水泥强度等级对混凝土碳化耐久性的影响.pdf

浙 江建筑 ， 第 3 2卷 ， 第 4期 ， 2 0 1 5年 4月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 2，No 4，Ap r 2 0 l 5 水 泥强度等级对混凝土碳化耐久性 的影响 I n f l u e n c e o f t h e Ce me n t St r e n g t h G r a d e t o t h e I。 ，一 一 Ga r b o n i z a t i o n En d ur a n C e O T Gon c r e t e 李 倩 ， 叶 青 ， 黄 秀弟。 ， 俞嘉陈 ， 虞凯凯。 L IQ i a n ，Y E Q i n g 一 ， HU A N GX i u d i ，Y U J i a c h e n ，Y UK a i k a i ( 1 浙江工业大学建筑工程学院 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4； 2 浙 江省工程结构与防灾减灾技术研究 重点实验室 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4； 3 绍兴市华冠新型建材有限公司 ， 浙江 绍兴 3 1 2 0 0 0) 摘要 ： 基于水泥强度等级对混凝土碳 化耐久性 的影响 ， 采用快速碳化试验对 由 4 2 5或 5 2 5级普通水泥配制 的 C 3 5混 凝土 的抗碳化性能进行 了研究 。试验结果表明 ： 在抗压强度相 当的条件下 ， 由4 2 5级水泥配制的 C 3 5混凝 土具 有更好 的碳化 耐久性。 例如 ， 在空气中 C O 2 体积分数为 0 0 4 和矿渣掺量为 5 0 的条件下 ， 用 4 2 5或 5 2 5级 水泥配制 的 C 3 5混凝土完全 自然碳化所需 时 间分别为 5 3 3 a和 4 4 7 a ， 可见 ， 用 5 2 5级水泥配制的混凝 士碳化年 限更短 ， 且达不到 5 0 a的设计使用年 限。因此 ， 在 工程上宜 优先选用 4 2 5级水泥配制 C 3 5混凝 土。 关键词 ： 水泥强度等级 ； 碳化耐久性 ； 快速碳化 ； 抗 压强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 志码： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 5 ) 04 0 0 6 0 04 1 概述 1 9 8 9年 ， 我 国通 过综 合调 查 发 现建 国初 期 的大 多数建筑 已无法满足安全、 经济使用 5 0 a的要求 ， 一 般约 3 0年就会大修 ， 而处于严酷环境中的建筑物 使用 寿命 则更 短 ， 仅 2 0年 左 右 ， 其 中最 主要 的原 因是 这些 建筑 只按 安 全 性 和适 用 性 来设 计 结 构 ， 而 忽 略 了耐 久性设 计 。因此 ， 工 程 中除 了应 按强 度 设计钢筋混 凝土结 构 以外 ， 还须 考虑 耐久性 设计 要 求 。 随着 工业 的迅 猛 发 展 ， 环 境 中 C O ：的 浓 度 ( 体 积分数 ) 持续升高 ， 2 O世纪 8 0年代还只有 0 0 3 ， 而今却有 0 0 4 ， 据专家分析 ， 到 2 1世纪下半叶可 能上升到 0 0 5 。空气 中 C O ： 浓度的提升使混 凝土的碳化耐久性 急剧下降 ， 给工程造成 了严重的 经 济损 失 和安 全事 故 ， 因此 由碳 化 导 致 混 凝 土 结构破 坏 已 列 为耐 久 性 的首 要 问 题 之 一 。从 2 0 世纪 9 0年代到 2 1 世 纪初 ， 我 国开始重视重 大建筑 收稿 日期： 2 0 1 4一 O 11 4 作者简介 ： 李倩 ( 1 9 9 O 一 ) ， 女 ， 湖南益阳人 ， 硕 士在读 。 工 程 的耐久性 问题 ， 并 相 继 完 成 了一 批 有 关 耐 久性 问题 的 国家重 点工 程 项 ， 例 如 ： 青 藏 铁 路 、 香 港 国际机场、 三峡大坝、 杭州湾跨海大桥等 。 