水工混凝土抗碳化性能试验研究

吕春雨

（兴城市水利事务服务中心，辽宁 兴城 125100）

碳化是导致水工混凝土劣化、钢筋锈蚀甚至结构失稳的重要因素之一，许多学者正不断深化相关研究。目前，为满足日益提高的耐久性要求实际工程广泛使用硅灰、粉煤灰、矿粉等掺合料配制高性能混凝土[1]。在改善骨料界面与孔隙结构的同时，活性掺合料还可以参与水化反应增大水泥基体密实性，使水分和CO2的渗入难度提高。对于渗透规律和碳化机理有关学者开展了深入研究，如伏程红等研究认为大掺量粉煤灰-矿渣混凝土的抗碳化性能明显较优；徐飞等考虑粉煤灰与矿粉复掺的情况，结合试验数据提出定量设计抗碳化性能的方法；容志刚等认为混凝土复掺矿粉与粉煤灰及单掺矿粉均可以明显降低其碳化深度；杨益等采用室内试验探讨了再生混凝土碳化深度主次影响因素[2-5]。

在保证浆体流动性的情况下，掺入减水剂可以进一步提高水泥石密实度及抗碳化性能，其作用效果主要取决于减水剂在胶凝材料上的稳定能力和吸附效率[6]。另外，掺减水剂可以形成封闭均匀的小气泡，在外界水分及CO2渗入过程中这些小气泡发挥着一定阻碍作用，常用的降水及有脂肪族、萘系和聚羧酸系高效减水剂。赵晶等研究发现，在高活性掺合料混凝土中掺入聚羧酸减水剂可以增强其抗氯离子渗透和抗碳化性能；张凯等探究了水工混凝土抗碳化性能受聚羧酸减水剂、矿粉和粉煤灰掺量的影响作用，表明掺1.0%减水剂试块的抗碳化能力最强；彭华娟等探讨了掺聚羧酸减水剂和粉煤灰混凝土的抗碳化能力，发现同时掺1.2%减水剂和30%粉煤灰试块的抗碳化能力最优[7-9]。在保持减水剂掺量不变的情况下，混凝土中矿粉掺量越高且粉煤灰掺量越低则其抗碳化性能越强。鉴于此，文章利用快速碳化试验，探究了水工混凝土抗碳化性能受胶材用量、水胶比和活性掺合料的影响规律。

1 试验方案

1.1 原材料

1）水泥：辽宁渤海水泥集团生产的 P·O 42.5 级水泥，初、终凝时间165min和240min，标稠用水量26.6%，28d抗折、抗压强度8.5MPa和50.7MPa。

2）矿物掺合料：大连华能电厂提供的国电II级灰和大连金桥超细粉有限公司生产的S95及矿粉。其中，粉煤灰的烧失量2.35%，含水量0.1%，SO3含量0.56%，细度15.8%，需水量比98%。矿粉的含水量0.1%，流动度比103%，比表面积461m2/kg，密度2.90g/cm3，28d活性指数105%。

3）粗细骨料：兴城市金源砂石场 提供的Ⅱ区天然中砂和铁岭鹏程石料有限公司生产的连续级配5~31.5mm石灰岩碎石。其中，砂的堆积密度1 480kg/m3，含泥量0.6%。碎石的含泥量0.5%，针片状含量6.2%，压碎指标9.1%，堆积密度1 490kg/m3。

4）外加剂：苏博特SBTJM®-9系列高效减水剂，拌合水用当地自来水。

1.2 试验方法

参照《水工混凝土试验规程》等相关标准测定水工混凝土的工作性、力学强度以及抗碳化性能，拌合物坍落度设计值均为150±30mm。碳化试验选用100mm×100mm×100mm试块，每组3个，试验过程如下：先将标养至28d的试块取出放入烘箱(温度60℃)烘干48h，然后保留一个相对面并用加热的石蜡密封其它两个相对表面，并将试块放入CCB-70型碳化箱碳化至3d、7d、14d、28d，碳化箱内相对湿度(70±5)%，CO2浓度(20±3)%，达到规定龄期后取出从中间按劈裂发破型，随后立即测定并记录碳化深度。

2 结果与分析

2.1 水胶比试验

试验保持水泥用量不变，通过调整用水量设计0.56、0.53和0.50三种水胶比，并测定拌合物坍落度、不同龄期碳化深度及其28d抗压强度，探究试块抗碳化性能受水胶比的影响，方案设计及结果见表1。

表1 水胶比试验方案及测试数据

由表1可知，水胶比为0.53、0.50组相较于0.56组混凝土28d碳化深度减少了3.5mm与7.6mm。从小到大各组28d碳化深度排序为S3＜S2＜S1，随水胶比的减小试块碳化深度逐渐降低。这是因为混凝土内部分布着大小各异的气孔、孔隙和气泡等，这种多孔材料具有一定透气性，其内部孔隙率随着用水量的增加而增大，外界的CO2和水更易渗入内部气孔，在毛细管水溶液中溶解的CO2会与水酸钙、Ca(OH)2等水化产物生成CaCO3，使得碳化深度增大[10]。同时，混凝土内部孔隙率随水胶比的减小而降低，从而使得CO2的渗入难度增大，相应的抗碳化性能得到改善。

