（材料学专业论文）高性能混凝土碳化特性及相关性能的研究.pdf

摘要 混凝土对钢筋的保护作用是提供了避免钢筋产生锈蚀的碱性环境，而碳化是 使混凝土碱性降低的重要因素之一。高性能混凝土以其高流动性、高强度和良好 的耐久性( 抗碳化性能) 在实际工程中日益得到广泛应用。本文试验采用的高性 能混凝土是由低水胶比、优质粉煤灰、高效减水剂和引气剂等复合而得到的，结 合南水北调中线工程对其抗碳化特性及相关性能进行系统的分析，研究结果可以 作为进一步推广高性能混凝土应用的参考。 首先，针对环境因素( 如c 0 2 浓度、相对湿度等) 对高性能混凝土抗碳化 性能的影响程度进行定性和定量分析，并从微观和理论两个方面分析其中的机 理。 接着，通过碳化对比试验和微观分析，说明粉煤灰、高效减水剂和引气剂对 高性能混凝土抗碳化能力的改善作用，进而显示出高性能混凝土在抗碳化性能方 面比普通混凝士优势显著。 然后，通过强度试验，说明高性能混凝土碳化对其抗压强度发展造成的影响， 并对高性能混凝土中水泥石孔结构进行分析，以此来探讨其原因。 最后，本文针对高性能混凝土碳化与钢筋锈蚀程度之间的相关性进行了研 究，并通过试验比较了高性能混凝土和普通混凝土的护筋性能。 关键词；高性能混凝土，碳化，影响因素，强度发展，钢筋锈蚀 a b s t r a c t c o n c r e t ep r o t e c t st h es t e e l a g a i n s tc o r r o s i o n f o ri t p r o v i d e s t h e a l k a l i n ec o n d i t i o d c a r b o n iz a t i o ni sak e yf a c t o rt h a tm a k e sa l k a l i n i t y o fc o n c r e t er e d u c e 1 h e h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t ejs a p p l l e d i n e n g i n e e r i n gf i e l di n c r e a s i n g l yf o ri t sh i g hf l u i d n e s s 、h i g hi n t e n s it y a n d g o o dd u r a b i l i t y ( c a r b o n i z a t i o ne a p a b i l i t y ) t h eh i g hp e r f o r m a n e e c o n c r e t ei ss y n t h e s i z e db yl o ww a t e r c e m e n tr a t i o 、h i g h q u a l i t yf 1ya s h 、 s u p e r p l a s t i c i z e da d m i x t u r ea n da i re n t r a i n i n gi nt h i sp a p e r t h ep a p e r b a s e do nt h ew a t e rp r o j e c t ( t h et r a n s p o r t a t i o no fw a t e rf r o mt h es o u t h t ot h en o r t h ) a n a l y z e st h ec a r b o n i z a t i o n i d i o s y n c r a s ya n dc o r r e l a t i v e c a p a b i l i t ys y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l tc a nb ear e f e r e n c et og e n e r a l i z e t h ea p p li c a t i o n r a n g eo ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n ds t r e n g t h e nt h e r e s e a r c ho ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n tf a c t o r s ( s u c h a st h ec o n c e n t r a t i o no fc 0 2 、r e l a t i v eh u m i d i t ye t c ) o nt h ec a r b o n iz a t i o n p r o p e r t i e so fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n dt h er e a s o n so ft h ei n f l u e n c e b y t h ew a yo fm i c r o c o s m i ca n a l y s e sa n dt h e o r i e s