不同类型持载混凝土碳化性能研究.pdf

第 44 卷第 8 期2023 年 8 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.8Aug.2023不同类型持载混凝土碳化性能研究王小惠1,涂静婷2(1.上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306;2.江西省水投江河信息技术有限公司,江西 南昌 330095)摘 要:为探讨外加荷载对不同环境湿度、不同类型混凝土碳化性能的影响,本文提出了自然条件下服役钢筋混凝土构件碳化深度预测模型。基于 100 mm 混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁的加速碳化试验结果,分别采用硅酸盐水泥、硅酸水泥掺 30%粉煤灰和硅酸水泥掺 50%磨细高炉矿渣浇筑混凝土试块和梁试件。结果表明:对不同类型混凝土的服役钢筋混凝土构件,在50 a 和100 a 的设计使用年限内,其碳化深度预测值随相对湿度的增加先增大后减小,最大碳化深度预测值均在 50%70%的相对湿度范围内。对持载钢筋混凝土构件,仅硅酸盐水泥混凝土和掺 50%磨细高炉矿渣的较小水胶比混凝土满足要求。水胶比较大的掺粉煤灰和掺粒状高炉矿渣的持载混凝土,不能满足不同暴露环境在 50%70%相对湿度范围内的耐久性要求。本文对不同类型持载钢筋混凝土构件的抗碳化耐久性设计有一定的参考价值。关键词:碳化深度;普通硅酸盐水泥;粉煤灰混凝土;高炉矿渣混凝土;预测模型;相对湿度;持载钢筋混凝土;设计使用寿命DOI:10.11990/jheu.202106054网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)08-1426-07Carbonation performance of loaded portland cement,fly ash,and ground granulated blast furnace slag concretesWANG Xiaohui1,TU Jingting2(1.College of Ocean Science and Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2.Jiangxi Provincial Water Conservancy Investment Jianghe Information Technology Co.,Ltd,Nanchang 330095,China)Abstract:A prediction model for the carbonation depth of reinforced concrete members in service under natural conditions was provided to explore the effect of external loading on the carbonation performances of different types of concrete under different ambient humidity levels.portland cement(PC)concrete,PC mixed with 30%fly ash(FA),and PC mixed with 50%ground granulated blast furnace slag poured concrete test blocks and beam test pieces were adopted on the basis of the accelerated carbonation test results of 100 mm concrete cube test blocks and load-bearing reinforced concrete beams.Results showed that within the design service life spans of 50 and 100 years,the predicted value of the carbonation depth first increased and then decreased with the increase in relative humidity and that the maximum prediction value of carbonation depth was within the relative humidity range of 50%70%.Among the load-bearing reinforced concrete members,only PC concrete and the concrete with a rela-tively low water-to-binder ratio mixed with 50%ground blast furnace slag met the