逄建軍，王鏡堯，徐美清，湯建樹（1.重慶富普新材料有限公司,重慶 400707；2.重慶綠色建筑材料工程技術(shù)研究中心,重慶 400707）

0 引言

自然界CO2在一定溫濕度下與未水化的C3S和C2S及水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)的過程為碳化過程[1]。該過程會(huì)加速鋼筋銹蝕，不利混凝土耐久性[2]。碳化過程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，水泥水化產(chǎn)物各組分和孔徑都會(huì)發(fā)生變化。早期漿體不密實(shí)，氣體滲透快，則碳化快，而后期漿體密實(shí)后，碳化速度變成擴(kuò)散控制[3]。因此漿體密實(shí)度和早期強(qiáng)度會(huì)直接影響混凝土碳化速度和深度[4]。同時(shí)孔隙溶液中K+和Na+會(huì)起催化作用并促進(jìn)碳化進(jìn)程[5]。在混凝土體系中，石灰石粉不僅具有微晶核效應(yīng)來優(yōu)化界面過渡區(qū)[6]且微量參與反應(yīng)生成單碳水化鋁酸鈣[7]具有微膨脹效應(yīng)，但會(huì)降低混凝土密實(shí)度，使其抗CO2、Cl-或SO42-侵蝕能力減弱。

基于此，探討石灰石粉比表面積、礦物摻合料、早強(qiáng)劑、防水物質(zhì)及CO2捕收劑對(duì)水泥-石灰石粉體系強(qiáng)度和碳化的影響，為提高水泥-石灰石粉混凝土體系抗碳化能力和促進(jìn)石灰石粉高效利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

富皇P·O42.5水泥，比表面積380m2/kg，3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為26.5MPa和50.5MPa；其化學(xué)組成見表1。

表1 水泥的化學(xué)成分分析 %

龍電II級(jí)粉煤灰，45 μm篩余19%，需水量比97%，7 d活性63%，28 d活性76%；鈺宏S95礦粉，45 μm篩余2.5%，7d活性78%，28d活性98%；三遠(yuǎn)硅灰，SiO2含量94%，燒失量為4.5%。

硝酸鐵（FN），AR，西隴化工；硝酸鈣（CN），AR，西隴化工；防水石蠟乳液(FEP)，工業(yè)級(jí)，拓達(dá)防水；一乙醇胺(MEA，99%)，AR，西隴化工；三乙烯四胺(TETA，99%)，AR，西隴化工；N-甲基二乙醇胺(NDEA，99%)，AR，西隴化工。

1.2 不同比表面積石灰石粉的制備

稱量5 kg石灰石質(zhì)砂，加入0.02%的三乙醇胺作為助磨劑，于Φ500mm×500mm標(biāo)準(zhǔn)水泥試驗(yàn)?zāi)ブ蟹勰ゲ煌瑫r(shí)間，甩料時(shí)間為3min。出料為不同比表面積石灰石粉過0.6mm標(biāo)準(zhǔn)篩。粉磨時(shí)間與比表面積的關(guān)系見表2。

表2 粉磨時(shí)間與比表面積的關(guān)系

1.3 性能測(cè)試方法

混凝土強(qiáng)度測(cè)定：標(biāo)養(yǎng)條件下，測(cè)試混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度。其中C30混凝土配合比為：膠材∶砂∶石∶水=390∶815∶994∶165。依據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，制備100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。

混凝土碳化深度測(cè)試：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中碳化試驗(yàn)的要求進(jìn)行測(cè)試。試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)26d后取出于60℃下烘48h，烘干后留面石蠟密封進(jìn)行7d碳化實(shí)驗(yàn)。

1.4 混凝土配合比

實(shí)驗(yàn)考慮不同比表面積石灰石粉體系、硅灰、礦粉和粉煤灰等摻合料體系及不同外加劑對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響。其中體系混凝土配合比設(shè)計(jì)及編號(hào)見表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同比表面積石灰石粉的影響

不同比表面積石灰石粉對(duì)水泥-石灰石粉混凝土體系28d抗壓強(qiáng)度和7d快速碳化深度的影響由圖1所示。由圖1可知，隨石灰石粉替代水泥比例增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，碳化深度逐漸增加。當(dāng)石灰石粉替代比例為40%時(shí)，隨石灰石粉比表面積的增加：抗壓強(qiáng)度先增加后降低，碳化深度先降低后增加，當(dāng)石灰石粉比表面積為750m2/kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)37 MPa，碳化深度為14 mm，比摻比表為400 m2/kg的石灰石粉(1～2)強(qiáng)度高4MPa，碳化深度降低9 mm。

圖1 不同石灰石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響

適度提高石灰石粉比表面積能提高混凝土抗壓強(qiáng)度并降低碳化深度，可能與高比表面積物質(zhì)的填充密實(shí)作用有關(guān)，但碳化深度依然較深，可能是混凝土密實(shí)度依然不夠所致。

