【正文】 米混凝土的材料用量(Kg)實(shí)驗(yàn)號(hào)水泥摻合料品種取代量(%)摻合料用量水砂石子減水劑F1粉煤灰5F210F315H1硅灰5H210H315K1礦渣微粉5K210K315G1磨細(xì)鋼渣粉5G210G315 試驗(yàn)結(jié)果及分析(1) 摻合料品種和摻量對(duì)混凝土碳化的影響， 的基準(zhǔn)混凝土A2，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)28天和56天后，碳化至規(guī)定時(shí)間3d、7d、14d、28d，測(cè)定碳化深度；然后將表 31 中各組混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)28天和56天后，碳化至規(guī)定時(shí)間3d、7d、14d、28d，測(cè)定碳化深度，并與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)比研究，具體結(jié)果見(jiàn)表 32。本次試驗(yàn)共制作了如表31 所示的12組實(shí)驗(yàn)。如果測(cè)點(diǎn)處的碳化分界線上剛好嵌有粗骨料顆粒，則可取該顆粒兩側(cè)處碳化深度的平均值作為該點(diǎn)的深度值。(5) 將切除所得的試件部分刮去斷面上殘存的粉末，隨即噴上(或滴上)濃度為1%的酚酞酒精溶液(含20%的蒸餾水)。采用立方體試件,則在試件中部劈開(kāi)。去濕用的硅膠應(yīng)經(jīng)常更換。一般在第一、二天每隔兩小時(shí)測(cè)定一次，以后隔4小時(shí)測(cè)定一次。5℃的溫度下進(jìn)行。5%的范圍內(nèi)。3%。密封可采用機(jī)械辦法或油封，但不得采用水封以免影響箱內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)?；炷撂蓟囼?yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行[25]：(1) 將經(jīng)過(guò)處理的試件放入碳化箱內(nèi)的鐵架上，各試件經(jīng)受碳化的表面之間的間距至少 50 毫米。經(jīng)烘干處理后的試件，除留下相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面外，其余表面用加熱的石臘予以密封。試件一般應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 天進(jìn)行碳化，采用摻合料的混凝土可根據(jù)其特性決定碳化前的養(yǎng)護(hù)齡期。本文以碳化深度為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。表21 基準(zhǔn)混凝土設(shè)計(jì)配合比試驗(yàn)材料每立方米混凝土的用量(Kg)膠凝材料水沙子石子減水劑% 試驗(yàn)方法目前，評(píng)價(jià)混凝土抗碳化能力大小的指標(biāo)主要有兩個(gè)：碳化深度及抗碳化系數(shù)。本試驗(yàn)以抗壓強(qiáng)度C40作為設(shè)計(jì)值，通過(guò)全計(jì)算方法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。同時(shí)，以全計(jì)算方法為基礎(chǔ)的“現(xiàn)代混凝土配合比全計(jì)算法軟件”的開(kāi)發(fā)，使得混凝土配合比設(shè)計(jì)走向了數(shù)字化道路的發(fā)展方向。因此，提高高性能混凝土的耐久性，不僅可以延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)也是節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境的有力舉措。同時(shí)，要在滿足材料性能要求的前提下，節(jié)約水泥，降低成本。 基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)混凝土配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是根據(jù)原材料的技術(shù)性能及施工條件，合理選擇原材料，并確定出能滿足工程需要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的各項(xiàng)組成材料的用量。而CO2的擴(kuò)散速度主要受混凝土的密實(shí)度、環(huán)境中CO2的濃度、環(huán)境溫濕度等條件的影響，這些影響因素可以歸納為內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面。由于空氣中的CO2濃度較低，實(shí)際碳化速度很慢，碳化收縮本身引起混凝土收縮開(kāi)裂的可能性不大，通常在一年以后才會(huì)使混凝土表面產(chǎn)生很細(xì)微的裂縫。碳化對(duì)混凝土產(chǎn)生的負(fù)面影響還會(huì)使混凝土產(chǎn)生不可逆收縮，相關(guān)研究表明[24]碳化引起的收縮值與環(huán)境濕度密切相關(guān)；一般認(rèn)為在相對(duì)濕度50％的環(huán)境中，碳化收縮最大。3H2O+3 H2CO3→3CaCO3+2 SiO2+6H2OCaCO3+ CO2+H2O→Ca(HCO3)2(2) 碳化對(duì)混凝土的影響混凝土發(fā)生碳化最直接的影響就是導(dǎo)致混凝土堿度的降低，Taylor[22]，低于鋼筋表面鈍化膜穩(wěn)定存在的pH=。