requirements.The load-bearing concrete mixed with FA and granular blast furnace slag with a relatively high water-to-binder ratio cannot meet the durability requirements imposed by different exposure environments with relative humidity levels of 50%70%.This study has a certain reference value for the design of the carbonation resistance durability of different types of load-bearing RC members.Keywords:carbonation depth;ordinary portland cement;fly ash concrete;blast furnace slag concrete;prediction model;relative humidity;loaded RC element;design service life收稿日期:2021-06-19.网络出版日期:2023-05-09.基金项目:欧盟 HORIZON 2020 Marie Skodowska-Curie Research Fel-lowship Programme H2020(658475).作者简介:王小惠,女,教授,硕士生导师;涂静婷,女,硕士研究生.通信作者:王小惠,E-mail:w_xiaoh .近年来,由于普通硅酸盐水泥(portland cement,PC)中矿物掺合料的增加,混凝土碳化问题变得越来越重要。除水泥外,粉煤灰(fly ash,FA)、磨细的高炉矿渣和硅灰,常用于制备“绿色”混凝土。而混凝土的碳化受相对湿度1-2、二氧化碳浓度2和温度3、水泥种类和含量4、混凝土养护条件和养护时间5以及混凝土水胶比6的影响;较差的混凝土第 8 期王小惠,等:不同类型持载混凝土碳化性能研究质量7、荷载引起的微裂缝6和可见裂缝8,也会影响混凝土的碳化性能。相对湿度(relative humidi-ty,RH)是影响混凝土结构抗碳化性能的一个重要环境因素,当混凝土孔隙水饱和或者足够干燥致使CO2难以进入时,会阻碍混凝土的碳化进程9。通常采用加速碳化试验评估混凝土的抗碳化性能,并建立混凝土加速碳化与自然碳化间关系。考虑混凝土的湿度、温度、CO2浓度和孔隙率,采用有限元方法预测了完好混凝土的碳化深度10。但服役钢筋混凝土结构中的可见裂缝和微裂缝是不可避免的,在混凝土开裂处可观察到较大的碳化深度6-8。然而,多数研究提出的预测钢筋混凝土结构使用寿命的碳化模型,尚未将混凝土持载引起的微裂缝作为一个参数加以考虑11。在不同暴露条件下,混凝土最小保护层厚度的要求均基于这些碳化模型。尽管水胶比低的优质“绿色”混凝土抗碳化性能较好,但对于较大水胶比的持载“绿色”混凝土,在某些暴露条件下钢筋混凝土构件中混凝土的最小保护层厚度无法满足抗碳化性能要求12。本文根据不同类型混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁 120、240 d 加速碳化试验结果6,12,考虑 CO2浓度和相对湿度对混凝土抗碳化性能的影响,建立自然条件下不同类型持载混凝土碳化深度预测模型。对由加速碳化试验同类型混凝土浇筑的服役钢筋混凝土构件,预测了其在 50、100 a 设计使用寿命下的碳化深度,以评估“绿色”混凝土的抗碳化能力。1 加速碳化试验概况和结果 试验采用了表 1 所示 6 种混凝土配合比。胶凝材料采用普通硅酸盐水泥 PC(CEM I 52.5 N)、PC掺 30%粉煤灰(FA)和 PC 掺 50%磨细高炉矿渣(GGBS)。水胶比为 0.40 和 0.55。每种混凝土配合比均浇筑若干 100 mm 混凝土立方体试块和 4 根钢筋混凝土梁 100 mm120 mm900 mm。养护后,所有用于加速碳化的试块和 4 根钢筋混凝土梁(见表 1)均在与碳化室相似的环境条件(即温度和相对湿度)下保存约 90 d。再对梁试件进行 4 点弯曲静力加载,使梁受拉区产生最大名义宽度为 0.1 mm或 0.3 mm 的可见裂缝。卸载后,将梁试件成对背靠背放置,采用预紧钢筋、100 mm100 mm 钢板和螺栓固定,使裂缝保持开裂状态;然后,将混凝土试块和梁成对放置在碳化室内 120 d(第 1 阶段6)和240 d(第 2 阶段12)。碳化室中 CO2浓度为 4%,湿度为 60%。达到设计碳化时间后,进行了混凝土试块和梁试件内混凝土碳化深度测量。具体步骤见文献6,12。混凝土命名规则为水胶比+胶凝材料类型,如 040PC 即水胶比 0.40、普通硅酸盐水泥 PC浇筑的混凝土。