混凝土自然碳化和抗压强度随时间变化规律的试验研究

文摘 2025-01-29 07:01 河南

0　前言

在正常大气作用下，表层混凝土碳化、氧气和水分共同作用引起的钢筋锈蚀是配筋混凝土结构中最常见的劣化现象。特别是近年来随着预拌混凝土的普及、工程建设速度的加快，现浇结构构件表层混凝土碳化日趋严重，有的构件浇筑后不过半年，碳化深度竟高达5～10mm，值得业内重视。现行GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的碳化试验方法[1]对试件处理、碳化试验的CO₂浓度、温度、湿度要求严格，与施工现场环境差别很大，测得的碳化程度不能反映施工现场的真实情况。因此，开展混凝土自然碳化的试验研究对控制现浇混凝土结构构件的碳化有重要意义。

1　试验方案

1.1　原材料及主要物理性能指标

水泥：辽宁抚顺P·Ⅰ42.5水泥，山东鲁珠P·O42.5水泥（混合材为燃煤炉渣和矿粉，掺加量18%），两个不同品种水泥3d和28d的抗压强度分别为37.8MPa、29.4MPa和53.1MPa、51.7MPa。

细骨料：汶河天然河砂，属II区中砂，细度模数2.7，含泥量为2.5%，泥块含量为0.5%。

粗骨料：肥城龟山碎石，最大公称粒径为10mm、20mm、25mm和31.5mm，均采用连续级配，含泥量分别为0.5%、0.4%、0.4%、0.3%，泥块含量分别为0.4%、0.2%、0.2%、0.2%。

矿物掺和料：曲阜华能电厂F类II级粉煤灰，细度20.6%，需水量比101%，28d强度活性指数78%；曲阜某新型建材有限公司产S95级矿渣粉，比表面积436m²/kg，7d和28d活性指数分别为81%、98%。

外加剂：宁阳瑞安泵送剂和防冻泵送剂，含固量分别为10.8%、24.1%，减水率分别为21.4%、21.6%。

水：自来水。

混凝土养护剂：北京某建材有限公司生产的表面成膜型养护剂。

表面涂层材料：山东某建材有限公司生产的聚氨酯防水涂料。

1.2　混凝土配合比

试验混凝土配合比按JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计。

每立方米混凝土总胶凝材料用量440kg，砂率41%，水胶比分别取0.43、0.48、0.53；掺加掺和料的混凝土，以粉煤灰和矿渣粉等质量取代水泥（单掺粉煤灰20%、40%，矿渣粉25%、50%，双掺各15%），砂、石比例相同，外加剂掺量根据初始坍落度(210±10)mm进行调整，使混凝土拌合物具有良好的保水性和黏聚性，以满足泵送施工要求。各试验配合比及坍落度检测结果见表1～表3，冬期和春末夏初生产的C30、C20混凝土配合比及坍落度检测结果见表4（各材料的物理性能与试验配合比使用材料大致相同）。表中混凝土配合比的用水量为减去泵送剂和防冻泵送剂所含水量后的用水量，各材料数据为每立方米混凝土的用量（kg）。

1.3　取样、试样制备和坍落度试验

表1～表3中混凝土拌合物在试验室采用搅拌机搅拌2min后取样；表4中混凝土拌合物为生产时随机取样。混凝土拌合物试样的制备和坍落度试验按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，

1.4　试件的制作和养护

试件制作按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，采用振动台振实成型。为研究各混凝土自然碳化与抗压强度（以下简称强度）的相关性，在制作碳化试件时，同时制作了与碳化试验龄期对应的强度试件。各试验编号制作标准养护试件2组（边长100mm的立方体，1组为28d碳化试件，1组为28d强度试件），制作自然环境养护碳化试件1组（100mm×100mm×515mm的棱柱体）和与其试验龄期对应的强度试件9组（边长100mm的立方体，以下简称强度试件）。试验配合比试件于2022年4月中下旬成型，冬期生产C30和春末夏初生产C30、C20混凝土的试件分别于1月上旬和5月中下旬成型。试件编号标识、拆模后分别采用以下养护方式：

1）标准养护的试件，立即放入温度为(20±5)℃、相对湿度为95%以上的标准养护室养护28d。

2）各试验配合比的碳化试件和强度试件，立即严密包裹混凝土保湿保温养护布在室外自然环境下养护28d（以下简称保湿保温养护），然后将试件彼此间隔50mm，置于室外不被雨淋的自然环境中。

3）冬期生产混凝土的碳化试件和强度试件，立即在室外自然环境下采用不养护、保湿保温养护60d和6个侧面均匀涂刷两遍养护剂干燥后再包裹8mm厚毛毡保温养护60d共三种方式，在龄期28d试验后重新包裹养护布和毛毡并置于原地点继续养护；春末夏初生产混凝土的碳化试件和强度试件拆模后，立即在室外自然环境下分别采用不养护、保湿保温养护（7d、14d、28d）和6个侧面均匀涂刷两遍养护剂共五种方式。上述凡是进行保湿保温养护的试件，达到相应养护时间后将包裹的养护布、毛毡解除，然后将试件彼此间隔50mm，置于室外不被雨淋的自然环境中。