混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)如下：CO2+H2O→H2CO3Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2O3CaO～，即所謂“已碳化”。大氣中的CO2通過(guò)孔隙向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，并溶解于孔隙內(nèi)的液相，在孔隙溶液中與水泥水化過(guò)程中此時(shí)的可碳化物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，生成CaCO3。A12O3SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO(1) 混凝土碳化機(jī)理硅酸鹽水泥熟料的主要礦物成分是硅酸三鈣(3CaO碳化初期對(duì)混凝土的性能也有有利的影響，表層混凝土碳化時(shí)生成的碳酸鈣，可填充水泥石的孔隙，提高密實(shí)度，對(duì)防止有害介質(zhì)的侵入具有一定的緩沖作用。通常情況下，早期混凝土具有很高的堿性，其pH值一般大于12，這樣就在鋼筋表面形成一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕。(2) 依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，采用對(duì)比試驗(yàn)方法，測(cè)定主要因素作用下的復(fù)合型摻合料混凝土的抗碳化性能，并與單摻、雙摻、三摻摻合料的混凝土作對(duì)比，分析比較隨著摻合料品種的增加和摻合料比例的調(diào)整，混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)的改善程度。在程宇科的研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)摻復(fù)合型摻合料的高性能混凝土進(jìn)行系統(tǒng)性的碳化研究，研究成果將對(duì)維護(hù)混凝土保護(hù)層性能，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的理論和實(shí)際意義。 研究的目的與意義國(guó)內(nèi)外關(guān)于高性能混凝土的成果很多，但是針對(duì)抗碳化性能的系統(tǒng)性研究成果比較少；另外，碳化不像凍融和鹽溶液侵蝕，只在特定的環(huán)境下才會(huì)發(fā)生，大氣中的CO2和水造成碳化每時(shí)每刻都在發(fā)生，并且嚴(yán)重影響著混凝土的耐久性，不少學(xué)者針對(duì)單摻粉煤灰、硅灰、礦渣微粉、磨細(xì)鋼渣粉的混凝土碳化性能開(kāi)展了很多研究，結(jié)果表明單摻這些摻合料會(huì)明顯的降低混凝土的碳化性能，但對(duì)于摻加復(fù)合型摻合料的高性能混凝土抗碳化性能的研究還不夠深入。胡亞風(fēng)[20]研究了磨細(xì)鋼渣粉、粉煤灰和硅灰配制復(fù)合型摻合料，研究了單摻、雙摻和三摻在不同取代水泥量和水膠比下的水泥膠砂抗折抗壓強(qiáng)度及耐久性，結(jié)果表明，采用復(fù)合方法能夠獲得良好的效果。趙蘇政[19]研究了摻磨細(xì)鋼渣粉、礦渣微粉、粉煤灰的復(fù)合型摻合料混凝土的耐久性。李懿[18]研究了摻磨細(xì)鋼渣粉、礦渣微粉和粉煤灰的復(fù)合型摻合料水泥膠砂的力學(xué)性能，得到最佳三摻摻合料比例，用于配制復(fù)合型摻合料混凝土，研究其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量及干燥收縮隨齡期的發(fā)展規(guī)律。夏春[16]采用鋰鹽渣與粉煤灰研制出復(fù)合型高活性摻合料，研究表明鋰鹽渣與粉煤灰復(fù)合后的活性要高于單摻粉煤灰，得出在該復(fù)合摻合料中鋰鹽渣存在最佳摻量；大摻量復(fù)合摻合料混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)中，該復(fù)合摻合料活性對(duì)后期強(qiáng)度的提高很重要，尤其是28 天和60天強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，但180天比60天增長(zhǎng)幅度小。這種摻合料中各組分有機(jī)的配制在一起，省去了在實(shí)際工程中進(jìn)行雙摻配制的不便和困難，可以直接將這種復(fù)合礦物摻合料作為一種材料直接代替部分水泥，便于實(shí)際工程應(yīng)用，并能夠使混凝土的耐久性和強(qiáng)度更好。雷進(jìn)生、李奎明、劉章軍[14]在C30高性能混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究中采用一種復(fù)合礦物摻合料等量替代水泥。它們?cè)诟咝p水劑、激發(fā)劑的作用下，將水泥熟料析出的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成低鈣硅比的CSH凝膠與CAH,成為第二膠凝材料，填充水泥石空隙，阻止Ca(OH)2晶體的生長(zhǎng)，改善了水泥石與粗骨料界面的結(jié)合條件，使水泥石更為致密，晶粒細(xì)化。王健,王永逵[13]摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和硅灰為基料的輔料,研究表明：粉煤灰和硅灰可以發(fā)揮微集料的填充作用，改善水泥的漿體結(jié)構(gòu)。有些磨細(xì)礦物摻合料，如粉煤灰顆粒是煤粉在高溫燃燒過(guò)程中形成的，絕大多數(shù)為玻璃微珠，這些玻璃體光滑、致密、粒細(xì)，比表面積小又有級(jí)配，能減少顆粒間的內(nèi)摩阻力，從而減少混凝土的用水量，起到減水作用。