【正文】 F210F315H1硅灰5H210H315K1礦渣微粉5K210K315G1磨細鋼渣粉5G210G315 試驗結(jié)果及分析(1) 摻合料品種和摻量對混凝土碳化的影響， 的基準混凝土A2，在標準養(yǎng)護室分別養(yǎng)護28天和56天后，碳化至規(guī)定時間3d、7d、14d、28d，測定碳化深度；然后將表 31 中各組混凝土在標準養(yǎng)護條件下分別養(yǎng)護28天和56天后，碳化至規(guī)定時間3d、7d、14d、28d，測定碳化深度，并與基準混凝土進行對比研究，具體結(jié)果見表 32。本次試驗共制作了如表31 所示的12組實驗。如果測點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。去濕用的硅膠應經(jīng)常更換。一般在第一、二天每隔兩小時測定一次，以后隔4小時測定一次。5℃的溫度下進行。5%的范圍內(nèi)。3%。密封可采用機械辦法或油封，但不得采用水封以免影響箱內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)。混凝土碳化試驗應按下列步驟進行[25]：(1) 將經(jīng)過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，除留下相對的兩個側(cè)面外，其余表面用加熱的石臘予以密封。試件一般應標準養(yǎng)護至28 天進行碳化，采用摻合料的混凝土可根據(jù)其特性決定碳化前的養(yǎng)護齡期。本文以碳化深度為其評價指標。表21 基準混凝土設計配合比試驗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% 試驗方法目前，評價混凝土抗碳化能力大小的指標主要有兩個：碳化深度及抗碳化系數(shù)。本試驗以抗壓強度C40作為設計值，通過全計算方法進行混凝土配合比設計。同時，以全計算方法為基礎(chǔ)的“現(xiàn)代混凝土配合比全計算法軟件”的開發(fā)，使得混凝土配合比設計走向了數(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，不僅可以延長建筑物的使用壽命，提高經(jīng)濟效益；同時也是節(jié)約資源保護環(huán)境的有力舉措。同時，要在滿足材料性能要求的前提下，節(jié)約水泥，降低成本。 基準混凝土配合比設計混凝土配合比設計的任務，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)濟指標的各項組成材料的用量。而CO2的擴散速度主要受混凝土的密實度、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方面。由于空氣中的CO2濃度較低，實際碳化速度很慢，碳化收縮本身引起混凝土收縮開裂的可能性不大，通常在一年以后才會使混凝土表面產(chǎn)生很細微的裂縫。碳化對混凝土產(chǎn)生的負面影響還會使混凝土產(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)；一般認為在相對濕度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) 碳化對混凝土的影響混凝土發(fā)生碳化最直接的影響就是導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反應如下：CO2+H2O→H2CO3Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2O3CaO～，即所謂“已碳化”。大氣中的CO2通過孔隙向混凝土內(nèi)部擴散，并溶解于孔隙內(nèi)的液相，在孔隙溶液中與水泥水化過程中此時的可碳化物質(zhì)發(fā)生碳化反應，生成CaCO3。A12O3SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO(1) 混凝土碳化機理硅酸鹽水泥熟料的主要礦物成分是硅酸三鈣(3CaO碳化初期對混凝土的性能也有有利的影響，表層混凝土碳化時生成的碳酸鈣，可填充水泥石的孔隙，提高密實度，對防止有害介質(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)正交試驗結(jié)果，采用對比試驗方法，測定主要因素作用下的復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，混凝土各項耐久性指標的改善程度。在程宇科的研究基礎(chǔ)上，本文對摻復合型摻合料的高性能混凝土進行系統(tǒng)性的碳化研究，研究成果將對維護混凝土保護層性能，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的理論和實際意義。 研究的目的與意義國內(nèi)外關(guān)于高性能混凝土的成果很多，但是針對抗碳化性能的系統(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)境下才會發(fā)生，大氣中的CO2和水造成碳化每時每刻都在發(fā)生，并且嚴重影響著混凝土的耐久性，不少學者針對單摻粉煤灰、硅灰、礦渣微粉、磨細鋼渣粉的混凝土碳化性能開展了很多研究，結(jié)果表明單摻這些摻合料會明顯的降低混凝土的碳化性能，但對于摻加復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[20]研究了磨細鋼渣粉、粉煤灰和硅灰配制復合型摻合料，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度及耐久性，結(jié)果表明，采用復合方法能夠獲得良好的效果。趙蘇政[19]研究了摻磨細鋼渣粉、礦渣微粉、粉煤灰的復合型摻合料混凝土的耐久性。李懿[18]研究了摻磨細鋼渣粉、礦渣微粉和粉煤灰的復合型摻合料水泥膠砂的力學性能，得到最佳三摻摻合料比例，用于配制復合型摻合料混凝土，研究其抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、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合型高活性摻合料，研究表明鋰鹽渣與粉煤灰復合后的活性要高于單摻粉煤灰，得出在該復合摻合料中鋰鹽渣存在最佳摻量；大摻量復合摻合料混凝土強度試驗中，該復合摻合料活性對后期強度的提高很重要，尤其是28 天和60天強度增長較大，但180天比60天增長幅度小。這種摻合料中各組分有機的配制在一起，省去了在實際工程中進行雙摻配制的不便和困難，可以直接將這種復合礦物摻合料作為一種材料直接代替部分水泥，便于實際工程應用，并能夠使混凝土的耐久性和強度更好。雷進生、李奎明、劉章軍[14]在C30高性能混凝土強度試驗研究中采用一種復合礦物摻合料等量替代水泥。它們在高效減水劑、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，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)。有些磨細礦物摻合料，如粉煤灰顆粒是煤粉在高溫燃燒過程中形成的，絕大多數(shù)為玻璃微珠，這些玻璃體光滑、致密、粒細，比表面積小又有級配，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 微晶核效應磨細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的作用，加速水泥水化反應的進程并為水化產(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性能。