但在一般工程 中多数普通建筑仍旧只按强度要 求 来设 计而并 未 考虑 混 凝 土 的 耐久 性 问题 ， 特 别 是 在水泥 的选 用上 盲 目大 意 ， 胶 材 中又 混 人较 多 的混 合材料和矿物掺和料 。 。 ， 这些都将使混凝土的碳化 耐久性严重降低 。基于上述情况 ， 本项 目欲研究在 标准养护条件下 由不同标号 的水泥配制 的 C 3 5混 凝土抗碳化耐久性随矿物掺合料含量的变化规律 ， 揭示水泥强度等级对混凝土抗压强度和抗碳化耐久 性 的影 响 。 2原材料与试验方法 2 1 原 材料 ( 1 ) 水 泥 ： 某 市 售 5 2 5级 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ， 其 2 8 d抗折和抗压强度分别为 7 9 、 5 5 4 M P a ， S O 含量 为 2 8 ， 比表面积为 3 4 5 m k g ； 某市售 4 2 5级普通 第 4期 李 倩等： 水泥强度等级对混凝土碳化耐久性的影响 6 1 硅酸盐 水 泥， 其 2 8 d抗折 和抗 压强 度分 别为7 1 、 4 5 5 M P a ， S O 含 量 为 2 9 ， 比表 面积 为3 3 0 m k g ； 水 泥的化 学成分见 表 1 。 ( 2 ) 矿渣 微 粉 ： 杭 州 当地 某 炼 钢 厂 矿 渣微 粉 ， 比 表面积 为4 2 5 m k g ， 其 化学成分 见表 1 。 ( 3 ) 细骨料 ： 由杭州当地某石矿石灰石碎屑和以 石英 为 主的长江 细砂 混合而 成 ， 该混 合砂 的细度 模数 为 2 6 ， 级 配为 区 ， 表观密度 为 2 7 0 g c m ， 含泥量 为 2 O 。 ( 4 ) 粗骨料： 杭州当地某碎石 ， 级配为5 3 1 5 m m， 表观密度 为 2 7 5 g c m ， 含泥量为0 5 。 ( 5 ) 泵送剂 ： 采用市售减水率为 1 7 的泵送剂 。 以 萘 系 减 水 剂 为 主 ， 含 固量 为 2 8 ( 掺 人 量 以 固 体计 ) 。 ( 6 ) 水 ： 自来 水 。 2 2配 合 比 的 确 定 现用 4 2 5级普 通硅 酸盐 水 泥 配制水 胶 比为 0 5 、 砂率 4 2 的 C 3 5混凝土 ， 用 5 2 5级普通硅酸 盐水泥配制水胶比为 0 6 、 砂率 4 2 的 C 3 5混凝土。 混凝 土 中分别 掺人 1 5 、 3 0 、 4 0 和 5 0 的矿 渣 。 减水剂掺量为 1 8 ， 设计坍落度为 1 5 0 2 0 0 m m。 配合 比见 表 2 。 表 1 水 泥和矿渣微粉的化学成分 ( ) 2 3 实验 步骤 按 普通混凝土拌合物性能试验方法标准( G B T5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ) 测定 混凝 土拌合 物 的和易性 ， 按 普 通 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 方 法 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 成型和测定抗压强度 ， 按 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法 ( G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ) 进行快 速碳化 实验 。实 验用 1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0 m m 的 立方体 抗 压 强 度 试 件 和 1 0 0 m m 1 0 0 mm 3 0 0 m m 的棱柱 体抗碳 化 试件 。将 浇筑 成 型 的混凝 土 试 件静 停 6 h后移人标准养护室养护 ， 2 4 h龄期时拆摸 ， 拆模 后继续早期保湿养护至 2 8 d 。其中早期保湿养护的 温度为 ( 2 0 2 ) ， 相对湿度 大于 9 5 。 