2 微晶核效應(yīng)磨細(xì)礦物摻合料的膠凝性雖然與硅酸鹽水泥相比較弱，但它為水泥水化體系起到了微晶核效應(yīng)的作用，加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程并為水化產(chǎn)物提供充裕的空間，改善了水泥水化產(chǎn)物分布的均勻性，使水泥石結(jié)構(gòu)比較致密，從而使混凝土具有較好的力學(xué)性能。同時(shí)還能降低標(biāo)準(zhǔn)稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動(dòng)度，因此改善和易性。其值取決于超細(xì)礦物摻合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大?；炷量梢暈檫B續(xù)級(jí)配的顆粒堆積體系，粗集料的間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料的間隙由水泥顆粒填充，而水泥顆粒之間的間隙則需要更細(xì)的顆粒來(lái)填充。程宇科[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)56d碳化后，混凝土的碳化深度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的碳化深度減小了15%左右。實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明：其他條件一樣的情況下，施工質(zhì)量越好，混凝土強(qiáng)度越高，密實(shí)性越好，抗碳化能力也越強(qiáng)；施工質(zhì)量差，由于混凝土內(nèi)部裂縫、蜂窩和孔洞等因素增加了二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散路徑，使得碳化速度加快。隨著空氣污染的日益加劇,大氣中CO2濃度的逐漸升高, 混凝土碳化理論模型中碳化速度系數(shù)也隨時(shí)間的變化而逐漸增大。（4）二氧化碳濃度的影響環(huán)境中二氧化碳的濃度越大，混凝土內(nèi)外的二氧化碳的濃度梯度就越大。但是當(dāng)壓力超過(guò)一定的限值時(shí)，會(huì)引起混凝土內(nèi)部新的裂紋的發(fā)展，從而加速碳化?；炷潦艿嚼瓚?yīng)力，混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫擴(kuò)展，使二氧化碳容易擴(kuò)散，碳化速度加快。（2）溫度的影響溫度的影響比濕度略大，隨著溫度的升高，CO2在空氣中的擴(kuò)散逐漸增大，在混凝土中的擴(kuò)散速度和碳化反應(yīng)速率也加快，因而碳化速度加快。李果[8]的研究結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度超過(guò)臨界環(huán)境相對(duì)濕度RH0時(shí)，混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度隨著環(huán)境相對(duì)濕度、環(huán)境溫度的升高而增大；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度低于RH0時(shí)，混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度很低，環(huán)境溫度的變化對(duì)其不產(chǎn)生明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)濕度在50%～70%之間時(shí)，混凝土碳化速度最快。（1）相對(duì)濕度的影響相對(duì)濕度大小的變化決定著混凝土孔隙水飽和度的大小。目前，防碳化處理多采用涂料封閉法，主要使用環(huán)氧厚涂料，呋喃改性環(huán)氧涂料、丙烯酸涂料等，對(duì)延遲混凝土的碳化是很有效的。氣密性覆蓋層使二氧化碳滲入混凝土的數(shù)量減少，濃度降低，可提高混凝土的抗碳化性能。一般來(lái)說(shuō)普通混凝土的抗碳化性能最好。所以骨料的品種及顆粒級(jí)配能影響混凝土的碳化速度。粗骨料粒越大，越容易造成離析、泌水，影響穩(wěn)定性，增加了透氣性，降低密實(shí)度。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)：雙摻高效減水劑和引氣劑的混凝土初期抗碳化能力有所提高，但后期碳化深度增長(zhǎng)的趨勢(shì)比較大。引氣劑為混凝土引入大量的微細(xì)氣泡，初期可以在一定程度上抑制混凝土的碳化，但隨著碳化的延續(xù)，引氣劑在混凝土內(nèi)部留下的孔隙成為二氧化碳擴(kuò)散的通道，因而會(huì)促進(jìn)碳化的發(fā)展。高效減水劑能夠降低用水量，改善混凝土的和易性，從而降低混凝土的孔隙率，故可提高混凝土的抗碳化能力。粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低，二次水化填充效應(yīng)未充分發(fā)揮，孔結(jié)構(gòu)差，加速了二氧化碳擴(kuò)散速度，使碳化速度加快。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為：粉煤灰混凝土的早期抗碳化能力低于不摻粉煤灰的混凝土，但是后期的抗碳化能力有所提高?；炷林袚饺氲姆勖夯摇⒌V渣等活性摻合料，與水泥水化后的Ca(OH)2結(jié)合，混凝土堿性降低，使混凝土抗碳化能力減弱。