汪 杰，李 根，梁月華*，干 斌，趙 翼

（1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 宜賓 643002）

0 引言

自工業(yè)革命以來，地球大氣中的CO2濃度不斷增加，到2019 年更是達(dá)到了歷史最高水平（0.041 526%）。空氣中CO2濃度不斷增加，將加速混凝土碳化，從而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋受到侵蝕，造成結(jié)構(gòu)耐久性失效[1]。

攀枝花地區(qū)由于攀鋼持續(xù)產(chǎn)出高鈦型高爐渣這一工業(yè)固廢，并大宗存積。經(jīng)過不斷深入研究[2-7]，其已作為混凝土粗細(xì)骨料廣泛應(yīng)用于攀枝花工程建設(shè)領(lǐng)域，針對(duì)這一地區(qū)特有的混凝土材料，對(duì)其開展耐久性研究在本地區(qū)工程建設(shè)安全上顯得尤為重要和迫在眉睫。

二氧化碳與混凝土中氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混凝土堿性降低的過程叫做混凝土碳化。主要反應(yīng)如式(1)～(3)[8]所示：

現(xiàn)有對(duì)普通混凝土碳化深度的影響的研究較為深入[9-10]，但針對(duì)髙鈦型高爐渣混凝土碳化的研究還很少。李久存等[11]采用快速碳化及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究水膠比、鋼纖維及碳化齡期等參數(shù)對(duì)鋼纖維混凝土抗碳化性能和劈裂性能的影響規(guī)律。張揚(yáng)等[12]對(duì)不同水膠比、粉煤灰摻量、水泥摻量對(duì)混凝土碳化速率的影響進(jìn)行了研究，得出水膠比和粉煤灰量越大，混凝土越容易碳化，水泥摻量越大，混凝土越難碳化。張令茂[13]對(duì)普通水泥混凝土和摻粉煤灰水泥混凝土開展了自然環(huán)境碳化10 年的碳化試驗(yàn)研究，并從微觀形貌上對(duì)其進(jìn)行了分析。宋華等[14]對(duì)不同水膠比、摻合料類型、摻量混凝土進(jìn)行了碳化深度規(guī)律試驗(yàn)研究，得到合理設(shè)計(jì)的復(fù)合摻合料，能提高混凝土的抗碳化能力。黃鐘暉等[15]對(duì)高性能鐵尾礦摻量對(duì)再生混凝土碳化后力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。張文俊等[16]對(duì)不同水灰比、油菜秸稈纖維長(zhǎng)度、油菜秸稈纖維體積摻量混凝土抗碳化能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明合理的摻量和長(zhǎng)度能有效改善混凝土的抗碳化性能。李林澤等[17]通過對(duì)攀枝花現(xiàn)有的不同年代高鈦型高爐渣混凝土的碳化深度進(jìn)行實(shí)測(cè)，研究了碳化深度與碳化時(shí)間之間的關(guān)系，該研究選擇的高鈦型高爐渣混凝土工況是在自然環(huán)境中隨著時(shí)間的推移，混凝土發(fā)生碳化，未考慮溫度、濕度、二氧化碳濃度等相關(guān)自然環(huán)境指標(biāo)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，也就是說該研究的碳化環(huán)境是不明確的、且碳化數(shù)據(jù)離散型大，規(guī)律性不強(qiáng)。高鈦型高爐渣混凝土碳化機(jī)理與普通混凝土一致，都是二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散和侵蝕。二氧化碳在混凝土中擴(kuò)散符合Fick 第一定律，二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散能力受二氧化碳濃度、溫度、濕度、混凝土強(qiáng)度等因素影響。筆者在Fick 第一定律基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)高鈦型高爐渣混凝土在GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定環(huán)境下加速碳化不同時(shí)間的樣本進(jìn)行碳化深度和強(qiáng)度測(cè)定，分析了不同強(qiáng)度和碳化時(shí)間下高鈦型高爐渣混凝土的碳化規(guī)律，建立了方便工程應(yīng)用的以混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)，綜合考慮環(huán)境溫度、濕度和CO2濃度等氣候條件的混凝土碳化速度預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)研究

1.1 方案設(shè)計(jì)

為研究不同強(qiáng)度等級(jí)高鈦型高爐渣混凝土在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下加速碳化不同時(shí)間對(duì)碳化深度的影響。方案設(shè)定環(huán)境條件為定量，取混凝土強(qiáng)度等級(jí)和加速碳化時(shí)間為變量，混凝土加速碳化環(huán)境為GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定環(huán)境，即，溫度：20 ℃±2 ℃，濕度：70%±3% RH，二氧化碳濃度：20%±2%?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50，加速碳化時(shí)間選擇3、7、14、28 d。

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

為貼近生產(chǎn)，選用攀枝花市某商品混凝土公司的全高鈦型高爐渣集料（粗細(xì)集料均為高鈦型高爐渣）混凝土（泵送）配合比（如表1 所示）制備強(qiáng)度等級(jí)為C20～C50，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊。拆模后在飽水條件下養(yǎng)護(hù)14 d，自然條件下養(yǎng)護(hù)14 d，然后按GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中碳化試驗(yàn)要求進(jìn)行加速碳化，用濃度為1%的酚酞酒精溶液測(cè)定高鈦型高爐渣混凝土加速碳化3、7、14、28 d 樣本的碳化深度，并按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定強(qiáng)度?；炷良铀偬蓟囼?yàn)如圖1 所示、碳化后的混凝土如圖2 所示。

圖1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境加速碳化試驗(yàn)Fig.1 Accelerated carbonation test of concrete in standard environment