将养护 2 8 d后的立方体试件表面清除干净 ， 放 在压 力机 压板 上 ， 并 使 试 件 的 中 心 与下 压板 中心 对 准 ， 试 件 的承压 面与 成型 时 的顶 面垂 直 ， 在 试验 过程 中应连续均匀地加荷 ， 试件压碎时记录抗压强度值。 将养护 2 8 d后的棱柱体试件在 6 o 下烘 4 8 h后 用熔化 的石蜡 对其侧 面和一个 底 面进行 密封 ， 放 人碳 化箱内进行快 速碳化 试验 ， 当快 速碳化 至 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d 时 ， 分别取 出试 件 ， 将试 件距一 端 5 0 m m 处劈裂 ， 封 蜡 后继续放人碳化箱内进行碳化， 切下部分喷上 1 的酚 酞酒精溶液 ， 并根据变色范 围量测其碳化深度 。 2 4主 要 试 验 仪 器 采用 浙 江土工 仪器 厂生 产 的机械 压力 机和 全 自 动混凝 土 碳化 试验 箱 ， 碳 化控 制箱 内 C O 体 积分 数 保持 在 ( 2 0 3 ) ， 相 对湿 度 保持 在 ( 7 05 ) L l ， 温度保持为( 2 0 2 ) 。 3实验结果与分析 3 1 由 4 2 5或 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混 凝 土 的 抗 压 强度 比较 由表 2中的抗压强度数据可知： 用 4 2 5或5 2 5 6 2 浙江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 级水 泥 均可配 制 C 3 5混凝 土并 能满 足 其 配 制强 度 ， 且当矿渣掺量一定时 ， 两者配制 的 C 3 5混凝土 2 8 d 抗 压强 度基本 相 当 。例 如 ， 在矿 渣 掺 量分 别 为 0 、 1 5 、 3 0 、 4 0 和 5 0 时 ， 其 相 对 比 值 分 别 是 1 0 0 、 0 9 9 、 0 9 9 、 0 9 9和 0 9 7 ， 可见 ， 两 种水 泥 配 制 的 C 3 5混凝 土 2 8 d抗压强 度相 差不 超过 3 。 3 2 由 4 2 5或 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混 凝 土 的 碳 化 耐 久 性 比 较 3 2 1 碳化 深度 实测数 据 4 2 5或 5 2 5级水 泥配 制 的 C 3 5混 凝 土在 不 同 矿渣 掺量 和不 同快速碳 化 时间时 的碳化 深度 实测 数 据见 表 3 。 表 3 由 4 2 5或 5 2 5级 水 泥配 制 的 C 3 5混 凝 土 的 碳 化 深 度 实 测 数 据 ram 3 2 2 碳化深度数 据分析 C 3 5混凝 土的碳化耐久 性 由表 3中的碳化深度数据线性拟合得到的拟合 曲线图， 见图 1 、 图 2 。 图 1 4 2 5级水泥配制的 12 3 5混凝 土的 碳 化 深 度拟 合 曲线 图 早期保湿养护时间， d 0 图 2 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混凝 土 的 碳化 深度 拟合 曲线 圈 由图 1和图 2可 知 ， 由 4 2 5或 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混 凝 土 的快 速 碳 化 深 度 D 与快 速 碳 化 时 间 t 符合 D=k t ( R 0 9 5 ， 拟 合 程 度 好 ) 的关 系 式 ， 其中 k为碳化速度系数， 且 i 随着矿渣掺量的降 低而减小。根据碳化速度系数 可推算 C 3 5混凝土 在 空气 中 C O ， 体积分 数为 0 0 4 时 的 自然 环境 中完 全 碳 化 ( 即 碳 化 达 到 混 凝 土 保 护 层 厚 度 ， 假 设 为 2 5 m m) 所需 的时间 ， 下文称混 凝土 的碳化 耐久年 限。 由 4 2 5或 5 2 5级水 泥配制 的 C 3 5混凝 土 的碳 化系数和碳化耐久年限见表 4 。 