矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验研究_陈锡容

第6期2012年6月广东水利水电

GUANGDONG WATER RESOURCES AND HYDROPOWER No .6Jun．2012

矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验研究

*

陈锡容，王立华，刘

佳

（广东省水利水电科学研究院，广东省水利重点科研基地，广东广州510635）

摘

要：矿渣和粉煤灰作为掺合料在混凝土中的应用日益普及，掺量也不断提高，尤其在硫酸盐、氯离子和海水侵蚀环

境的混凝土中，矿渣粉和粉煤灰是不可或缺的重要组分。试验研究表明，延长养护时间有利于减小混凝土碳化深度，提高混凝土的抗碳化能力；掺入矿渣和粉煤灰会增大混凝土碳化深度，降低其抗碳化能力。关键字：矿渣；粉煤灰；混凝土碳化中图分类号：TV431

文献标识码：A

文章编号：1008－0112（2012）06－0036－04

收稿日期：2012－03－16；修回日期：2012－04－05

作者简介：陈锡容（1984－），男，本科，助理工程师，从事水工材料检测工作。*基金项目：广东省水利厅立项资助项目，项目编号2006－10#。

通常说的碳化，主要是指混凝土的碳化，它是水泥石中的水化产物与周围环境中的二氧化碳作用，生成碳酸盐与其他物质的现象。碳化将使混凝土的内部结构及组织发生变化，是引发水工建筑物钢筋混凝土中钢筋锈蚀的重要因素，也是降低水利、水资源工程

混凝土耐久性的主要因素［1］

。

混凝土内部的碱性较高，在水泥凝结硬化的过程中，pH 值达到了13.5 13.8，硬化混凝土中液相的pH 值一般在12.5以上。如此之高的碱性是可以使其内部的钢筋表面保持钝化状态的。

但是，大气中的CO 2、SO 2等酸性的物质与混凝土内的Ca （OH ）2发生中和反应后，结果使混凝土的pH 值由原来的碱性（液相12.5、固相13.5 13.8）逐渐降低到pH 只有9左右，几近中性的pH =7。

研究表明，当混凝土的pH 值由12.5以上降到11.8以下时，隐埋在混凝土内的混凝表面钝化薄膜就被破坏失效，使钢筋表面变为活化状态或者处于活化作用之中。在此情况下，当空气中的O 2、CO 2通过混凝土内的孔隙扩散到钢筋的表面时，就会发生锈蚀。钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积比原来钢筋的体积要膨胀2 4倍，从而对钢筋周围的混凝土产生相应的膨胀应力。锈蚀越严重，铁锈就越多，相应膨胀应力也越大，膨胀应力达到和超过混凝土极限强度时就会导致混凝土开裂并沿钢筋形成裂缝。裂缝的产生已使水和CO 2沿缝进入混凝土内，从而加速了碳化和钢筋的锈蚀。如此恶性循环，其结果将带来穿堤建筑物结构外部混凝土大量剥落及钢筋截面积缩小，最终降低建筑

物承载力与稳定性，影响结构物的安全。为此，抵抗和防止碳化，使混凝土钢筋处于钝化状态，或者说，尽量保持混凝土原本的碱性而不被中性。可见，混凝土的抗碳化性对混凝土结构的耐久性是非常重要的［2］。

为了改善混凝土的性能和利废等目的，矿渣和粉煤灰作为掺合料在混凝土中的应用日益普及，掺量也

不断提高［3］

，尤其在硫酸盐、氯离子和海水侵蚀环境

的混凝土中，掺合料是不可或缺的重要组分

［4－5］

。本文就大掺量粉煤灰和矿渣混凝土的碳化性能进行了系

统的研究。

1混凝土碳化性能试验方法［6］

在正常的大气中，CO 2即碳酸气与混凝土中的碱性物质的相互作用是一个很复杂多相物理化学过程。

由于空气中CO 2的浓度很低（一般情况下，其体积浓度约为0.03%，在工业区可能稍高），因而，混凝土的碳化的发展常常是一个非常缓慢而又漫长的过程。对密实性较好的混凝土来说，其保护层为20mm 时，要完全碳化透，常常需要数十年才能完成；而不密实的混凝土则可能1 2a ，或几年就可使混凝土的钢筋保护层全碳化。因而，为了研究混凝土的碳化，除了建立自然曝晒场，在大气中实测混凝土的碳化情况，即进行自然碳化试验外，还可以在实验室内采用人工快速碳化的方法来研究，使之能在较短的时间内得到所需要的结果。

国内外采用的混凝土快速碳化的试验方法很多，至今尚没有一个统一的国际标准。在我国，近10多年

来，对混个凝土快速碳化的研究较多，以前较多利用高压或高浓度的试验方法，即将混凝土试件放在充满

一定浓度的CO

2的高压容器内，或CO

2

浓度为50%的

常压容器内进行快速碳化。因为高压或高浓度的快速

试验方法不能正确反映在大气中混凝土自然碳化的规律。所以，20世纪70年代以来，很多国家的学者都倾向于采用常压、低浓度的快速试验方法，即在正常的气压条件下，采用CO