圖2 混凝土碳化狀況Fig.2 Carbonation of concrete

表1 全高鈦型高爐渣集料混凝土（泵送）配合比Table 1 Blend ratio of full high-titanium furnace slag aggregate concrete (pumping)kg/m3

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

C20～C50 高鈦型高爐渣混凝土在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下加速碳化不同時(shí)間的碳化深度（X）和混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcuk)如表2 所示，碳化深度與混凝土抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系曲線如圖3 所示，碳化深度與碳化時(shí)間之間的關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖3 混凝土碳化深度與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between concrete carbonation depth and concrete strength

圖4 混凝土碳化深度與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between concrete carbonation depth and time

表2 混凝土碳化深度及強(qiáng)度值Table 2 Carbonation depth and strength of concrete

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)高鈦型高爐渣混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，如C20（fcuk=25.96 MPa）混凝土加速碳化3、7、14、28 d，碳化深度分別為14、16、22.5、25 mm，低強(qiáng)度混凝土較易碳化，在加速碳化環(huán)境下碳化明顯，且隨著碳化時(shí)間的增加，碳化深度增加明顯。

當(dāng)高鈦型高爐渣混凝土強(qiáng)度低于C40（fcuk≤53.12 MPa）時(shí)，高鈦型高爐渣混凝土碳化規(guī)律與普通碎石混凝土類似，在標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下，相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土隨著加速碳化時(shí)間的增長(zhǎng)，碳化深度加大；碳化時(shí)間相同的情況下，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，混凝土碳化深度成遞減趨勢(shì)。

當(dāng)強(qiáng)度為C45（fcuk=62.01 MPa）時(shí)，高鈦型高爐渣混凝土較難碳化，在標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下，高鈦型高爐渣混凝土隨碳化時(shí)間的增長(zhǎng)，加速碳化作用不明顯，加速碳化到14 d 時(shí)碳化深度為0.5 mm，28 d 時(shí)碳化深度為1.5 mm，此時(shí)強(qiáng)度范圍碳化回歸方程：X（C45）=0.001 2t2+0.024 7t-0.136 4，R2=0.990 2；t為加速碳化時(shí)間，d；R2為擬合程度指標(biāo)。

當(dāng)高鈦型高爐渣混凝土強(qiáng)度為C50（fcuk=64.85 MPa）時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下，高鈦型高爐渣混凝土很難被CO2侵蝕，加速碳化28 d 碳化深度依然為0 mm。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可推測(cè)，當(dāng)高鈦型高爐渣混凝土強(qiáng)度大于C50（fcuk＞64.85 MPa）時(shí)，混凝土極難碳化，在標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下加速碳化28 d 的碳化深度為0 mm。

2 混凝土碳化模型

通過對(duì)混凝土碳化機(jī)理分析，學(xué)術(shù)界比較認(rèn)可的是基于Fick 第一定律的擴(kuò)散理論[18-27]，基于Fick第一定律可得混凝土碳化基本模型[13，27-29]如式（4）所示:

式中，X為碳化深度，t為碳化時(shí)間，k為考慮混凝土綜合質(zhì)量、二氧化碳濃度的影響系數(shù)?；炷恋奶蓟旧鲜荂O2在混凝土中擴(kuò)散、侵蝕，碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比。

高鈦型高爐渣混凝土的碳化同普通混凝土一樣，主要受內(nèi)在因素和外部因素的影響，內(nèi)在因素主要為：組成混凝土的砂、石、水泥等材料特性和配合比，反映混凝土的綜合質(zhì)量，可用混凝土強(qiáng)度表征；外部因素主要是指混凝土所處的碳化環(huán)境，即溫度、濕度、CO2濃度等。基于混凝土強(qiáng)度、碳化時(shí)間建立模型，如公式（5）所示。

kCO2為CO2濃度影響系數(shù)；C1為環(huán)境中CO2濃度；kC為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。

通過對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，C20～C40（25.96 MPa≤fcuk≤53.12 MPa）強(qiáng)度等級(jí)范圍內(nèi)，高鈦型高爐渣混凝土碳化深度與公式（5）所示理論模型符合性更高，對(duì)其抗壓強(qiáng)度值與碳化時(shí)間、碳化深度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、擬合，可得公式（7）所示的碳化模型中混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)kC與混凝土抗壓強(qiáng)度值fcuk之間的關(guān)系，擬合關(guān)系曲線如圖5 所示，隨著強(qiáng)度fcuk的增大，混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)kC越小，即混凝土強(qiáng)度越高，碳化越不明顯。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度值與碳化強(qiáng)度影響系數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Influence coefficient curve of concrete compressive strength and carbonization strength

3 結(jié)論

通過深入分析混凝土碳化理論，結(jié)合高鈦型高爐渣混凝土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下加速碳化試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

fcuk≥64.85 MPa 時(shí)，高鈦型高爐渣混凝土很難被CO2侵蝕而碳化。

53.12 MPa≤fcuk≤64.85 MPa 時(shí)，高鈦型高爐渣混凝土碳化現(xiàn)象較弱。

25.96 MPa≤fcuk≤53.12 MPa 時(shí)，高鈦型高爐渣混凝土碳化規(guī)律明顯；混凝土強(qiáng)度一定時(shí)，碳化深度隨碳化時(shí)間的增長(zhǎng)而加深；碳化時(shí)間一定時(shí)，混凝土碳化深度隨強(qiáng)度的增加而減少。

基于Fick 第一定律的混凝土強(qiáng)度碳化深度模型預(yù)測(cè)與實(shí)際吻合。