2.2 不同礦物摻合料的影響

以1-2為基準(zhǔn)，分別采用粉煤灰、礦粉和硅灰三種礦物摻合料替代石灰石粉，探討其對(duì)28d抗壓強(qiáng)度和7d快速碳化深度的影響，其結(jié)果由圖2所示。由圖2可知，礦物摻合料種類和摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化影響不同，硅灰和礦粉可有效提高抗壓強(qiáng)度并適度降低碳化深度，粉煤灰摻入會(huì)增加碳化深度，當(dāng)硅灰替代20kg時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度為40MPa，比基準(zhǔn)提高6 MPa，碳化深度為18 mm，比基準(zhǔn)降低5mm。礦物摻合料的潛在火山灰活性會(huì)消耗部分氫氧化鈣，使體系堿性降低，更易碳化，但礦粉和硅灰能適度降低碳化與其比表面積較高體系密實(shí)度高有關(guān)[8]。

圖2 不同礦物摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響

2.3 不同無機(jī)早強(qiáng)劑的影響

以1-2為基準(zhǔn)，探討不同無機(jī)早強(qiáng)劑(硝酸鈣和硝酸鐵)及摻量(0.3%、0.5%和0.8%)對(duì)其對(duì)28d抗壓強(qiáng)度和7 d快速碳化深度的影響，結(jié)果由圖3所示。由圖3可知，隨硝酸鐵用量的增加，28 d抗壓強(qiáng)度適度增加，碳化深度降低明顯，摻量為0.8%時(shí)，碳化深度為13 mm，比空白降低11 mm；隨硝酸鈣摻量的增加，混凝土28 d強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，碳化深度逐漸增加。引入鐵離子后體系碳化深度降低可能是鐵離子通過形成氫氧化鐵凝膠堵塞氣孔并優(yōu)化界面薄弱區(qū)[9]來實(shí)現(xiàn)適度增加混凝土密實(shí)度。

圖3 不同無機(jī)物對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響

2.4 防水石蠟乳液的影響

以1-2為基準(zhǔn)，探討防水物質(zhì)的用量(0.1%、0.3%、0.5%和0.8%)對(duì)其28 d抗壓強(qiáng)度和7d快速碳化深度的影響，其結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨防水石蠟乳液摻量的增加，混凝土28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，7d碳化深度呈先降低后增加趨勢(shì)，摻量為0.3%時(shí)，碳化深度最低，達(dá)11 mm，比空白降低12 mm。體系加入防水性物質(zhì)后混凝土強(qiáng)度會(huì)降低，但會(huì)適度增加混凝土抗碳化性能。摻入較多防水物質(zhì)后碳化深度增加可能與混凝土強(qiáng)度降低嚴(yán)重有關(guān)。

圖4 防水石蠟乳液對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響

2.5 二氧化碳捕收劑的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，將MEA、NDEA和TETA按質(zhì)量比1∶2∶0.2混合即為二氧化碳捕收劑（CH）。以1-2為基礎(chǔ)，探討捕收劑摻量（0.01%、0.03%、0.05%和0.08%）對(duì)其28d抗壓強(qiáng)度和7d快速碳化深度的影響，其結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨碳補(bǔ)收劑摻量的增加，混凝土28d強(qiáng)度逐漸降低，碳化深度先降低后增加，當(dāng)摻量為0.05%時(shí)，碳化深度最低達(dá)11 mm，比空白降低12mm，摻入較多捕收劑后碳化深度增加可能與超摻后，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度降低嚴(yán)重所致。

圖5 碳捕收劑對(duì)混凝土強(qiáng)度和碳化深度的影響

3 結(jié)論

對(duì)于水泥-石灰石粉混凝土體系，隨石灰石粉替代水泥比例增加，混凝土強(qiáng)度和抗碳化性能逐漸降低。當(dāng)石灰石粉替代水泥比例為40%時(shí)，混凝土強(qiáng)度方面：硅灰替代20 kg石灰石粉時(shí)強(qiáng)度達(dá)最高，為40MPa，比空白高6MPa，高比表面積(750m2/kg)石灰石粉次之，為37MPa，比空白高4MPa，防水物質(zhì)和過量硝酸鈣會(huì)影響混凝土強(qiáng)度；混凝土抗碳化方面：摻入0.3%防水石蠟乳液可使體系碳化深度降至最低，達(dá)11mm，比空白降低13mm，摻入0.8%硝酸鐵次之，碳化深度為13mm，比空白降低11mm，礦物摻合料替代石灰石粉不會(huì)有效降低碳化深度。

適度引入鐵離子、防水組分或較高比表面積石灰石粉來增加體系密實(shí)度和防水性能可提高水泥-石灰石粉體系混凝土抗碳化性能。