s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo f f l y a s h 、 s u p e r p l a s t i c i z e da d m i x t u r ea n da i re n t r a i n i n g o n t h ec a r b o n i z a t i o n c a p a b i l i t y o ft h ec o n c r e t e b y t h e w a y o fc a r b o n i z a t i o nt e s ta n d m ic r o c o s m ic a n a l y s e s i t s s h o wt h e a d v a n t a g e o fhig h p e r f o r m a n c e c o n c r e t ei nc a r b o n i z a t i o np r o p e r t i e sr e l a t i v et oc o m m o nc o n c r e t e t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fe a r b o n i z a t i o no nt h e d e v e l o p m e n to fi n t e n s i t yo fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t eb yt h ew a yo f i n t e n s i t yt e s t a n di ta n a l y z e st h ep o r es t r u c t u r eo ft h em o r t a ri nt h e c o n c r e t et of i n dt h er e a s o n f i n a lu t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h es t u d yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a r b o n i z a t i o na n ds t e e lb a rc o r r o s i o n a n d i tm a k e sac o m p a r i s o n b e t w e e nh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ea n dc o i e q o b c o n c r e t er e g a r d i n gt h e c a p a b i l i t y o fp r o t e c t i n gs t e e l k e yw o r d s ：h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，c a r b o n i z a t i o n ，a f f e c t i n gf a c t o r s d e v e l o p m e n to fi n t e n s i t y ，s t e e lb a r c o r r o s i o n 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 混凝土是现代土木建筑工程中不可缺少、用量最大、用途最广的一种建筑材 料。在混凝土工艺发展的历程当中，具有标志性的事件是1 9 1 9 年建立了水灰比 定律和1 9 3 8 年发明了引气剂。如今高性能混凝土( h p c ) 的出现标志着混凝土 工艺正跨入一个新的革命阶段。 自1 9 9 0 年美国首先提出“高性能混凝土”这一名词以来，由于认识和实践 的不同，各国对h p c 的定义、目的和主要要求等尚未能统一。美国混凝土学会 ( a c i ) 于1 9 9 8 年对高性能混凝土正式提出了定义“高性能混凝土是符合特殊 性能组合和均质性要求的混凝土，如果采用传统的原材料组分和一般的拌合、浇 注与养护方法，未必总能大量地生产出这种混凝土”：我国著名混凝土学家吴中 伟教授则认为“高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混 凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主 要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、 适用性、强度、体积稳定性和经济性”；中国土木工程学会高强与高性能混凝土 委员会于2 0 0 0 年5 月召开的苏卅i 会议提出：可以将高性能混凝土定义为以耐久 性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产施工的混凝土【1 l 。 仔细研究以上每种定义就可以发现，它们有一个共同的特点都认同高性 能混凝土是以耐久性作为基本要求的混凝土。而所谓混凝土的耐久性，就是指在 使用过程中，在内部的或外部的，人为的或自然的因素作用下，混凝土保持自身 工作能力的一种性能【2 j 。 