为了观察环境温度对混凝土强度增长的影响，记录日平均温度（采用当地天气预报温度），以计算各混凝土强度试件在自然环境养护期间的日平均温度逐日累计值。

1.5　碳化和强度试验龄期设计和试验方法

1）碳化试验和强度试验龄期分别设计为28d、60d、120d、180d、270d、360d、540d、720d。

2）为观察表面涂层对暴露在自然环境下混凝土的维护效果，对编号3-1～3-5、4-1～4-3和6-2强度试件在龄期120d时各随机抽取一组，分别在相对的两个侧面均匀涂刷三遍聚氨酯防水涂料后置于原地点，在设计龄期720d时对其涂层面通过压力试验机劈裂后进行碳化深度测定。

3）碳化试件达到设计试验龄期时，碳化深度测定参照GB/T50082-2009的碳化试验中相关规定进行。

4）强度试件达到设计试验龄期时，强度测定按照GB/T50081-2019进行。

2　试验结果

各试验编号的碳化深度和与其对应的强度试验结果如表5和表6所示。

3　试验结果分析

由表5和表6可见，在自然环境下各试验编号的碳化深度均随龄期的延长而增加，在龄期180d前碳化速度较快，之后逐渐减缓，强度试件在180d前强度增长较快，之后逐渐减慢。这说明随着时间的推移，胶凝材料水化产物越来越多，混凝土密实性得到提高。

3.1　水泥品种对混凝土碳化和强度的影响

由表5中1-1、2-1试验结果表明，在水泥用量相同时，P·O42.5水泥混凝土各龄期的碳化深度均大于P·Ⅰ42.5水泥混凝土，其各龄期强度均低于P·Ⅰ42.5水泥混凝土。这主要是由于P·O42.5水泥掺加了18%的混合材料，水泥熟料减少，碱性环境相对较低所致。由此可知，从提高混凝土抗碳化性能和强度的角度来说，配制混凝土时应优先选择P·Ⅰ水泥。

3.2　矿物掺和料掺量及品种对混凝土碳化和强度的影响

表5中3-1～3-5试验结果表明，随着粉煤灰、矿渣粉取代P·O42.5水泥量的提高，碳化深度明显增加，强度稍微降低。掺粉煤灰混凝土的碳化深度总体上稍高于掺矿渣粉混凝土。贾福萍等通过正交试验得出，石灰石粉的掺量越多，水胶比越大，碳化时间越长，混凝土的抗碳化性能越弱；通过快速碳化试验得出，在掺量25%和35%时，掺石灰石粉混凝土的各龄期碳化深度值约为掺粉煤灰、矿渣粉混凝土的2倍。随着矿物掺和料掺量提高，水泥熟料进一步降低，又由于粉煤灰和矿渣粉含有的活性SiO₂、Al₂O₃成分与水泥水化产物中的Ca(OH)₂发生二次反应，生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，造成Ca(OH)₂大大减少，高度碱性环境不能形成，从而使抗碳化性能降低。优质矿物掺和料在混凝土体系中虽然能降低水泥用量、提高混凝土抗渗性能和抵抗化学腐蚀的能力，但在配制混凝土时应考虑水泥中已掺加的混合材，矿物掺和料用量占胶凝材料总量的比值应根据环境类别与作用等级、水胶比、钢筋的混凝土保护层厚度及施工养护期限等综合确定，并符合有关标准的规定。

3.3　不同最大粒径碎石对混凝土碳化和强度的影响

表5中5-1～5-3试验结果表明，三种碎石混凝土在其他相同条件下各龄期的碳化深度基本相同，对混凝土碳化影响较小；5～20mm、5～31.5mm碎石混凝土各龄期强度差异不大，而5～10mm碎石混凝土各龄期强度相对较低。由此可见，在其他相同条件下，5～10mm碎石对混凝土强度有一定影响。

3.4　水胶比对混凝土碳化和强度的影响

表5中1-1～1-3、2-1～2-3、4-1～4-3试验结果表明，在相同养护条件下，无论是水泥混凝土还是掺加掺和料混凝土，均符合水胶比越大，碳化深度随之增大而强度随之降低的规律。这是由于碳化速率与水、CO₂在混凝土空隙中迁移有关。在胶凝材料总量相同时，水胶比越大，混凝土密实性越差，加快了碳化速度，降低了强度。因此，适当降低水胶比是提高混凝土抗碳化性能和强度的重要方法之一。