表 1 未持载混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁试件的加速碳化深度6,12Table 1Carbonation depths in unloaded concrete cubes and loaded RC beam specimens subjected to ac-celerated CO2 attacks6,12混凝土类型t/d试件平均碳化深度/mm最大碳化深度/mm顶部底部顶部底部040PC120 240 立方体00梁1.83.28.68.9立方体00梁0000055PC120 240 立方体18.916.1梁14.317.925.141.2立方体28.422.4梁20.736.847.777.6040FA120 240 立方体19.318.5梁16.121.625.058.4立方体25.224.9梁31.342.2一些区域在整个梁高度内完全碳化055FA120 240 立方体24.418.5梁20.843.539.364.9立方体47.446.7梁整个梁高度内完全碳化040GGBS120 240 立方体11.610.6梁10.615.1 24.642.9立方体10.38.0梁19.822.329.641.9055GGBS120 240 立方体15.212.0梁20.327.127.066.7立方体23.019.3梁43.549.4一些区域在整个梁高度内完全碳化注:梁中 200 mm 纯弯区段,不包括可见弯曲裂缝的影响。表 1 给出了混凝土立方体试块和持载钢筋混凝土梁试件的加速碳化深度试验结果。从表 1 可以看出,经 240 d 加速碳化后,040PC 混凝土立方体试块和梁试件几乎未碳化,而 055FA 梁试件几乎完全碳化;055GGBS 和 040FA 梁试件部分区域在梁整个高度上完全碳化。2 自然暴露条件下混凝土碳化深度预测模型 考虑混凝土中 CO2的扩散系数 D 与混凝土孔隙率和孔隙饱和率的关系、混凝土内部相对湿度对CO2扩散的影响,扩散系数 D 为13:D=aDrefCO21-DRH100()2DRH100()2.6(1)7241哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷式中:DrefCO2为用环境相对湿度值约 0.58 确定的 CO2扩散系数,m2/s;a 为比例系数;DRH为环境相对湿度。考虑扩散进入混凝土中的气态 CO2的质量单位,CO2的质量可表示为14:dm=Dcxdt(2)式中:c 是环境中的 CO2浓度;是混凝土表面积;x是混凝土的碳化深度;m 是扩散进入混凝土中 CO2的质量。式(2)中,扩散进入混凝土的二氧化碳质量 m也可表示为:dm=C0dx(3)式中 C0表示与单位体积混凝土样品中的碱反应所需的 CO2量。根据式(2)和式(3),可得出:C0dx=Dcxdt(4)将式(1)中的有效扩散系数 D 代入式(4),求解x 为:x=2aDrefCO21-DRH100()2DRH100()2.6C0c t(5)混凝土的碳化深度随环境暴露时间的延长而增加。预测 t 时混凝土的碳化深度最常见的模型为14:x=k t(6)式中 k 是碳化系数。比较 式(5)和(6),如 果 式(5)中 的 项2aDrefCO2(1-DRH/100)2(DRH/100)2.6C0c 假 定 为 常数14,则:k=2aDrefCO2(1-DRH/100)2(DRH/100)2.6C0c(7)为利用加速碳化试验的结果预测自然条件下混凝土的碳化深度,由式(7),当假定与混凝土样品有关的 CO2扩散系数 DrefCO2、比例系数 a 和 C0为常数时,自然条件下碳化系数 kr和加速试验碳化系数 kt的比值为13:krkt=crct1-(DrRH/100)1-(DtRH/100)()DrRHDtRH()1.3(8)式中:ct和 cr分别是加速试验和自然环境中的 CO2浓度;上、下标中的 t 和 r 分别表示加速试验和自然条件。由式(8)可得实际自然条件下的碳化系数 kr为:kr=ktcrct1-(DrRH/100)1-(DtRH/100)()DrRHDtRH()1.3(9)在自然条件下,假定服役钢筋混凝土构件采用的混凝土与加速碳化试验的混凝土相同(包括水泥、掺合料、水胶比和混凝土配合比),则服役钢筋混凝土构件中的碳化深度为:xr=ktcrct1-(DrRH/100)1-(DtRH/100)()DrRHDtRH()1.3t(10)根据表 1 结果和式(6),可线性回归确定未持载混凝土试块和持载钢筋混凝土构件中的碳化系数kt12。由表 1 相同类型混凝土浇筑的服役钢筋混凝土构件,其碳化深度可运用式(10)进行预测,式中加速碳化试验的相对湿度 DtRH为 60%6。加速试验中的 CO2浓度为 4%,当前大气 CO2浓度约为40710-615,故cr/ct 0.10。3 影响因素讨论3.1 混凝土类型对自然条件下持载混凝土抗碳化性能的影响 考虑欧洲规范16规定的混凝土最小保护层厚度 cmin,即不同暴露环境 XC2/XC3和 XC4下所需的cmin,其中 XC2为潮湿或不太干燥的环境;XC3为中等湿度或干湿循环环境;XC4为干湿循环环境。图15 为不同暴露环境所要求的 cmin与每种类型混凝土在设计使用寿命内的预测碳化深度。