由于混凝土工程的工程量浩大，其耐久性不足将会对未来社会造成极为沉重 的负担。根据美国土木工程学会2 0 0 1 年的调查【3 l ，美国国家级桥梁2 9 以上老化， 估计在2 0 年内，每年要投入1 0 6 亿美元进行桥梁治理。美国国家级道路已处于不 良状态( d + 级) ，其中1 3 以上老化。美国全国的水坝也处于不良状态( d 级) ， 2 1 0 0 个水坝不安全，近两年有6 1 个水坝破坏。根据美国土木工程学会的估计，美 国在未来五年内，需投入1 3 0 0 亿美元改善基础设施的安全不良状态，以适应2 1 河海大学顿士学位论文 世纪的发展。我国混凝土的剩久性问题更为突出，有的建筑在使用2 1 0 # - 后， 为保持其工作能力而花去的费用早己超过结构造价本身| 4 j 。另据全国水工建筑物 耐久性调查报告表明，水质侵蚀、冻融、渗漏、空蚀冲刷磨损、混凝土碳化及钢 筋锈蚀等混凝土硎久性不良引起的病害十分严重，有的已危及建筑物的安全9 。 由此可见，耐久性对混凝土结构来说是非常重要的。美国学者曾用“五倍定 律”形象地说明了耐久性的重要性，特别是设计对唰久性问题的重要性，即设计 阶段对钢筋防护方面节省1 美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追 加维修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费2 5 美元；严重破 坏时采取措施将追加维修费1 2 5 美元。 众所周知，混凝土是一种刮久性材料，但从浇灌之日起，就会受到多方面的 腐蚀破坏，主要有碳化、碱集料反应、冻害和盐害等，简称“四害”，其中以碳 化最为常见，损失也最为严重。碳化对混凝土的危害其实也是在逐渐被人们所重 视的，以前对于混凝土的碳化，人们普遍认为碳化能使混凝土游离的c a ( o h ) ， 固定，形成致密的表面方解石结晶层，还能提高混凝土表面的强度和硬度，在国 外还有一些混凝土砌块工厂，采用烟气对砌块进行“预碳化”工艺，其主要目的 在于利用碳化使混凝土产生不可逆收缩，有利于体积稳定和强度提高。但碳化会 使混凝土的碱度降低，碳化后，完全碳化区的p h 值由1 3 左右降至9 以下，钢筋表 面的钝化膜可能发生破坏而导致钢筋锈蚀，而铁锈( f e 2 0 3 f e 3 0 4 - h 2 0 ) 的体 积一般妥增长2 4 倍，对结构造成多方面的不利影响，如：铁锈的生成造成钢筋 截面减小，构件承载能力降低。而且碳化后，混凝土自身性能的改变对结构的影 响也不可忽视，如：碳化会引起混凝土结构延性的降低，对结构抗震不利。 本文结合南水北调中线工程项目，对其渡槽结构展开试验研究。渡槽为大跨 度钢筋混凝土薄板结构，采用c 5 0 强度等级的高性能混凝土，本身是承受动荷载 的构造物，它一方面要有足够的强度和刚度来满足结构上的要求，另一方面，其 结构的重要性和所处环境使得其耐久性问题比普通民用建筑物的更加重要。大量 工程实例扣j 表明，因强度不足导致结构破坏的情况不多，而大量遭受破坏的工程 是因为耐久性不足。所以加强南水北调中线工程渡槽混操土的碳化试验研究，有 效地对混凝土碳化采取预防和治理措施，充分发挥工程的效益，有着重要的现实 意义。 2 河坶大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 抗碳化性是混凝土耐久性的一个重要方面，对普通混凝土的抗碳化性能研究 历来不少，但是对高性能混凝土碳化方面的研究则不多，但实质上可以采用研究 普通混凝土碳化的方式来研究高性能混凝土。 从6 0 年代以来，世界各国已经举办过多次有关混凝土碳化及钢筋锈蚀的学术 研讨会，如：美国混凝土学会( a c i ) 第2 2 2 委员会于1 9 7 3 年召开了混凝土中金 属腐蚀问题的讨论会0 7 l ；美国试验与材料学会( a s t m ) 召开过多次有关钢筋锈 蚀的专题讨论会，如：1 9 7 6 年召开了氯化物腐蚀问题的讨论会口i ，1 9 9 0 年召开了 混凝土中钢筋锈蚀速率问题的研讨会1 9 l ：几届国际水泥化学会议都报道了混凝土 碳化研究的进展，并有关于混凝土碳化的论文发表1 1 0 i i ”i 。 近年来各国对混凝土碳化和钢筋锈蚀的研究方兴未艾，发表了大量的论文。 s tr u b l e 粗略统计了t 9 8 7 年发表的有关钢筋混凝土结构耐久性的文献，多达6 3 8 篇n 1 1 ，其中混凝土碳化和钢筋锈蚀是重点。同济大学的张誉检索到的1 9 9 0 1 9 9 4 年间发表的有关混凝土碳化和钢筋锈蚀的论文多达2 0 0 余篇，本文作者检索到的 1 9 9 4 2 0 0 4 年间发表的有关论文则多达1 0 0 0 余篇。 目前，对于混凝土碳化的研究主要集中在以下几个方面：混凝土碳化机理； 混凝土碳化影响因素；混凝土碳化深度预测。对于混凝土中钢筋锈蚀的研究 主要为钢筋锈蚀的机理及其影响因素，钢筋锈蚀速度及锈蚀量，以及钢筋锈蚀后 力学性能的研究。 1 、混凝土碳化机理的研究 混凝土碳化是一个复杂的物理化学过程。前苏联的一些学者深入研究了这个 多相物理化学过程，得到了碳化过程受c 0 2 在混凝土孔隙中扩散控制的结论，并 由f i c k 第一扩散定律推导得到了经典混凝土碳化理论模型”】。