礦物摻合料對C30混凝土抗碳化性能影響研究

何曉雁　韓愷　杜磊　吳安利　張淑艷

【摘 要】采用快速碳化方法，改變粉煤灰和礦粉摻量，對C30混凝土抗碳化性能進行研究。結果表明：粉煤灰混凝土的碳化深度隨碳化齡期增加近似呈線性增長，而且隨著粉煤灰摻量的增加出現微小增加；礦粉混凝土碳化深度在28d之前增加迅速，之后增加速度變緩，且隨礦粉摻量的增加而減??；礦粉混凝土與粉煤灰混凝土相比，其抗碳化性能優于粉煤灰混凝土。復摻粉煤灰和礦粉，粉煤灰與礦粉摻量之比為1：3 （粉煤灰10%+礦粉30%） 時混凝土各齡期碳化深度最小。

【關鍵詞】碳化深度；礦物摻合料；礦粉；粉煤灰

中圖分類號： TU528.01 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.041

0 引言

在現代建筑中，傳統混凝土已經不能滿足人們的需求，國內外研究工作者開始在傳統配合比基礎上作出改變，力求探索性能更好，成本更低的混凝土。摻和料的加入能減少水泥用量，提高混凝土抗碳化性能，延長建筑物使用壽命，具有良好的環保與經濟效益[1-3]。在混凝土的耐久性研究中，碳化是一個不可忽視的因素，我國每年因碳化引起的鋼筋銹蝕，承載力下降等問題，產生巨大的經濟損失。眾多學者針對碳化問題作了大量的研究。阿茹罕[4]通過加速碳化和自然碳化兩種方法研究了粉煤灰摻量對混凝土碳化的影響。周萬良[5]利用壓汞法以及XRD等方法從微觀角度對混凝土碳化進行了研究。趙永興[6]通過對多種因素的多元非線性分析，建立了快速碳化與自然碳化的數學模型。因此，研究礦物摻合料對混凝土碳化的影響，具有較強的學術和應用價值。

本文從礦物摻合料單摻、復摻的角度考慮，討論摻合料對C30混凝土抗碳化性能的影響。根據試驗結果得出粉煤灰、礦粉單摻和復摻情況下的最佳摻量。從混凝土碳化機理的角度出發，分析了影響礦物摻合料混凝土抗碳化性能的因素，為混凝土抗碳化性能的研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：冀東普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，比表面積為375m2/kg；粉煤灰：I級粉煤灰，比表面積為635.7m2/kg，燒失量1.60%，SO3含量1.48%；礦渣粉：包頭電廠生產礦渣微粉，測試等級為S75級，SO3含量2.87%；粗骨料：碎石，表觀密度為2.80kg/m3，含泥量0.4%；細骨料：天然河砂，表觀密度為2746kg/m3，含泥量3.4%；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為25%左右。

1.2 混凝土配合比設計

試驗按照《普通混凝土配合比設計規程》 （JGJ55-2011）進行前期的試配和計算，確定C30混凝土基準配合比，如表1所示。對單摻粉煤灰和礦粉、復摻粉煤灰和礦粉C30混凝土進行碳化試驗，最終確定14組配合比，分別為J30、J30F10、J30F20、J30F30、J30F40、J30S10、J30S20、J30S30、J30S40、F10S10、F10S20、F10S30、F20S10、F30S10。J代表基準混凝土，F代表粉煤灰，S代表礦粉，具體數值代表體積摻量。

1.3 試驗方法

碳化試驗采用100mm×100mm×400mm棱柱體試件，把養護完成的試件移至烘干箱內，溫度控制在60℃ 以內，48小時后取出試件，在成型面的兩側面每隔10mm沿縱向畫平行線，在其它四個面上涂抹密封材料。放入CO2濃度、溫度、相對濕度分別為20±3%、20±5℃、70±5%的碳化箱內進行快速碳化試驗，到一定碳化齡期后切開混凝土試件，在表面涂抹酚酞溶液，等到溶液充分反應后測量其碳化深度（mm），結果保留兩位小數。