同時還能降低標準稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動度，因此改善和易性。其值取決于超細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)級配的顆粒堆積體系，粗集料的間隙由細集料填充，細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的顆粒來填充。程宇科[11]的試驗結(jié)果表明：經(jīng)56d碳化后，混凝土的碳化深度比標準養(yǎng)護28d的碳化深度減小了15%左右。實際調(diào)查結(jié)果表明：其他條件一樣的情況下，施工質(zhì)量越好，混凝土強度越高，密實性越好，抗碳化能力也越強；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。但是當壓力超過一定的限值時，會引起混凝土內(nèi)部新的裂紋的發(fā)展，從而加速碳化。混凝土受到拉應力，混凝土內(nèi)部的微細裂縫擴展，使二氧化碳容易擴散，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在空氣中的擴散逐漸增大，在混凝土中的擴散速度和碳化反應速率也加快，因而碳化速度加快。李果[8]的研究結(jié)果表明：當環(huán)境相對濕度超過臨界環(huán)境相對濕度RH0時，混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度隨著環(huán)境相對濕度、環(huán)境溫度的升高而增大；當環(huán)境相對濕度低于RH0時，混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度很低，環(huán)境溫度的變化對其不產(chǎn)生明顯影響。試驗結(jié)果表明，相對濕度在50%～70%之間時，混凝土碳化速度最快。（1）相對濕度的影響相對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。一般來說普通混凝土的抗碳化性能最好。所以骨料的品種及顆粒級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，降低密實度。文獻研究發(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的趨勢比較大。引氣劑為混凝土引入大量的微細氣泡，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散的通道，因而會促進碳化的發(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度低，二次水化填充效應未充分發(fā)揮，孔結(jié)構(gòu)差，加速了二氧化碳擴散速度，使碳化速度加快。文獻[6]認為：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。在同一試驗條件下，不同水泥配制的混凝土的碳化速度大小順序為：硅酸鹽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，密實度降低，滲透性增大，碳化速度增大。在混凝土拌和過程中，水占據(jù)一定的空間，即使振搗比較密實，隨著混凝土的凝固，水占據(jù)的空間也會變成微孔或毛細管等。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，從而促進了二氧化碳的擴散，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、骨料品種與級配、混凝土表面覆蓋層等，它們主要通過影響混凝土的堿度和密實性來影響混凝土碳化速度。從混凝土碳化的機理可知，影響碳化的最主要因素，是混凝土本身的密實性和堿性儲備的大小，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，各國工程界相繼都把碳化作為混凝土耐久性的一個主要方面納入了設計規(guī)范，國際混凝土學術(shù)界已舉辦過多次有關(guān)混凝土碳化的學術(shù)討論會，國際水泥化學會議也報導了混凝土碳化研究的進展，并且每次都有相當數(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算模型。首先，在混凝土碳化機理方面已經(jīng)取得了比較統(tǒng)一完整的認識。研究高性能混凝土的碳化機理，提高高性能混凝土的抗碳化性能，對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)境下的應用局有戰(zhàn)略意義，也符合我國可持續(xù)發(fā)展要求。進行加速碳化試驗時，一方面應盡量減少自然條件下所沒有的碳化相，使試驗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)的準確性并縮短碳化所需要的時間[3]。其中，自然碳化法過程緩慢且耗時長；加速碳化法對于CO2濃度的設定，我國國家標準與歐洲目前流行的方法有較大差別。這些研究，對認識碳化的機理、延緩碳化的發(fā)展、評估碳化的危害以及對碳化結(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時，其性能就會明顯不同。根據(jù)國內(nèi)外高性能混凝土的研究與應用的資料可知，目前配制高性能混凝土時，一般只摻加一種（單摻）或兩種礦物摻合料（雙摻），對于摻加兩種以上的復合型礦物摻合料應用還相對較少。通過大幅度提高混凝土耐久性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，使材料和工程充分發(fā)揮其功能。(3) 采用先進生產(chǎn)工藝，對大量建筑垃圾進行資源化處理，使之成為可利用的再生混凝土骨料，減少對天然砂石的開采。高性能混凝土一般應具有以下特征[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)過程中的COSO2及NO等氣體的排放量，降低對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)量的礦物細摻料和高效外加劑。高性能混凝土（High performance concrete,簡稱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。在未來的幾十年里，海底隧道、海上采油平臺、污水管道、核反應堆外殼、有害化學物的容器等惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)物，對混凝土要求的使用壽命不再是普通混凝土的50年左右，而是將要達到上百年至幾百年。眾多工程實例證明，有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生過早破壞，其原因不是由于強度不足，而主要是混凝土的耐久性不夠[1]。這其中有的是由于結(jié)構(gòu)設計的抗力不足導致的，有的則是由于使用荷載的不利變化而造成的，但更多的是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成的失效。1900年，萬國博覽會上展示了鋼筋混凝土在很多方面的使