日本学者还建立了 一个混凝土孔结构的模型，使推导得到的碳化公式更加实用i ”1 。 y i n g y u 等学者主要从孔结构和孔隙大小对碳化的影响方面研究了水泥砂浆 的碳化机理【1 4 l 。h o u s t 等研究了孔隙率和混凝土含水量对c 0 2 在硬化水泥浆中扩 散的影响1 1 5 i 。 s a e t t a 等人建立了混凝士碳化过程中水的扩散、c 0 2 气流的扩散及温度变化之 间的微分关系，并引入有限元法解这个互相耦连的非线性方程组1 1 6 】。这种研究 河淘夫学顸1 ：学位论文 混凝土碳化问题的方法有其独到之处。 p a y o r 采用热重分析的方法研究了混凝土碳化前缘物质浓度梯度的问题1 1 7 j 。 叶绍勋根据化学热力学的基本原理，计算比较了硬化水泥浆体中液相和固相 水化产物发生碳化反应的活性大小以及因碳化反应而发生的固相体积变化o ”】。 p a p a d a k i s 等人从化学分析的角度提出了：水泥熟料中可以碳化的物质不仅有 c a ( o h ) 2 ，还有c s h 及未水化的c 3 s 和c 2 s 。他们采用化学反应动力学的方法研 究了水泥水化和碳化的速率，并利用碳化过程中各可碳化物的质量平衡条件建立 了一个微分方程组形式的数学模型。该模型中的参数都有明确的物理含义和量 纲，且经过适当简化得到的解析数学模型与前苏联学者的模型有异曲同工之妙。 该模型的建立为寻找各种碳化的影响因素与碳化深度的关系及研究部分碳化区 的性质提供了理论依据。比前述各机理研究又前进了一步o ”1 f 2 2 1 。 在此基础上，国内许多学者也对碳化机理进行了研究分析1 2 3 1 1 2 6 1 ，发展到现 在也比较成熟。 2 、混凝土碳化影响因素的研究 混凝土碳化是一个多相的物理化学过程。影响混凝土碳化因素有：属于材料 本身的因素，如水灰比、水泥品神与用量、骨料品神与粒径、外掺加剂、养护方 法与时间等；属于环境条件的因素，如c 0 2 浓度、相对湿度、温度、装修覆盖层 等1 2 7 】。 水灰比是影响碳化速度的主要因素之一，很多学者研究了其对混凝土碳化的 影响。日本学者就曾经通过假设一个孔结构模型，推导了水灰比与混凝土碳化深 度的关系i 1 3 i 。 t u u t t i 做过水灰比对扩散系数影响的试验研究i 捌。s k j o l s v i d l 2 训、h o i 圳、d h i r l 3 ”、 方景3 2 1 等通过试验研究了水灰比对碳化深度的影响。 水泥品种与用量是影响混凝土碳化速度的另一个主要因素。d h i r l 3 1 1 、方景等 人3 2 1 做过不同品种水泥的混凝土碳化对比试验。h o i 州、t h o m a s l 3 3 l 、h o b b s l 3 4 等 人专门研究过粉煤灰( 火山灰) 水泥混凝土的碳化问题。c e u k e l a i r e i 3 ”、b i j e n 等人 1 3 6 研究过矿渣水泥混凝土的碳化问题。s a k a i 等人也比较过膨胀水泥混凝土与普 通水泥混凝碳化的异同1 3 7 | 。m e y e r i j 2 l 、马文海等3 8 1 研究过；v n t j 浅- 用量对碳化 深度的影响。k o b a 、佻h i 研究了水泥含碱量对碳化的影响| 3 9 】。 4 河海大学硕士学位论文 d h i r 等就骨料粒径对混凝土碳化的影响作过试验研究1 3 1 l ，l y d o n 等则研究了粗 骨料对混凝土渗透性的影响1 4 ”。 d h i r l 3 ”、f a t t u h i l 4 ”、方景等3 2 l 研究了不同外掺加剂对混凝土碳化速度的影响。 养护方法与时间对混凝土碳化也有较大的影响。n a g a t a k i s i 4 引、e w e r t s o n i 利i 、 胡利娟等4 5 l 研究了养护方法对混凝土碳化的影响。d h i r l 3 1 i 、f a t t u h i l 4 2 的研究结果 表明，养护时间对混凝土碳化速度的影响很大。 c 0 2 浓度对混凝土碳化的影响可以从碳化理论模型中看到。也有人作过这方 面的试验研究i ”】。r e a r d o n 等研究了加速碳化对碳化速度的影响i “】。张令茂等作 过自然碳化与人工加速碳化相关性的试验研究4 们。 相对湿度是影响碳化速度的主要环境因素，但这方面的研究很少。p a p a d a k i s 等曾通过试验研究得到相对湿度对扩散系数的影响，并在验证理论碳化模型时作 过试验研究2 0 1 1 2 1 1 。 崔鹏飞【4 8 1 对诸多因素( 如粉煤灰掺量、水胶比、水泥品种、养护龄期等) 对于 高性能混凝土及普通混凝土的抗碳化能力影响程度进行了定性和定量分析。 关于碳化深度和碳化时间的关系，很多学者的实验证实碳化深度与碳化时间 的平方根成正比1 2 l j 【3 0 1 1 3 “，这一结论已经得到了普遍的认同。 3 、混凝土中钢筋锈蚀的研究 混凝土中钢筋的锈蚀与防护问题已引起世界各国学者的重视，许多国家在这 方面每年都花费大量的人力和财力，并不断推出新的检测评价方法与监控防护措 施。国外在这方面的研究开展的较早，许多成果已被国内所引用，国内的研究主 要是在国外成果的基础上进行修正和补充。 