从图 1 5可以看出,对自然条件下持载的不同类型“绿色”混凝土,50 a 和 100 a 的设计使用寿命内,在不同环境相对湿度下,其碳化深度预测值均呈现先增大后减小的趋势。当相对湿度在 60%左右时,混凝土碳化深度达到最大值。对相同混凝土类型和水胶比的混凝土,持载钢筋混凝土梁的预测碳化深度均大于未持载混凝土立方体试块的碳化深度。分别对比图 1和图 4、图 2 和图 5,对不同水胶比的、同胶凝材料混凝土,水胶比越大,碳化深度越深,说明水胶比的增加导致混凝土孔隙率增加、混凝土抗碳化性能降低。在不同暴露环境 XC2/XC3和 XC4下,当设计使用寿命为50 a 和100 a 时,若混凝土未持载,除055FA 混凝土外,其他类型混凝土的预测碳化深度都低于规范要 求 的 cmin。对 持 载 混 凝 土,仅 040GGBS 和055PC 混凝土满足 XC2/XC3和 XC4 暴露环境 50 a和 100 a 耐久性要求(见图 2、图 3);055FA 混凝土50 a 和 100 a 的大部分预测碳化深度曲线高于规范要求的 cmin(见图 4),040FA 和 055GGBS 混凝土50 a 和 100 a 的部分预测碳化深度曲线高于要求的cmin(见图 1、图 5)。可见,持载“绿色”混凝土的抗碳化性能较差。8241第 8 期王小惠,等:不同类型持载混凝土碳化性能研究图 1 自然条件下 040FA 混凝土碳化深度Fig.1 Carbonation depths prediction of 040FA concrete under in-service environments图 2 自然条件下 040GGBS 混凝土碳化深度Fig.2 Carbonation depths prediction of 040GGBS concrete under in-service environments图 3 自然条件下 055PC 混凝土碳化深度Fig.3 Carbonation depths prediction of 055PC concrete under in-service environments3.2 环境相对湿度对自然条件下持载混凝土抗碳化性能的影响 对相同环境相对湿度下的不同类型混凝土,图68 中分别进行了自然条件下持载混凝土 50 a 和100 a 设计使用寿命的预测碳化深度和 XC2/XC3和XC4暴露环境下所需最小混凝土保护层厚度的比较,其中 040XC2/XC3和 040XC4、055XC2/XC3和055XC4分别表示 XC2/XC3和 XC4暴露环境下水胶比 0.40、0.55 所需的最小混凝土保护层厚度。当暴露环境相对湿度达到 80%,除 055FA 混凝土外,其他类型未持载和持载混凝土在 XC2/XC3和 XC4环境下的最大碳化深度均小于所需的混凝土最小保护层厚度(见图 8),说明当环境湿度过大时,CO2进入混凝土的传输过程受到阻碍12;当暴露环境相对湿度低时,如相对湿度为 40%(见图 6),所有未持载混凝土均可在暴露环境 XC2/XC3和 XC4下使用。由040FA、055FA 和 055GGBS 混凝土浇筑的持载钢筋混凝土构件,在相对湿度为 60%时,预测碳化深度与达到 50 a 和 100 a 设计使用寿命所需的最小混凝土保护厚度间的差距最大(见图 7)。文献12预测模型考虑了加速试验和自然条件下不同的 CO2浓度对混凝土碳化深度的影响。但混凝土的抗碳化性能随相对湿度的变化而变化,特别是对于承受荷载的“绿色”混凝土17。现阶9241哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷段,“绿色”混凝土一直被建议用于钢筋混凝土结构中以降低建筑行业的 CO2排放量,但对于承受荷载的掺粉煤灰和粒状高炉矿渣的“绿色”混凝土,仅在相对湿度较高的自然暴露环境下才具有良好的抗碳化性能(见图 8);这 2 种混凝土中,水胶比较低的掺粒状高炉矿渣混凝土的性能优于同水胶比的掺粉煤灰混凝土,且大水胶比混凝土抗碳化能力均较弱,不建议在相对湿度适中的自然环境中采用(见图 7)。图 4 自然条件下 055FA 混凝土碳化深度Fig.4 Carbonation depths prediction of 055FA concrete under in-service environments图 5 自然条件下 055GGBS 混凝土碳化深度Fig.5 Carbonation depths prediction of 055GGBS concrete under in-service environments图 6 相对环境湿度为 40%时不同类型混凝土预测碳化深度Fig.6 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH is 40%3.3 自然条件下持载混凝土最大碳化深度的环境相对湿度范围 已有的许多研究表明,在环境相对湿度 50%70%的范围,完好未持载混凝土的碳化深度最大。当湿度从 52%上升到 75%时,碳化深度显著增加18。在 CO2浓度为 4%的暴露条件下,若环境相对湿度从 57%增加到 70%甚至到 80%,碳化系数会降低2。