3.5　养护方式和养护龄期对混凝土碳化和强度的影响

由表5和表6结果表明，标养28d试件的碳化深度均为0.5mm，这是试件表面在相对湿度95%以上环境下的雾气和水滴冲洗下，使得试块表面Ca(OH)₂浓度远低于Ca(OH)₂的饱和浓度(12.7g/L,pH＞12.7)所致，由此表明，在施工现场采用洒水养护对控制混凝土碳化不利。除冬期生产C30掺粉煤灰混凝土外，其他各试验混凝土保湿保温养护28d强度大多都高于标养28d强度。

表5中6-1冬期生产C30掺粉煤灰混凝土试验结果表明，保湿保温养护60d可达到标养28d的强度，且无碳化，180d的碳化深度3.7mm。除标准养护外，采用其他三种养护方式的混凝土各龄期碳化深度大小依次为不养护>喷涂养护剂+保温养护>保湿保温养护；而各龄期强度大小依次为保湿保温养护>喷涂养护剂+保温养护>不养护。由此可知，在本地区冬期施工中采取保湿保温养护60d对保证混凝土抗碳化性能和抗压强度具有良好作用。喷涂养护剂+保温养护试件的碳化深度与6-2、6-3喷涂养护剂试件的碳化深度明显降低，这可能与包裹了8mm厚的毛毡有关。

表6中6-2和6-3春末夏初生产C30、C20掺粉煤灰混凝土试验结果表明，保湿保温养护28d强度均高于标养28d强度，且无碳化，180d时碳化深度分别为1.6mm、3.9mm。除标准养护外，采用其他五种养护方式的混凝土各龄期碳化深度大小依次为喷涂养护剂>不养护>保湿保温养护7d>保湿保温养护14d>保湿保温养护28d；而各龄期强度大小依次为保湿保温养护28d>保湿保温养护14d>保湿保温养护7d>喷涂养护剂>不养护。由此可知，在本地区春末夏初采用保湿保温养护7d、14d对强度影响较小，对碳化影响很大；而不养护和喷涂养护剂试件的各龄期碳化深度和强度较为接近，喷涂养护剂试件28d和180d的碳化深度分别达到4.0mm、4.5mm和8.8mm、9.1mm，其28d强度分别为保湿保温养护28d的68.3%、70.7%，表明本次试验用的养护剂不具有保湿效果，还可能对混凝土有一定的腐蚀作用。由于当前市场养护剂质量参差不齐，采用前应通过试验检验确认其保湿效果。

综上，养护方式、养护时间对混凝土碳化和强度均有很大影响，特别在早龄期时影响更为显著。

3.6　表面涂层对混凝土碳化的影响

由表5中3-1～3-5、4-1～4-3和表6中6-2结果可以看出，试件涂刷三遍聚氨酯防水涂料后暴露在自然环境下600d，所测得碳化深度与120d的碳化深度基本没有变化，表明表面涂层可有效阻止自然环境中水及CO₂侵入混凝土。

3.7　自然碳化与抗压强度的相关性

由表5可以看出，采用保湿保温养护的各试验混凝土配合比强度与碳化总趋势为强度越高，碳化深度越小；表6试验结果表明，无论是冬期还是春末夏初生产的混凝土，其强度与碳化深度总趋势为保湿保温养护时间越长，强度越高，碳化深度越小；不养护和喷涂养护剂混凝土的各龄期试验结果较为接近，与采取保湿保温养护相比，总趋势为强度大幅降低，碳化深度大幅增加。

4　结论

1）碳化影响因素以显著性由高到低排序依次是矿物掺和料掺量、水胶比、养护方式及养护时间；强度影响因素以显著性由高到低排序依次是水胶比、掺和料掺量、养护方式及养护龄期；矿物掺和料品种对碳化深度和强度影响以显著性由高到低排序依次是石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉。

2）碳化的变化规律是：①随着矿物掺和料掺量、水胶比的减小而降低，随着矿物掺和料活性指数的减小而增大；②在自然环境下采用保湿保温养护，随着养护时间的延长而降低，表明延长养护时间可提高混凝土抗碳化性能；③不养护和喷涂不具可靠保湿效果的养护剂进行养护，不仅早期碳化深度大，且碳化速率快；④对混凝土结构构件表面涂刷聚氨酯涂料能有效阻止自然环境中有害介质进入混凝土，适用于以碳化为主要腐蚀特征的一般环境，是延长混凝土结构使用年限最经济有效的防腐蚀措施之一。

3）强度的变化规律是：①随着水胶比、矿物掺和料掺量的减少而增大，随着矿物掺和料活性指数的减小而降低；②在自然环境下采取保湿保温养护，总体上随着养护时间延长而增大；③不养护和喷涂不具可靠保湿效果的养护剂进行养护，不能保证混凝土强度正常增长，特别对混凝土早龄期的强度影响显著。

4）在标准养护和自然环境中充分保湿保温养护28d的情况下，可通过混凝土强度高低来反映其抗碳化性能的优劣。

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