对于混凝土中钢筋锈蚀的机理在目前的研究中普遍达成了共识，英国的p a g e 等人4 9 i 对其做了全面的研究。至于混凝土中钢筋钝化状态被破坏的主要原因为 混凝土保护层的碳化和氯化物的作用。 对于影响钢筋锈蚀的因素一直是研究的热点，p o u r b a i x 在7 0 年代曾提出用电 位一p h 图解释钢筋锈蚀的状态| 5 0 j ；b o r w n e l 5 “、g j o r v l 5 2 l 等人讨论过混凝土含水量 对混凝土电阻率的影响；g o n z a l e z 等研究过环境湿度对锈蚀的影响1 5 3 i ；r a s h e e d u z z a f a r 等人研究过水泥成分中的c 3 a 含量对c 1 一引起钢筋腐蚀的影响，并认为 c 3 a 含量高有利于抗腐蚀1 5 4 , 5 5 i ；洪乃丰研究过混凝土中碱的储备对钢筋锈蚀的影 可淘大学硕士学位论文 响1 5 6 1 ；c a o l 5 ”、v a l e n t i l l i 删、m a s l e h u d d i n t 5 9 1 、a n d r a l 6 0 1 等人研究过不同水泥品种 对钢筋锈蚀的影响；z h a n g 等人研究过不同外加剂对钢筋锈蚀的影确 6 ”；p a r r o t l 在试验中发现，影响钢筋锈蚀速率的一个重要因素是混凝土碳化深度1 6 2 1 。 对于钢筋锈蚀速度和锈蚀量而言，前苏联学者为此作了许多基础性的研究工 作，提出列锈蚀速度起决定作用的是混凝土的密实性和潮湿状态1 6 3 1 。清华大学 首次对钢筋锈蚀进行了理论分析，提出了混凝土中钢筋锈蚀量模型j “1 ，徐名涛 等基于工程实测对该模型进行了验证分析，并提出该模型在实际应用中存在的问 题6 ”。 此外，还有人研究了特殊环境和其它品种混凝土的钢筋锈蚀问题，如 m c d o n a l d l 6 6 l 、b e r k e l 6 7 1 等研究了开裂混凝土中的钢筋锈蚀问题；a i t a y y i b t “1 、 k o s a 6 9 1 等研究了纤维混凝土中的钢筋锈蚀问题。 1 - 3 本文的主要工作 本文结合南水北调中线工程的钢筋混凝土薄壁渡槽结构，针对其高性能混凝 土在抗碳化特性及其相关的强度性能和护筋性能展开定性和定量的研究，主要进 行了以下几方面的工作： 1 、 收集国内外相关资料，了解本课题的最新研究动态，确定研究方法。 2 、 通过混凝土人工快速碳化试验说明环境因素( c 0 2 浓度和相对湿度) 对混凝土碳化的影响程度，并且采用b e t 法测定混凝土中水泥石的孔径和比表面 积来分析其中的内在原因。 3 、 通过混凝土碳化对比试验说明高性能混凝土在抗碳化性能方面较普通 混凝土的优势，并且通过b e t 法测定孔径分布来从微观角度给予证明，从而给实 际工程以指导性建议。 4 、 将混凝土试件置于标准碳化和标准养护两种状态下，通过抗压强度试 验说明碳化对混凝土抗压强度发展的影响关系，并且由碳化对混凝土内部孔结构 的影响方面探讨其中的原因。 5 、 结合混凝土碳化和钢筋锈蚀两个试验，说明碳化对高性能混凝土中钢 筋锈蚀程度的影响关系，并比较高性能混凝土和普通混凝土的护筋性能。 6 河海大学硕士学位论史 第二章试验研究概况 2 1 试验原材料 根据南水北调中线工程的要求，本文试验中高性能混凝土均采用工程实际所 用的原材料，从而较好的与实际情况相符合；而用于对比试验的普通混凝土原材 料基本上为地产材料。高性能混凝土原材料和普通混凝土原材料的各项试验检测 结果分述如下。 2 1 1高性能混凝土原材料 l 、水泥 水泥采用河北太行山水泥股份有限公司提供的太行山牌4 2 5 r 普通硅酸盐水 泥。水泥的化学成分见表2 1 ，水泥的物理力学性质见表2 2 。 表2 1 水泥化学成分( ) 表2 2 水泥物理力学性质 2 、粉煤灰 粉煤灰采用西柏坡电厂的一级粉煤灰，粉煤灰的化学成分见表2 3 ，粉煤灰的 河海大学硕： ：学位论文 表2 4 粉煤灰的基本物理性能( ) 3 、细集料 细集料来源于河北行唐南伏河砂，砂的各项相关指标见表2 5 。 表2 5 细集料各项指标 4 、粗集料 本文试验所采用的粗集料为原产地提供的包含小石( 5r f l l 1 0r i l l s ) 、中石( 1 0 m m 2 0m m ) 、大石( 2 0r m 3 0r m ) 粒径的碎石。先把所提供的粗集料分成a 、b 、 c 、d 四组不同的配比进行优选试验，四组的比例见表2 6 。 经过对四组粗集料筛分、含水率、堆积密度及表观密度等试验结果的分析， 我们选择a 组作为后续试验所采用的粗集料，a 组粗集料的基本指标见表2 7 。 8 河海大学硕士学位论文 表2 7a 组粗集料基本指标 5 、外加剂 本文试验根据工程实际所要求采用了河北建筑科学研究院提供的n h 。g 缓凝 高效减水剂和冶建d h 。引气剂。其品种及性能见表2 8 。 表2 8 外加剂品种与性能 2 1 2普通混凝土原材料 本文试验中普通混凝土主要用于对比试验，所选用的原材料基本上为地产材 料，各材料的品神及性能见表2 9 2 1 2 。 