2 試驗結果分析

2.1 單摻粉煤灰和礦粉混凝土碳化試驗結果分析

從圖中可以看出，隨著齡期的增加，碳化深度逐漸增加，而且呈現線性增長趨勢。而且隨著粉煤灰摻量的增加，相同齡期碳化深度變大?？梢姺勖夯业募尤雽μ蓟阅軙a生一定影響。原因在于粉煤灰后期的水化作用會消耗一部分堿性物質，使混凝土pH值降低，抗碳化性能減弱。從圖中可以看出，粉煤灰的摻量的增加并未使碳化深度明顯增加，主要在于粉煤灰水化產物為較多的硅膠和鋁膠，填充在孔隙中會使結構更加致密，因此會抵消掉一部分負面影響，抗碳化性能降低并不顯著。

圖2所示為不同礦粉摻量混凝土的碳化深度的變化規律。在28d齡期之前，混凝土碳化深度增加迅速，而35d時速度有所變緩。主要原因在于，礦粉前期主要起填充作用，隨著齡期的增加，礦粉開始參與水化，當達到28d齡期時，礦粉基本水化完全，生成更加致密的水化產物填充在基體內部，使碳化速率明顯減緩。從圖中可以看出，隨礦粉摻量的增加，碳化深度有所降低，說明礦粉的摻入可提高混凝土的抗碳化性能。相對于粉煤灰，礦粉顆粒更細，比表面積更大，所以微集料填充效應更明顯，當礦粉摻量增加時，可以進一步改善水泥石內部的孔隙結構。礦粉的摻入還使水泥石與骨料的粘結力增強，抗滲性增強，可有效阻止酸性氣體的入侵，進而提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 復摻粉煤灰和礦粉混凝土碳化試驗結果分析

從圖3可以看出，當控制礦粉摻量不變時，增加粉煤灰摻量，碳化深度逐漸增加，尤其是在粉煤灰與礦粉摻量為2：1時，碳化深度增加最為明顯，此時混凝土抗碳化性能最弱，但此后繼續增加粉煤灰摻量，碳化深度又出現了明顯降低的現象，這主要是由于當粉煤灰摻量過大時，其中一部分粉煤灰未參與水化，以微集料的形式填充在混凝土體系中，這將使混凝土基體更加致密，在提高力學性能的同時，也擁有較好的抗碳化性能。當控制粉煤灰摻量不變時，增加礦粉摻量，碳化深度逐漸減弱，在碳化初期的時候，碳化深度降低并不明顯，但隨著齡期的增加，碳化深度出現了明顯降低。當粉煤灰與礦粉摻量之比為1：3，即粉煤灰摻量10%、礦粉摻量為20%時，混凝土各齡期的碳化深度最低，在35d時碳化深度為9.7mm，僅為基準混凝土的77%，而且也明顯低于其他單摻和雙摻粉煤灰和礦粉的混凝土，說明其碳化性能最好。因此，當采用合理的摻量時，可以將粉煤灰與礦粉自身的特殊效應相疊加，不僅可以節約水泥用量，還可以提高混凝土的耐久性能。

3 結論

（1）粉煤灰混凝土的碳化深度隨碳化齡期增加近似呈線性增長，而且隨著粉煤灰摻量的增加出現微小增加。

（2）礦粉混凝土碳化深度在28d之前增加迅速，之后增加速度變緩，且隨礦粉摻量的增加而減??；與粉煤灰混凝土相比，礦粉混凝土抗碳化性能更優。

（3）當粉煤灰與礦粉摻量之比為1：3（粉煤灰10%+礦粉30%）時，C30混凝土抗碳化性能最好。

【參考文獻】

[1]韓方暉，胡瑾，王棟民.鋼渣和石灰石粉對混凝土抗碳化性能的影響[J].硅酸鹽通報，2014，07：1573-1577.

[2]鄭建嵐，黃利頻.大摻量礦物摻合料自密實混凝土抗碳化性能研究[J].建筑材料學報，2012，05：678～683.

[3]SULAPHAL P，WONG S F，WEE T H，et al. Carbonation of concrete containing mineral admixtures[J].J Mater Civil Eng， 2003，15（2）：134-143.

[4]阿茹罕，閻培渝.不同粉煤灰摻量混凝土的碳化特性[J].硅酸鹽學報，2011，01：7-12.

[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]趙永興，杜應吉，劉方瓊，陳慶亞.基于多元非線性分析的粉煤灰混凝土碳化模型研究[J].混凝土，2017（03）：74-77+81.