2

的体积浓度为10%左右的方法来模拟混凝土的碳化。按我国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ83－85）的规

定，混凝土快速试验方法所采用的CO

2

的浓度为20ʃ3%。

坏境介质的相对湿度直接影响混凝土的润湿状态和抗碳化性能。在大气非常潮湿时，其相对湿度大于80%或100%的情况，混凝土毛细管处相对的平衡含水率或饱和度，使其气体渗透性大大降低，是混凝土碳化速度大大降低或甚至停止；在相对湿度为0 45%的条件下，混凝土处于干燥或含水率非常低的状

态，空气中的CO

2

无法溶解与毛细管水或是溶解量非常有限，使之不能与碱性溶液发生反应，因而混凝土碳化也无法进行；试验证明，当周围介质的相对湿度为50% 75%时，混凝土碳化速度最快。所以，在我国GBJ83－85标准中，规定混凝土快速碳化时介质的相对湿度控制在70ʃ5%。因此，试验前试件必需经过干燥处理，使其含水的润湿状态与环境介质的相对湿度相适应。

环境温度对混凝土的碳化速度的影响也是很大的，和一般的化学反应一样，其碳化的速度与温度的几次方成正比。但对混凝土碳化来说，情况却比一般的化

学反应复杂得多。这主要是因为CO

2和Ca（OH）

2

在

水中的溶解度是与介质温度成正比的。所以说，随着温度的提高，碳化速度加快，主要是用CO

2

在空气中的扩散系数随温度的提高而增加来解释。但从目前国内外的资料看来，温度对混凝土碳化速度的影响研究较少，尚给不出具体量的概念。根据苏联C.H.阿列克西耶夫的资料说明，当空气相对湿度为75%、温度从22ħ提高到44ħ时，碳化大大加速，若温度再提高，则整个碳化过程将至为剧烈。温度与压力周期性的变化，也将加速混凝土的碳化。所以，与国外的有关标准一样，我国国家标准规定，混凝土快速碳化应在20ʃ3ħ条件下进行。

CO

2

浓度对混凝土碳化深度的影响这早就被国内外有关资料所肯定的。一般认为［6］，混凝土的碳化深

度（D）与CO

2浓度（C）的平方根成正比，即：

D

1

D

2

=

C

1

t

槡1

C

2

t

槡2

式中D为混凝土的碳化深度；C为CO

2

的浓度；t为

碳化时间。

为了便于比较和计算，我国国家标准规定，混凝

土快速碳化试验时CO

2

的体积浓度为20ʃ3ħ。这样，

可以较方便地得知，在正常大气条件下混凝土存放龄

期为50a的自然碳化深度，相当于按国家标准方法快

速碳化28d的碳化深度。

2试验用原材料

采用广东省梅州市塔牌集团有限公司生产的P.II

型硅酸盐水泥（转窑），强度等级为42.5R，物理力学

性能见表1，化学成份见表2；石英质河砂，物理性能

见表3；5 20mm和20 40mm2种规格花岗石碎石，

物理性能见表4；减水剂为TL－400高效缓凝减水剂；

黄埔电厂Ⅱ级粉煤灰，物理性能见表5；韶钢嘉羊公

司生产的S95级矿渣粉，物理性能见表6。

表1水泥物理性能检验结果

水泥

品种

细度

/%

凝结时间抗折强度/MPa抗压强度/MPa

初凝终凝3d28d3d28d

普通

水泥

3.92h51min4h01min

4.98.423.646.0

表2水泥化学成份检验结果

检验结果/%

Loss SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3K2O Na2O

/20.207.86 5.5155.23 2.71 2.540.700.28

表3砂的检验结果

表观密度

/（kg·m－3）

松散堆积密度

/（kg·m－3）

细度

模数

吸水率

/%

含泥量

/%

云母含量

/%

26201400 2.8 1.4 1.00

表4灰岩碎石检验结果

规格

/mm

表观

密度

/（kg·

m－3）

饱和面

干表观

密度

/（kg·m－3）

堆积

密度

/（kg·

m－3）

吸水率

/%

含泥量

/%

压碎指

标/%

针片状

含量

/%

20 402650263013500.380

9.9

3.2

5 202650262013600.460 6.5

表5粉煤灰检验结果

细度（0.045mm

筛余）/%

需水量比

/%

烧失量

/%

三氧化硫

/%

含水率

/%

17.0103 6.510.450.3

表6矿渣粉的物理指标

烧失

量

/%

三氧

化硫

/%

氯离

子

/%

含水

量

/%

45um

筛余

/%

密度

/（kg·

m－3）

比表面

积/（m2

·kg－1）

活性系数/%

7d28d

流动

度比

/%

1.60.030.0100.4 1.3290048380106109

2012年6月第6期陈锡容，等：矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验研究No.6Jun．2012