表 4 4 2 5或 5 2 5级水泥配制的 C 3 5混凝土的 碳化 系数和碳化耐久年 限 注 ： 由图 1和图2中拟合得到碳化箱中 c o 体积分数为 2 0 时的快速 碳化速度系数k 2 0 ， 将快速碳化系数 k 2 0 转化成自然环境中 c 0 2体积分 数为0 0 4 的自然碳化速度系数 k 0 o 4 ， 即 1 m m d ( 快速 ) 碳化速度 系数= 1 0 0( 3 6 5 ) 。 ( 0 04 2 0 ) 。 m n l a 0 = o 8 5 4 4mn l a 0 ( 自然 ) 碳化速度系数 ； 推算混凝土的碳化耐久年限 t =( D k ) ， 其 中 D=2 5 mm， = k 0 0 4 。 由表 4可知 ， 在 当今 C O ： 体积 分 数 为 0 0 4 的 自然 环 境 中 ， 当 矿 渣 掺 量 分 别 为 0 、 1 5 、 3 0 、 第 4期 李倩等 ： 水泥强度等级对混凝土碳化耐久性的影响 6 3 4 0 和 5 0 时 ， 由 4 2 5级水泥配制 的 C 3 5混凝 土 的碳化耐久年限均能达到设计使用年 限 5 0 a以上 ， 而 由 5 2 5级 水 泥 配制 的 C 3 5混凝 土 的碳 化 耐 久 年 限在矿 渣掺 量 超过 4 0 时 已不能 达到 5 0年 。 在矿渣掺量一定的条件下 ， 若以 5 2 5级水泥配 制 的 C 3 5混凝 土 的碳化 年 限为基 准 ， 则 4 2 5级水 泥 配 制 时 的碳化 年 限与基 准 的相 对 比值 分 别 为 1 3 6 、 1 3 2 、 1 2 9 、 1 2 5和 1 1 9 ， 可 见 用 4 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混凝 土 碳化 年 限更 高 ， 至少 比 5 2 5级水 泥配 制 的高 1 5 。 由此 可 知 ， 当矿 渣 掺 量超 过 4 0 时 ， 用 5 2 5级 水 泥 配制 C 3 5混 凝 土 已达 不 到 设 计 使用 年 限 5 0年 的要 求 ； 当矿 渣掺 量不 超 过 4 0 时 ， 用 4 2 5级 水 泥 或 5 2 5级水泥配制的 C 3 5混凝土都能超过设计年 限 5 0年 ， 但 4 2 5级水 泥 配 制 的 C 3 5混 凝 土 碳 化 耐 久 性 更好 、 抗 碳化 性 能更 强 。 4讨 论 由于水泥生产工艺和质量的提高 ， 使 当今水泥具 有细度高、 混合材料掺量高、 熟料 中早强矿物数量多、 早期 强度发 展快 的特 点 ， 水泥 强度 也 比 以往 提 高 1 2个 等级 ， 这有 利 于配制高强混 凝土 ， 但 对配 制 C 2 5一 C 4 0混凝土来讲带来 了水灰 比大、 孔隙率大 、 耐久性 低 的问题 。此 外 ， 为 了增 大混 凝 土 的抗 裂 能力 、 减 小 水化热 和节 约成本 ， 拌制 混凝土 时常掺人 1 5 4 0 的矿渣等掺和料 ， 使混凝土的碱度降低 ， 抗碳化能力 减弱。再加上当今 C O 体积分数持续上升， 混凝土的 抗碳化能力进一步下降。在上述条件下 ， 实际工程中 的钢筋混凝土结构即使强度等级达到了设计要求， 但 其抗 碳化耐 久性 已经 受到 了严 重 的影 响 ， 导致 大部 分 结构 未达 到设计使用 年 限就 提前失效 。 当今 工程上 习惯 用 5 2 5而不 是用 4 2 5级 水 泥 来配制 C 3 5混凝土， 导致所配 C 3 5混凝土的水胶比更 大 ， 水 泥用量 更少 。 由于 水胶 比大 ， 混凝 土 内部 毛细 孔多 ， 致使混凝土碳化深度大 ； 水泥用量减少 ， 混 凝土 密实度下 降 ， 碳化 速度 加快 ， 导致 抗碳 化 能力 小 。因此 ， 用 5 2 5级 水 泥配 制 的 C 3 5混 凝 土 的抗 碳 化耐久性大大降低。以本研究数据为例 ， 在矿渣掺量 达到 5 0 时 ， 由 4 2 5或 5 2 5级水 泥配制 的 C 3 5混凝 土 自然碳化( 空气中 C O 体积分数以 0 0 4 计) 达到 保护层 厚度 ( 2 5 m m) 所 需 时间分别 为 5 3 3年和 4 4 7 年， 相差将近 9年。