濕度的增加，混凝土的碳化深度明顯減小。例如：環境溫度 30℃時，環境相對濕度從 30% 增大到 70%，混凝土的碳化深度從19.3mm 降至 14.3mm，降低約 25%。

3.3工程驗證

玉樹地區自然條件嚴酷，全州氣候只有冷暖之別，無四季之分，全年冷季 7～8 個月，全年暖季 4～5 個月，沒有絕對無霜期，氣候寒冷而干濕不均，年平均氣溫 -0.8℃，年最低氣溫 -42℃，最高氣溫 28℃，年平均降水量 463.7mm，空氣含氧量要比海平面空氣含氧量低 1/3～1/2，其年相對濕度在 10%～40%之間。山東省濟南市年平均氣溫 13.8℃，極端氣溫最高 42.5℃，極端最低氣溫零下 19.7℃。最高月均溫27.2℃（7 月），最低月均溫 -3.2℃（1 月），年平均降水量685mm，相對濕度在 20%～80%之間。

山東濟南和青海玉樹其溫濕度相差較大，在山東濟南地區和青海玉樹地區，對相同溫度或相對濕度條件下澆筑的相同強度等級的混凝土構件鉆芯取樣，進行碳化深度檢測，具體數據如表 8 所示。

表8　濟南地區與玉樹地區碳化深度比較

由表 8 可以看出，相同溫度澆筑條件下，從構件中鉆芯取得的試件，其碳化深度隨著溫度的增長碳化深度增加，隨著濕度的增長，碳化深度減小。

對青海玉樹地區相同氣候條件、相同澆筑及養護方式下成型的不同強度等級的混凝土構件鉆芯取樣，進行碳化試驗，其碳化深度也有明顯區別。具體數據如表 9 所示。

表9　玉樹地區不同強度等級碳化深度比較

由表 9 可以看出，相同溫濕度條件下，從構件中鉆芯取得的試件，其碳化深度隨著強度等級的增長其碳化深度減小。

4　結語

根據以上對混凝土碳化內部影響因素和外部影響因素兩個方面進行的研究分析及工程驗證，得出如下結論：（1）在相同的外部環境條件下，相同水膠比的混凝土，混凝土碳化深度隨著混凝土粉煤灰的摻加量的增加而增大；（2）在相同的外部環境、相同粉煤灰摻量的條件下，混凝土碳化深度隨混凝土強度等級的增高而減小；（3）相同配合比的混凝土，在相同濕度條件下，混凝土碳化深度隨溫度的增高而增大；（4）相同配合比的混凝土，在相同溫度條件下，混凝土碳化深度隨環境相對濕度的增大而減小；（5）環境溫度對混凝土碳化的影響大于環境相對濕度對混凝土碳化的影響。

［通訊地址］山東省濟南市高新區舜華路 1117 號科匯大廈 B區 302 樓山東建澤混凝土有限公司（250101）

Study on carbonation performance of concrete in dry and cold plateau areas

Zhang Haixia, Wang Longzhi, Zhang Huibing, Yan Donghong, Zhang Xue, Cui Xin
(Shandong Jianze Concrete Co.,Ltd., Jinan250101)

Provide technical support for the development of the western region, ensure the quality of concrete engineering, based on rebuilding project in Yushu Qinghai province, carried out studding on carbonation performance of concrete indry and cold plateau areas. Under the same external environment conditions, fly ash content, concrete strength grade influence on concrete carbonation; Under the same concrete mix, carbon dioxide concentrations, temperature and humidity influence on concrete carbonation; Carbonation of concrete case studied in different areas.Results showed that with the increase of fly ash, reduce of the concrete strength, concrete carbonation depth increases; with the increasing of the temperature, reduce of the relative humidity, concrete carbonation depth increases; effect of environmental temperature on carbonation of concrete is greater than the influence of relative humidity on concrete carbonation.

; plateau dry and cold; carbonation; fly ash content; srength grade; temperature and humidity

張海霞（1975—），女，高級工程師，從事高性能混凝土工程應用技術研究。