混凝土的最大碳化深度,有可能分别发 生 在 相 对 湿 度 为 55%65%19或 60%70%11、70%2的范围内。本文中,对暴露在自然条件下未持载和持载的不同类型混凝土,从图 15 可以看出,在环境相对湿度 50%70%内均达到最大 预 测 碳 化 深 度,与 先 前 研 究 得 出 的 结论11,18-20类似。0341第 8 期王小惠,等:不同类型持载混凝土碳化性能研究图 7 相对环境湿度为 60%时不同类型混凝土预测碳化深度Fig.7 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH=60%图 8 相对环境湿度为 80%时不同类型混凝土预测碳化深度Fig.8 Carbonation depths prediction of different types of concrete under RH=80%4 结论 1)对设计使用寿命为 50 a 和 100 a 的掺粉煤灰和粒状高炉矿渣的不同水胶比的“绿色”混凝土,随环境相对湿度的增加,混凝土的预测碳化深度呈现先增大后减小的趋势。在相同环境相对湿度下,同一类型的混凝土,水胶比越大,碳化深度越大。对相同类型和水胶比的“绿色”混凝土,持载混凝土的预测碳化深度大于未持载混凝土的预测碳化深度,反映了外荷载对混凝土抗碳化性能的不利影响。2)相同的环境相对湿度下,较大水胶比的掺粉煤灰混凝土 055FA 的预测碳化深度与不同暴露环境 XC2/XC3和 XC4所要求的最小混凝土保护层厚度间的差距最大。因此,在粉煤灰混凝土构件保护层厚度抗碳化设计时,应综合考虑荷载作用和环境湿度的影响,设计保护层厚度。3)不同类型混凝土中,除 040PC 混凝土外,不同环境相对湿度(35%90%)下,仅 040GGBS 和055PC 持载混凝土满足 XC2/XC3和 XC4暴露环境下 50 a 和 100 a 设计使用寿命的耐久性要求。耐久性设计中,应重视外荷载作用对混凝土抗碳化性能的影响。4)当环境相对湿度为 50%70%时,水胶比较大的掺粉煤灰和掺粒状高炉矿渣的持载“绿色”混凝土不能满足暴露环境 XC2/XC3和 XC4最小混凝土保护层厚度要求。故在此湿度范围内,应尽量避免采用较大水胶比的“绿色”混凝土。参考文献:1 CHEN Chuntao,HO C W.Influence of cyclic humidity on carbonation of concreteJ.Journal of materials in civil engineering,2013,25(12):1929-1935.2 LEEMANN A,MORO F.Carbonation of concrete:the role of CO2 concentration,relative humidity and CO2 buffer ca-pacityJ.Materials and structures,2017,50(1):30.3 JAE-DONG J,HIRAI K,MIHASHI H.Influence of envi-ronmental moisture and temperature on carbonation of mor-tarJ.Concrete research and technology,1990,1(1):85-94.4 PARROTT L J.A review of carbonation in reinforced con-crete S.Cement and Concrete Association,Wexham Springs,GB,1987.5 NGEL M,S.Effect of curing time on granulated blast-furnace slag cement mortars carbonationJ.Cement and concrete composites,2018,90:257-265.6 WANG Xiaohui.Influence of loading and cracks on car-bonation of RC elements made of different concrete types1341哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷J.Construction and building materials,2018,164:12-28.7 HUANG N M.Effect of plastering on the carbonation of a 35-year-old reinforced concrete buildingJ.Construction and building materials,2012,29:206-214.8 CAREVIC V,IGNJATOVIC I.Influence of loading cracks on the carbonation resistance of RC elementsJ.Con-struction and building