可见 ， 用 4 2 5级水泥配制 C 3 5混 凝土 的抗碳 化能力 比用 5 2 5级水泥 配制时更强 。 5 结 语 由 4 2 5或 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5混凝 土 的 2 8 d抗压强度基本相等 ， 相差不超过 3 ； 但其抗碳 化能力差异较大 ， 在 c 0 ： 体积分数为 0 0 4 的条件 下 ， 用 4 2 5级水 泥 配 制 的 C 3 5混 凝 土 碳 化 年 限更 长 ， 至少 大于用 5 2 5级 水泥 配制 时 的 1 5 。 C 3 5混 凝 土 的快 速 碳化深 度 D 与快速 碳化 时 间 t 符合 D=k t ( R 0 9 5 ， 拟合 程度好 ) 的关系式 ， 且碳化速度系数 k随着矿渣掺量的降低而减小。当 矿渣 掺量 超 过 4 0 时 ， 用 5 2 5级 水 泥 配 制 的 C 3 5 混凝土已无法保证设计使用年限 5 0 a的要求。 在 当今 C 2 5C 4 0混凝 土工 程 中面 临水 泥 强度 较高、 水灰比较大、 胶材中混合材料和矿物掺和料较 多等不 良情况 ， 导致混凝土的抗碳化能力严重下降。 为充 分 考虑 钢筋 混凝 土结 构 的强度 设计 和耐久 性设 计 ， 建 议 优先选 用 4 2 5级水 泥来 配制 C 3 5混凝 土 。 参 考 文 献 1 夏云峰 钢筋混凝土结构耐久性改善措施浅析 J 工程结构 ， 2 0 0 5 ( 2 5 ) ： 1 0 71 0 9 2 吴 清伟 ， 马亮 ， 刘 金颖 钢 筋混凝土 结构耐 久性分 析及 改善措 施 J 辽宁省交通高等专科学校学报 ， 2 0 0 9 ， 1 1 ( 6 ) ： 1 8 2 1 3 阎坤 6 O年来大气 中二氧化碳浓 度数据 的趋势方程研 究 J 地球物理学进展 ， 2 0 0 9， 2 4 ( 5 ) ： 1 6 6 51 6 7 0 4 石声泰 ， 1 9 8 0年 中 国赴美 日腐 蚀科学 考察 团 1 9 7 5年腐蚀 损 失 的调查情况 J 中国腐蚀与防护学报 ， 1 9 8 1 ( 2 ) ： 6 26 4 5 屈永红 混凝土工程 中碳化问题的研究现状 J 商 品混凝土 ， 2 0 1 3 ( 1 )： 2 93 1 ， 4 5 6 袁 群 ， 何 芳婵 ， 李 杉 混凝 土碳化理 论与研 究 M 郑州 ： 黄河 水利 出版社 ， 2 0 0 9： 2 7 陈改新 混凝 土耐久性 的研究 、 应用和发展趋势 J 中国水利 水电科学研 究院学报， 2 0 0 9 ， 7 ( 2 ) ： 1 2 01 2 5 8 黄士元 2 l世纪初期我 国混凝士技 术发展 中的几个重 点问题 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 3 6 9 吴克 刚 蒸养粉 煤灰混 凝土 的抗碳 化性能研 究 D】 湖 南： 中 南 大学， 2 0 0 9 1 O 叶青 ， 阮琦 ， 柴立英 早期保湿养护时 间和矿 渣掺量对 C 4 0泵 送混凝 土抗碳化能 力的影 响 J 新型建 筑材料 ， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 71 1 1 1 P a d a d a k i s V G，V a y e n a s C G E x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a n d m a t h e ma t i c a l mo d e l i n g o f t h e c o n c r e t e c a r b o n a t i o n p r o b l e m J C h e m E n g S e i ， 1 9 9 1 ， 4 6 ( 56 ) ： 1 3 3 3 1 2 方磉 ， 梅 国兴 ， 陆采荣 影响混凝 土碳 化主要因素及 钢锈锈蚀 试验研究 J 混凝土 ， 1 9 9 3 ( 2 ) ： 2 3 2 6 1 3 马文海 混 凝土碳 化及 对钢 筋锈蚀 的影 响 J 低 温建筑 技 术 ， 1 9 8 6( 1 ) ： 2 73 2