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(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)通過綜合調(diào)查發(fā)現(xiàn)建國(guó)初期的大多數(shù)建筑已無法滿足安全、經(jīng)濟(jì)使用50 a 的要求，一般約30年就會(huì)大修，而處于嚴(yán)酷環(huán)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而忽略了耐久性設(shè)計(jì)［2］。因此，工程中除了應(yīng)按強(qiáng)度設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以外，還須考慮耐久性設(shè)計(jì)要求。

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境中CO2的濃度(體積分?jǐn)?shù))持續(xù)升高，20 世紀(jì)80年代還只有0.03%，而今卻有0.04%，據(jù)專家分析，到21 世紀(jì)下半葉可能上升到0.05%［3］。空氣中CO2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(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故［4-6］，因此由碳化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞已列為耐久性的首要問題之一［7］。從20世紀(jì)90年代到21 世紀(jì)初，我國(guó)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(guān)耐久性問題的國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目［8］，例如:青藏鐵路、香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)、三峽大壩、杭州灣跨海大橋等［9］。

但在一般工程中多數(shù)普通建筑仍舊只按強(qiáng)度要求來設(shè)計(jì)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(yán)重降低?；谏鲜銮闆r，本項(xiàng)目欲研究在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下由不同標(biāo)號(hào)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(guī)律，揭示水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗碳化耐久性的影響。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

(1)水泥:某市售52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強(qiáng)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(jí)普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗折和抗壓強(qiáng)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(xué)成分見表1。

(2)礦渣微粉:杭州當(dāng)?shù)啬碂掍搹S礦渣微粉，比表面積為425 m2/kg，其化學(xué)成分見表1。

(3)細(xì)骨料:由杭州當(dāng)?shù)啬呈V石灰石碎屑和以石英為主的長(zhǎng)江細(xì)砂混合而成，該混合砂的細(xì)度模數(shù)為2.6，級(jí)配為Ⅱ區(qū)，表觀密度為2.70 g/cm3，含泥量為2.0%。

(4)粗骨料:杭州當(dāng)?shù)啬乘槭?，?jí)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(jì))。

(6)水:自來水。

2.2 配合比的確定

現(xiàn)用42. 5 級(jí)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(jí)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(shè)計(jì)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(xué)成分(%)

表2 試驗(yàn)用C35 混凝土的配合比及其28 d 抗壓強(qiáng)度

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2002)》測(cè)定混凝土拌合物的和易性，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GB/T 50081—2002)》成型和測(cè)定抗壓強(qiáng)度，按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法(GB/T 50082—2009)》進(jìn)行快速碳化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體抗壓強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，24 h 齡期時(shí)拆摸，拆模后繼續(xù)早期保濕養(yǎng)護(hù)至28 d。其中早期保濕養(yǎng)護(hù)的溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度大于95%。

將養(yǎng)護(hù)28 d 后的立方體試件表面清除干凈，放在壓力機(jī)壓板上，并使試件的中心與下壓板中心對(duì)準(zhǔn)，試件的承壓面與成型時(shí)的頂面垂直，在試驗(yàn)過程中應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，試件壓碎時(shí)記錄抗壓強(qiáng)度值。

將養(yǎng)護(hù)28 d 后的棱柱體試件在60℃下烘48 h 后用熔化的石蠟對(duì)其側(cè)面和一個(gè)底面進(jìn)行密封，放入碳化箱內(nèi)進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，當(dāng)快速碳化至3、7、14、28 d時(shí)，分別取出試件，將試件距一端50 mm 處劈裂，封蠟后繼續(xù)放入碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化，切下部分噴上1%的酚酞酒精溶液，并根據(jù)變色范圍量測(cè)其碳化深度。

2.4 主要試驗(yàn)儀器

采用浙江土工儀器廠生產(chǎn)的機(jī)械壓力機(jī)和全自動(dòng)混凝土碳化試驗(yàn)箱，碳化控制箱內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)保持在(20 ±3)%，相對(duì)濕度保持在(70 ±5)%［11］，溫度保持為(20 ±2)℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 由42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的抗壓強(qiáng)度比較

由表2 中的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知:用42.5 或52.5級(jí)水泥均可配制C35 混凝土并能滿足其配制強(qiáng)度，且當(dāng)?shù)V渣摻量一定時(shí)，兩者配制的C35 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。例如，在礦渣摻量分別為0%、15%、30%、40% 和50% 時(shí)，其相對(duì)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(qiáng)度相差不超過3%。

3.2 由42.5 或52.5 級(jí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土在不同礦渣摻量和不同快速碳化時(shí)間時(shí)的碳化深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 由42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的碳化深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)/mm

3.2.2 碳化深度數(shù)據(jù)分析C35 混凝土的碳化耐久性

由表3 中的碳化深度數(shù)據(jù)線性擬合得到的擬合曲線圖，見圖1、圖2。

圖1 42.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的碳化深度擬合曲線圖

圖2 52.5 級(jí)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(jí)水泥配制的C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時(shí)間t 符合D =kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關(guān)系式，其中k 為碳化速度系數(shù)，且k 隨著礦渣摻量的降低而減小。根據(jù)碳化速度系數(shù)k 可推算C35 混凝土在空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為0.04%時(shí)的自然環(huán)境中完全碳化(即碳化達(dá)到混凝土保護(hù)層厚度，假設(shè)為25 mm)所需的時(shí)間，下文稱混凝土的碳化耐久年限。