9 # 海大学硕士学位论文 粉煤灰两柏坡电厂一级粉煤灰( 详见表2 3 ) 细集料 南京小野田混凝十公司( 中砂) 粗集粕江苏小野田泉水碎莉 表2 1 1 细集料各项指标 表2 1 2 粗集料基本指标 l o 河海大学硕士学位论文 2 2 试验研究方案 2 2 1混凝土配合比方案 本文涉及的项目是针对南水北调中线工程( 河北段) 大跨度混凝土渡槽的薄 壁结构，展开高强高性能混凝土抗碳化抗干缩等耐久性方面的试验研究。根据工 程实际采用混凝土的配合比来确定所有试验中混凝土的配合比，试验配合比详见 表2 1 3 。 表2 1 3 试验配合比 注：卜水妮，p 一粉煤灰，n h 3 e 一高教减水剂，d h r 一引气剂。 表2 1 3 中gi 为工程实际所用的配合比，将其作为基准配合比；g i i 系列是 由基准配合比引申出来的，主要用于与基准配合比做对比试验，通过宏观和微观 试验来说明粉煤灰、高效减水剂和引气剂对高性能混凝土抗碳化性能的影响，其 中g 1 i 一1 未掺粉煤狄和外加剂，g i i 2 在g l i 一1 基础上掺加了高效减水剂，g i l 一3 在g i i 2 基础上掺加了引气剂；pi 为普通混凝土配合比，主要用于对比试验， 通过试验分析表明高性能混凝土在抗碳化性能方面较普通混凝土的优势。 根据试验拟用的配合比，针对高性能混凝土和普通混凝土的几种基本性能进 1 1 河海大学硕1 ：学位论文 gi1 9 0 中等中等 3 8 45 6 3 高性能 混凝土 2 2 2 试验设计方案 高性能混凝土大幅度的提高了常规混凝土的性能，本文结合南水北调中线工 程对高性能混凝土在碳化方面的特性及相关性能进行较全面的研究和分析，主要 内容分述如下： 1 、高性能混凝土抗碳化特性试验研究 将混凝土试件进行人工室内快速碳化试验，碳化依照水工混凝土试验规程7 2 】 进行。结合南水北调中线工程，研究c o ：浓度和相对湿度对高性能混凝土碳化 的影响程度，分析实际工程中所采用的粉煤灰、高效减水剂和引气剂对高性能混 凝土抗碳化性能的影响，然后通过对比试验表明高性能混凝土在抗碳化性能方面 较普通混凝土的优势，从而可以给实际工程以指导性的建议。碳化试验方案详见 表2 1 5 。 1 2 河海大学硕二l 学位论文 注i “”表示进行此项研究。 2 、高性能混凝土碳化与强度发展相关性试验研究 高性能混凝土试件拆模后，将其分别置于标准养护和标准碳化两种状态下进 行处理，待标准碳化至7 d 、1 4 d 、2 8 d 、5 6 d 和9 0 d 时，分别取出试件测其抗压强 度，并且将其与对应龄期的标准养护试件做一个比较，研究分析标准碳化试件和 标准养护试件的抗压强度发展的规律，由此来说明碳化对高性能混凝土抗压强度 发展的影响关系，并且借助微观分析手段探讨其内在原因。 3 、高性能混凝土碳化与钢筋锈蚀程度相关性试验研究 将预制的钢筋混凝土试件进行标准碳化处理，待碳化至7 d 、1 4 d 、2 1 d 、2 8 d 和6 0 d 时，分别取出试件，按规定的步骤利用g e c o r 6 型钢筋锈蚀率测定仪和 分析天平测出钢筋的锈蚀率和失重率，并将其结果与相应的高性能混凝土碳化深 度对照，分析说明高性能混凝土碳化与钢筋锈蚀之间的关系。另外，通过试验来 比较高性能混凝土与普通混凝土的护筋性能。 2 3 主要试验设备及方法 2 3 1主要试验设备 l 、碳化箱 河海大学硕十学位论文 本文试验所使用的为江苏省建筑科学研究院研制的c c b 7 0 a 型混凝土碳化 试验箱，实物见图2 1 。c c b 一7 0 a 型混壤土碳化试验箱是进行混凝土碳化试验的 专用设各，符合g b j 8 2 8 5 水泥混凝土长期耐久性试验中碳化试验的要求， 具备数字显示仪表，仪器控制精度高，操作简便，性能比较完善。 c c b 7 0 a 型混凝土碳化试验箱的主要技术性能参数为： ( 1 ) 控制温度：2 0 _ + 5 0 c ；均匀性1 ，可调； ( 2 ) 控制湿度：7 0 5 o ；测试精度3 0 ，可调； ( 3 ) c 0 2 浓度：2 0 3 o ；测试精度1o ，可调； ( 4 ) 加热功率：6 0 0 w ： ( 5 ) 制冷功率：2 5 0 w ： ( 6 ) 去湿功率：1 4 0 w ： ( 7 ) 电 源：2 2 0 v ：5 0 1 h z ； ( 8 ) 外形尺寸：1 2 4 0 x8 0 0 1 7 5 0 吼( 内腔为：8 0 0 6 0 0 1 5 3 0 m m ) 。 国2 1c c b 一7 0 a 型混凝土碳化试验箱 2 、钢筋锈蚀率测定仪 在以往的钢筋锈蚀试验中，人们主要是利用分析天平( 如图2 2 ) 对钢筋的 失重率进行测定。本次试验还采用了从美国进口的g e c o r 6 型钢筋锈蚀率测定 仪( 如图2 - 3 ) 。它是运用极化电阻或线性极化技术开发出的测定混凝土中钢筋锈 蚀率的仪器。该仪器具有携带方便、操作简单、可靠性强等特点，用它可以测定 4 婀海大学硕士学位论文 混凝土中钢筋的锈蚀率、混凝土的电阻率、周围环境的相对湿度及温度等等。 图2 2 分析天平 图2 3g e c o r 6 型钢筋锈蚀率测定仪 g e c o r 6 的构造： g e c o r 6 体积小，重量轻，便于携带，数据处理完全自动化。a 传感器的直径 为1 8c m ，厚度为2 蚀，在与混凝土接触面上有海绵垫：b 传感器的直径为3 5 ，长度为2 6a n 。 