一般情況下，水泥用量越大，碳化速度越慢[5]。水泥用量也直接影響到混凝土中可碳化物質(zhì)的含量。在同一試驗(yàn)條件下，不同水泥配制的混凝土的碳化速度大小順序?yàn)椋汗杷猁}水泥普通硅酸鹽水泥其他品種的水泥。在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密實(shí)度降低，滲透性增大，碳化速度增大。在混凝土拌和過(guò)程中，水占據(jù)一定的空間，即使振搗比較密實(shí)，隨著混凝土的凝固，水占據(jù)的空間也會(huì)變成微孔或毛細(xì)管等。水泥用量不變的情況下，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大，從而促進(jìn)了二氧化碳的擴(kuò)散，加速了混凝土的碳化。材料因素包括水灰比、水泥品種、摻合料品種和摻量、外加劑類型、骨料品種與級(jí)配、混凝土表面覆蓋層等，它們主要通過(guò)影響混凝土的堿度和密實(shí)性來(lái)影響混凝土碳化速度。從混凝土碳化的機(jī)理可知，影響碳化的最主要因素，是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca(OH)2等堿性物質(zhì)的含量?；谶@些研究成果，各國(guó)工程界相繼都把碳化作為混凝土耐久性的一個(gè)主要方面納入了設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)際混凝土學(xué)術(shù)界已舉辦過(guò)多次有關(guān)混凝土碳化的學(xué)術(shù)討論會(huì)，國(guó)際水泥化學(xué)會(huì)議也報(bào)導(dǎo)了混凝土碳化研究的進(jìn)展，并且每次都有相當(dāng)數(shù)量關(guān)于混凝土碳化的論文發(fā)表，并從不同角度提出了碳化深度的計(jì)算模型。首先，在混凝土碳化機(jī)理方面已經(jīng)取得了比較統(tǒng)一完整的認(rèn)識(shí)。研究高性能混凝土的碳化機(jī)理，提高高性能混凝土的抗碳化性能，對(duì)提高高性能混凝土的耐久性，推廣高性能混凝土在各種環(huán)境下的應(yīng)用局有戰(zhàn)略意義，也符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展要求。進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)時(shí)，一方面應(yīng)盡量減少自然條件下所沒(méi)有的碳化相，使試驗(yàn)盡可能正確地反映混凝土自然碳化的規(guī)律；另一方面還要盡可能增大碳化深度，從而確保讀數(shù)的準(zhǔn)確性并縮短碳化所需要的時(shí)間[3]。其中，自然碳化法過(guò)程緩慢且耗時(shí)長(zhǎng)；加速碳化法對(duì)于CO2濃度的設(shè)定，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與歐洲目前流行的方法有較大差別。這些研究，對(duì)認(rèn)識(shí)碳化的機(jī)理、延緩碳化的發(fā)展、評(píng)估碳化的危害以及對(duì)碳化結(jié)構(gòu)的維修等方面都具有積極意義。由于各種摻和料的細(xì)度和特性有明顯差別，所以采用不同品種、不同摻量的摻合料配制高性能混凝土?xí)r，其性能就會(huì)明顯不同。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高性能混凝土的研究與應(yīng)用的資料可知，目前配制高性能混凝土?xí)r，一般只摻加一種（單摻）或兩種礦物摻合料（雙摻），對(duì)于摻加兩種以上的復(fù)合型礦物摻合料應(yīng)用還相對(duì)較少。通過(guò)大幅度提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，使材料和工程充分發(fā)揮其功能。(3) 采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝，對(duì)大量建筑垃圾進(jìn)行資源化處理，使之成為可利用的再生混凝土骨料，減少對(duì)天然砂石的開(kāi)采。高性能混凝土一般應(yīng)具有以下特征[2]：(1) 盡可能多地使用綠色水泥，最大限度地減少水泥熟料用量，代之以工業(yè)廢渣為主的礦物外加劑，從而減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中的COSO2及NO等氣體的排放量，降低對(duì)天然資源與能源的消耗。為此，高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，且必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。高性能混凝土（High performance concrete,簡(jiǎn)稱HPC）是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。在未來(lái)的幾十年里，海底隧道、海上采油平臺(tái)、污水管道、核反應(yīng)堆外殼、有害化學(xué)物的容器等惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)物，對(duì)混凝土要求的使用壽命不再是普通混凝土的50年左右，而是將要達(dá)到上百年至幾百年。眾多工程實(shí)例證明，有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)早破壞，其原因不