由42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的碳化系數(shù)和碳化耐久年限見表4。

表4 42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的碳化系數(shù)和碳化耐久年限

由表4 可知，在當(dāng)今CO2體積分?jǐn)?shù)為0.04%的自然環(huán)境中，當(dāng)?shù)V渣摻量分別為0%、15%、30%、40%和50%時(shí)，由42.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的碳化耐久年限均能達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限50 a 以上，而由52.5 級(jí)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(shí)已不能達(dá)到50年。

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

由此可知，當(dāng)?shù)V渣摻量超過40%時(shí)，用52.5 級(jí)水泥配制C35 混凝土已達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限50年的要求;當(dāng)?shù)V渣摻量不超過40%時(shí)，用42.5 級(jí)水泥或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土都能超過設(shè)計(jì)年限50年，但42.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土碳化耐久性更好、抗碳化性能更強(qiáng)。

4 討 論

由于水泥生產(chǎn)工藝和質(zhì)量的提高，使當(dāng)今水泥具有細(xì)度高、混合材料摻量高、熟料中早強(qiáng)礦物數(shù)量多、早期強(qiáng)度發(fā)展快的特點(diǎn)，水泥強(qiáng)度也比以往提高1～2 個(gè)等級(jí)，這有利于配制高強(qiáng)混凝土，但對(duì)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(jié)約成本，拌制混凝土?xí)r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(dāng)今CO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升，混凝土的抗碳化能力進(jìn)一步下降。在上述條件下，實(shí)際工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)即使強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但其抗碳化耐久性已經(jīng)受到了嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致大部分結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就提前失效。

當(dāng)今工程上習(xí)慣用52.5 而不是用42.5 級(jí)水泥來配制C35 混凝土，導(dǎo)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(nèi)部毛細(xì)孔多，致使混凝土碳化深度大［12］;水泥用量減少，混凝土密實(shí)度下降，碳化速度加快［13］，導(dǎo)致抗碳化能力小。因此，用52.5 級(jí)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(shù)據(jù)為例，在礦渣摻量達(dá)到50%時(shí)，由42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土自然碳化(空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)以0.04%計(jì))達(dá)到保護(hù)層厚度(25 mm)所需時(shí)間分別為53.3年和44.7年，相差將近9年?？梢姡?2.5 級(jí)水泥配制C35 混凝土的抗碳化能力比用52.5 級(jí)水泥配制時(shí)更強(qiáng)。

5 結(jié) 語

由42.5 或52.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)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?jǐn)?shù)為0.04%的條件下，用42.5 級(jí)水泥配制的C35 混凝土碳化年限更長(zhǎng)，至少大于用52.5 級(jí)水泥配制時(shí)的15%。

C35 混凝土的快速碳化深度D 與快速碳化時(shí)間t 符合D=kt0.5(R2＞0.95，擬合程度好)的關(guān)系式，且碳化速度系數(shù)k 隨著礦渣摻量的降低而減小。當(dāng)?shù)V渣摻量超過40%時(shí)，用52.5 級(jí)水泥配制的C35混凝土已無法保證設(shè)計(jì)使用年限50 a 的要求。

在當(dāng)今C25～C40 混凝土工程中面臨水泥強(qiáng)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(dǎo)致混凝土的抗碳化能力嚴(yán)重下降。為充分考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)，建議優(yōu)先選用42.5 級(jí)水泥來配制C35 混凝土。

［1]夏云峰.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性改善措施淺析［J］.工程結(jié)構(gòu)，2005(25 ):107 -109.

［2]吳清偉，馬亮，劉金穎.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析及改善措施［J］.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009，11(6):18 -21.

［3]閻坤.60年來大氣中二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的趨勢(shì)方程研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24(5):1665 -1670.

［4]石聲泰，1980年中國(guó)赴美日腐蝕科學(xué)考察團(tuán).1975年腐蝕損失的調(diào)查情況［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1981(2):62 -64.

［5]屈永紅.混凝土工程中碳化問題的研究現(xiàn)狀［J］.商品混凝土，2013(1 ):29 -31，45.

［6]袁群，何芳嬋，李杉. 混凝土碳化理論與研究［M］. 鄭州:黃河水利出版社，2009:2.

［7]陳改新.混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，7(2):120 -125.

［8]黃士元.21 世紀(jì)初期我國(guó)混凝土技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)重點(diǎn)問題［J］.混凝土，2002(3):3 -6.

［9]吳克剛.蒸養(yǎng)粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究［D］. 湖南:中南大學(xué)，2009.

［10]葉青，阮琦，柴立英.早期保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間和礦渣摻量對(duì)C40 泵送混凝土抗碳化能力的影響［J］.新型建筑材料，2011(11):7 -11.

［11]Padadakis V G，Vayenas C G. Experimental investigation and mathematical modeling of the concrete carbonation problem［J］.Chem Eng Sci，1991，46(5 -6):1333.

［12]方璟，梅國(guó)興，陸采榮.影響混凝土碳化主要因素及鋼銹銹蝕試驗(yàn)研究［J］.混凝土，1993(2):23 -26.

［13]馬文海.混凝土碳化及對(duì)鋼筋銹蝕的影響［J］. 低溫建筑技術(shù)，1986(1):27 -32.