3 、比表面积及孔径分析仪 本文采用的是美国c o n t e r 公司生产的s a 3 1 0 0 型比表面积及孔径分析仪， 河海大学硕士学位论文 实物见图2 4 。该仪器是用气体吸附法分析多孔试样比表面积和孔径的n 图2 4s a 3 1 0 0 型比表面积及孔径分析仪 2 3 2主要试验方法 1 、碳化试验 本次试验采用试件的尺寸为1 0 0 i 0 0 3 0 0 r a m ，待其标准养护至规定龄期的 前两天从养护室中拿出，置于6 0 - t - 5 c 烘箱中4 8 h ，保留试件的两个相对侧面， 其余四个表面用加热的石蜡予以密封。 ( 1 ) 将经过石蜡密封处理的试件放入碳化箱内的铁架上，各试件经受碳化 的表面之间至少应保持5 0 衄的间距。 ( 2 ) 将碳化箱盖严密封。启动碳化箱，调节其流量计，使碳化箱内c 0 2 浓 度保持在定的浓度范围内。 ( 3 ) 每隔定时间对碳化箱内c 0 2 浓度、温度及相对湿度作一次测定。一 般在第一、二天每隔2 h 测定一次，以后每隔4 h 测定一次。并根据测得的c 0 2 浓度，随时调节其流量，去湿用的硅胶也应经常予以更换。 ( 4 ) 碳化到7 d 、1 4 d 、2 1 d 、2 8 d 、6 0 d 时，分别耿出试件，破型，并测定其 碳化深度。本试验采用的是棱柱体试件，具体的操作方式为，将试件在压力试验 机上用劈裂法从一端开始破型，每次切除的厚度约为试件宽度的一半，破型后剩 河海大学硕士学位论文 余的试件用石蜡将切断面封好，再放入箱内继续碳化直到下一个试验龄期。 ( 5 ) 将切除所得的试件部分，刮去断面上的粉末，立即喷上( 或滴上) 浓 度为1 的酚酞酒精溶液，如图2 5 所示。约3 0 s 后，按原先划的每1 0 栅一个测 量点用游标卡尺分别测出两侧面各点的碳化深度。如果测点处的碳化分界线上刚 好嵌有粗骨料颗粒，则可取该颗粒两侧处碳化深度的平均值作为该点的深度值。 碳化深度公式如式( 2 1 ) ： d ， d ，= 上生一 ( 2 1 ) n 式中： d ，试件碳化f 天后的平均碳化深度( 眦) ； d ，两个侧面上各点的碳化深度( 眦) ； n 两个侧面上的总点数。 图2 5 酚酞乙醇溶液滴定混凝土碳化深度示意图 2 、钢筋锈蚀试验 ( 1 ) 钢筋准备 将直径6 5 栅的未锈蚀钢筋敲直，每根钢筋的长度为2 9 9 1r l l i n 。然后用1 2 的盐酸溶液进行酸洗，经清水漂净后，再用石灰水中和，并再用清水冲洗干净， 河海火学硕上学位论文 擦干后放入6 0 - t - 5 。c 的烘箱内烘2 4 h 。然后用分析天平称取每根钢筋的初重( 精 确至o0 0 1 9 ) ，最后存放于烘箱内备用。 ( 2 ) 试件成型 试件尺寸均为1 0 0 1 0 0 x3 0 0m m ，钢筋保护层厚度分为1 5 栅和2 5l u m 两种。 对于高性能混凝土( gi ) ，每组成型3 个试件，共计3 0 个；对于普通混凝土( p i ) ，每组成型3 个试件，共计6 个，配合比详见表2 1 4 。试件成型1 2 d 后编 号拆模时，立即用硅胶将外露的钢筋密封，使之与外界隔绝，如图2 6 所示。 图2 6 钢筋锈蚀试件侧面图 ( 3 ) 试验方法 试件标准养护至规定龄期的前两天从养护室中拿出，置于6 0 5 烘箱中 4 8 h ，再将钢筋外露的两个侧面用加热的石蜡予以密封，然后进行标准碳化处理。 高性能混凝士碳化到7 d 、1 4 d 、2 1 d 、2 8 d 、6 0 d ( 普通混凝土碳化到2 8 d ) 时，分 别取出试件，再次将其移入标准养护室养护( 试件间隔的距离不小于5 0m m ，并 且避免直接淋水) ，在潮湿条件下存放5 6 d 后取出，首先用g e c o r 6 测定钢筋的 锈蚀程度，然后破型，测出混凝土的碳化深度和钢筋的失重率。 河海大学硕士学位论文 第三章高性能混凝土抗碳化特性试验研究 3 1 概述 混凝土的基本组成材料为水泥、水、砂和石子。其中的水泥与水发生水化反 应，生成的水化物自身具有强度( 称为水泥石) ，同时将散粒状的砂和石子粘结 起来，成为一个坚硬的整体。而在自然环境中，空气、土壤或是地下水中酸性物 质，如：c 0 2 、h c i 、s 0 2 、c 1 2 深入混凝土表面，与水泥石中的碱性物质发生反 应，此过程称为混凝土的中性化。混凝土中性化的结果，其质量、孔结构、孔体 积与强度等均发生变化，且不论其对混凝土性能影响的好坏与否，混凝土中性化 是对钢筋锈蚀的最重要问题，将直接影响到钢筋混凝土结构的利久性，这才是问 题的关键所在。混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，而且混凝土 碳化是一个复杂的物理化学过程，混凝土自然碳化进程非常缓慢，试验周期氏， 研究起来十分困难，所以目自口对混凝土碳化的研究主要是建立在实验室中人工快 速碳化试验的基础上的。 3 2 混凝土碳化的机理 所谓混凝土的碳化，是指水泥石中的水化产物等与周围环境中的二氧化碳 ( c 0 2 ) 作用，生成碳酸盐或其他物质的现象。 图3 1 混凝土内部结构示意图 河海火学硕士学位论义 混凝土本身是一个多孔体，其内部存在着许多大小不同的毛细管、孔隙、气 泡，甚至缺陷等，图3 。l 是h o u s t l 7 3 1 提供的混凝内部结构示意图，从中我们可 以看出，混凝土内部的这些毛细管、孔、气泡等互相连通，彼此之间交互生长。 