2.2 胶凝材料试验

试验固定水胶比0.53不变，通过调整胶材用量，测定3d、7d、14d、28d龄期碳化深度以及28d抗压强度，探究试块抗碳化性能受胶凝材料用量的影响，方案设计及结果，见表2。

表2 水胶比试验方案及测试数据

由表2可知，S4、S5组相较于S2组混凝土28d碳化深度虽然减少，但是其减小幅度随胶材用量的增加而下降。因此，相同水胶比情况下，增大胶材用量并不能明显降低混凝土碳化深度。这是因为保持水胶比不变时，增大胶材用量对改变水泥基体内部孔隙率的作用并不大，因而其改善效果相对较差。

2.3 粉煤灰掺量试验

试验固定用水量不变，通过调整粉煤灰掺量为15%、20%和25%，测定3d、7d、14d、28d龄期碳化深度以及28d抗压强度，探究试块抗碳化性能 受粉煤灰掺量的影响，方案设计及结果见表3。

由表3可知，S6基准对照组明显小于掺粉煤灰组碳化深度，这表明掺入粉煤灰会使抗碳化能力下降。究其原因是粉煤灰的掺入能够减少基体内的碱含量，从而使得抗碳化性能有所下降，并且其掺量越高其减弱效应越明显。通过对比分析发现，粉煤灰掺量从15%增大到20%时S2组与S7组碳化深度相差不大。因此，虽然粉煤灰的掺入会降低抗碳化能力，但控制掺量不超过20%并不会使碳化深度明显增加[11-13]。

2.4 矿粉掺量试验

试验固定水胶比不变，通过调整矿粉掺量为15%、20%和25%，测定3d、7d、14d、28d龄期碳化深度以及28d抗压强度，探究试块抗碳化性能受矿粉掺量的影响，方案设计及结果见表4。

表4 水胶比试验方案及测试数据

由表4可知，S6组混凝土3d、7d和14d龄期碳化深度均低于S9、S10、S11组，碳化深度总体随矿粉掺量的增加而增大，这是因为掺入矿粉相当于降低了单位体积内的水泥量，相应的Ca(OH)2、C-S-H凝胶等水化产物含量随之减少，所以矿粉掺量越高则碳化深度越大。S6组混凝土28d龄期碳化深度高于S9、S10、S11组，碳化深度随矿粉掺量的增加而减小，这是因为随着龄期的延长矿粉逐渐参与二次水化，由此生成的产物填充了混凝土内部孔隙，使得水泥基体孔隙结构得以改善，孔隙率减小，基体变得更加密实，CO2向内部的渗入难度提高，从而增强了抗碳化能力。

2.5 矿物掺合料双掺试验

试验固定用水量不变，通过调整粉煤灰和矿粉掺量，并测定拌合物坍落度、不同龄期碳化深度及28d抗压强度，探究试块抗碳化性能受粉煤灰与矿粉双掺掺量的影响，方案设计及结果见表5。

表5 水胶比试验方案及测试数据

由表5可知，S12组混凝土28d龄期碳化深度最小为14.4mm。通过与单掺试验数据相比较发现，双掺10%矿粉与10%粉煤灰组相比于单掺20%矿粉粉煤灰组的碳化深度低，表明混凝土双掺条件下的抗碳化水平更高。究其原因是水泥颗粒与矿粉、粉煤灰颗粒可以形成连续级配梯度发挥一定的微集料效应，不同粒径颗粒能够更好地相互填充，整个体系堆积更加紧密，进一步减小内部孔隙，提高整体密实度；另外，活性掺合料的火山灰效应可以激化水化反应，使水泥基体孔隙率减少变得更加致密，增大CO2侵入难度，减少碳化深度。所以，矿粉与粉煤灰双掺时的抗碳化性能更优。在不改变双掺总量35%的条件下，随矿粉掺量的增加基体抗碳化能力逐渐增强，掺20%矿粉与15%粉煤灰的抗碳化性能最好。

3 结 论

1）减小水胶比可以有效增强水工混凝土抗碳化能力，固定水胶比不变时，碳化深度随胶材用量的增加并未发生明显改变，对改善水泥基体内部孔隙率和抗碳化性能的作用不大。

2）掺入粉煤灰会使水工混凝土抗碳化能力下降，但控制掺量不超过20%并不会使碳化深度明显增加。水工混凝土3d、7d、14d龄期碳化深度总体随矿粉掺量的增加而增大，而28d龄期碳化深度随矿粉掺量的增加而减小。

3）水工混凝土双掺矿粉与粉煤灰时的抗碳化性能更好，并且总掺量为35%时，随着矿粉掺量的增加整体抗碳化能力逐渐增强。