materials,2019,227:116583.9 BAROGHEL B V.Characterization and identification of equilibrium and transfer moisture properties for ordinary and high-performance cementitious materialsJ.Cement and concrete research,1999,29(8):1225-1238.10 STEFFENS A,DINKLER D,AHRENS H.Modeling car-bonation for corrosion risk prediction of concrete structuresJ.Cement and concrete research,2002,32(6):935-941.11 ELSALAMAWY M,MOHAMED A R,KAMAL E M.The role of relative humidity and cement type on carbona-tion resistance of concrete J.Alexandria engineering journal,2019,58(4):1257-1264.12 WANG Xiaohui.Carbonation of loaded RC elements made of different concrete types:accelerated testing and future predictions J.Construction and building materials,2020,243:118-159.13 TA V L.A new meta-model to calculate carbonation front depth within concrete structures J.Construction and building materials,2016,129:172-181.14 SISOMPHON K,FRANK L.Carbonation rates of con-cretes containing high volume of pozzolanic materialsJ.Cement and concrete research,2007,37(12):1647-1653.15 Earths CO2 Home Page,https:/www.co2.earth/access-ed on August 14,2018.16 Eurocode 2:Design of Concrete Structures-Part 1-1:General Rules and Rules for Buildings:BS EN 1992-1-1S.BSI.17 HAN S H.Evaluation of concrete durability due to car-bonation in harbor concrete structuresJ.Construction and building materials,2013,48:1045-1049.18 ROY S K.Durability of concreteaccelerated carbona-tion and weathering studiesJ.Building and environ-ment,1999,34(5):597-606.19 LIU Peng,CHEN Ying,YU Zhiwu.Effects of tempera-ture,relative humidity and carbon dioxide concentration on concrete carbonation J.Magazine of concrete re-search,2020,72(18):936-947.20 RUSSELL D,BASHEER P A M,RANKIN G I B,et al.Effect of relative humidity and air permeability on predic-tion of the rate of carbonation of concreteJ.Proceed-ings of the institution of civil engineers-structures and buildings,2001,146(3):319-326.本文引用格式:王小惠,涂静婷.不同类型持载混凝土碳化性能研究J.哈尔滨工程大学学报,2023,44(8):1426-1432.WANG Xiaohui,TU Jingting.Carbonation performance of loaded portland cement,fly ash,and ground granulated blast furnace slag concretesJ.Jour-nal of Harbin Engineering University,2023,44(8):1426-1432.2341