空气中的二氧化碳( c 0 2 ) 渗透到混凝二t 内部时，充满空气的孔隙和毛细管 中，而后溶解于毛细管中的液相，并与水泥水化过程中所产生的c a ( o h ) 2 和 硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c ：s ) 等水化产物相互作用，形成碳酸钙，从而降 低了混凝土的碱度。碳化过程是二氧化碳( c 0 2 ) 由表及里向混凝土内部逐渐扩 散、反应的复杂的物理化学过程，主要的碳化反应方程如下： c 0 2 + h 2 0 h 2 c 0 3 c a ( o h ) 2 + h 2 0 + c 0 2 一c a c 0 3 + 2 h 2 0 3 c a o 2 s i o z 3 h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 3 c a c o s + 2 s i 0 2 + 6 h 2 0 2 c a o s i 0 2 4 h 2 0 + 2 h 2 c 0 3 2 c a c 0 3 + s 1 0 2 + 6 h 2 0 可以看出，混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多 相物理化学连续过程。 3 3 环境因素对高性能混凝土抗碳化性能的影响 从混凝土碳化机理的阐述中我们可以知道，影响混凝土碳化的最主要因素是 混凝土本身的密实性和碱性储备量的大小，即混凝土自身的渗透性及其内部c a ( o h ) 2 等碱性物质含量的大小。可以说，若混凝土的孔隙率越小、抗渗透性越 好，密实性越高，碱性物质的含量越大，则混凝土的抗碳化性能越好；反之，则 越差。但是，由于影响混凝土密实性及其碱性储备量的因素十分复杂，因此就必 须具体的分析。 归纳起来，可将影响混凝土碳化的因素分为：材料因素、环境因素和施工因 素三大类。其中，材料因素包括水灰比、水泥品种与用量、骨料品种与级配、粉 煤狄的掺量、外加剂品种与掺量等，其主要是通过影响混凝土的碱度来影响混凝 土碳化；环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及c o ：浓度等，其主要是 通过影响碳化反应的发生条件来影响混凝土碳化的速度；施工因素主要指的是混 凝土的搅拌、振捣和养护条件等，其主要是通过影响混凝土密实性来影响混凝土 碳化川。 2 0 河舟大学硕士学位论文 本文试验采用的高性能混凝土是由低水胶比、优质粉煤灰、高效减水剂和引 气剂等复合而得到的，本节主要探讨环境因素对混凝土碳化的影响情况。考虑的 主要影响因素为c 0 2 浓度和相对湿度。 3 3 1宏观试验结果与分析 一、c o ：浓度对混凝土碳化的影响 以基准配合比为试验研究对象，在标准碳化试验( c 0 2 浓度为2 0 3 ) 的 基础上，设计了c 0 2 浓度为1 0 和2 7 的两种情况，研究不同c 0 2 浓度对混凝 土碳化深度的影响程度。gi 配合比详见表2 1 3 ，将其试件( 棱柱体，边长为1 0 0 x1 0 0 3 0 0m m ) 分别放在三种c 0 2 浓度下进行快速碳化试验。- - i 9 c 0 2 浓度情 况下混凝土碳化的深度及拟合参数详见表3 1 。 表3 1 不同c 0 2 浓度下混凝土碳化深度 出表3 1 可以看出，c 0 2 浓度对混凝土的碳化速度具有明显的影响。混凝土 的碳化深度不仅随着碳化时间的延续而增加，而且还随着周围环境中c 0 2 浓度 的增加而增加。分析其主要原因是，在密封的碳化箱内，当c o ：的浓度不断增 加时，碳化箱内部的气体压力也相应的有所加大，因此，在这种高浓度、高压力 的情况下，c 0 2 气体自然能较快地向混凝土内部扩散，使碳化反应迅速进行1 7 5 1 。 般认为，混凝土的碳化深度( d ) 与c 0 2 浓度( c ) 的平方根成正比，即可用以 下关系式表示：1 7 6 1 璺：磐 ( 3 1 ) 一= ：= ：2 = = = l ij d 2 c2 t 2 式中： 河海大学硕士学位论立 d 标准碳化时混凝土的碳化深度( 1 1 1 i n ) d ：非标准碳化时混凝土的碳化深度( r a m ) c 1 标准碳化时c 0 2 的浓度( ) c ：非标准碳化时c 0 2 的浓度( ) t 标准碳化龄期( d ) ： t ，非标准碳化碳化龄期( d ) 。 通过分析三种浓度下的碳化深度数据，可以发现，当c 0 2 浓度为t 0 h 寸，混 凝土碳化深度基本上符合式( 3 1 ) ，而当c 0 2 浓度为2 7 时，则出现了一定的偏 差，表现为缶 孑安 ，这说明c 0 2 浓度超过某个值q ( 。 2 。) 后，碳化 深度增长的幅度小于c 0 2 浓度增长的幅度。根据式( 3 i ) ，还可以较方便的得知， 在正常的大气条件下混凝土存放龄期为5 0 年的自然碳化深度，相当于按国家标 准方法( c 0 2 浓度为2 0 4 - 3 ) 快速碳化2 8 d 的碳化深度。 由拟合式d = a t 6 ，其中d 值反映混凝土早期抗碳化能力( 碳化初始容易程 度) ，b 值反映混凝土碳化深度后期增长趋势i 。可以发现，c 0 2 浓度越高，口值 越大，说明碳化初期c