碳化作用对水泥砂浆力学性能的影响研究

碳化作用对水泥砂浆力学性能的影响研究

代鑫旖，赵铁军，张益杰，曹卫群

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

摘 要：通过测定不同碳化龄期下，水灰比0.4，0.5和0.6的普通硅酸盐水泥砂浆试块和高抗硫酸盐水泥砂浆试块的相对动弹性模量和抗折抗压强度，研究了碳化作用下水泥砂浆的损伤规律。试验结果表明，在一定的碳化龄期内，水泥砂浆试块的相对动弹性模量和抗折抗压强度均随着碳化时间的增加而增加，但其增长速率呈减缓趋势；各水灰比的水泥砂浆试块碳化28d后，其抗压强度比未碳化时提高40%～50%；最大抗折强度比未碳化时提高20%～30%；普通硅酸盐水泥比高抗硫酸盐水泥具有较好的抗碳化性。

关键词：水泥砂浆；碳化；相对动弹模量；强度

0 前 言

混凝土的碳化是一个中性化反应过程，即空气中的酸性气体CO2与混凝土中的碱性物质发生一系列的化学反应，降低了混凝土碱性及改变了混凝土化学组分。当碳化深度大于混凝土的保护层厚度时，保护层以下钢筋表面的钝化膜会遭到破坏，当钢筋钝化膜被破坏以后，由于水和空气的共同作用，钢筋表面就会出现锈蚀现象。从而导致混凝土的体积膨胀，进一步沿钢筋长度方向出现纵向裂缝，当裂缝发展到一定程度时，混凝土保护层会剥落，构件的受力面积减小，承载能力降低，最终结构构件发生破坏［1］。

国内外学者对碳化进行了深入的研究，并得到了一些基本的结论，如下：Houst等学者［2］从孔结构、孔隙率等方面对碳化的影响，研究了水泥砂浆的碳化机理，研究表明：气体在混凝土中的扩散系数会增长10倍以上。有论文［3］研究表明：当混凝土的水灰比大于0.65时，其抗碳化能力会急剧下降，当水灰比小于0.55时，混凝土的抗碳化能力基本上可以保证。方璟［4］的研究表明：水灰比与碳化深度有明显的相关性，水灰比小，则碳化深度小，当水灰比小于0.65时，两者之间近似直线关系，当水灰比大于0.65，尤其是大于0.75时，碳化深度会急剧加大。马文海［5］的研究表明：随着水泥用量增加，混凝土的密实度也会增加，CO2便不易向混凝土内部扩散渗透，钢筋的锈蚀速度就会减缓。蒋利学［6］研究发现：相同材料与水灰比时，碳化深度与水泥用量成指数的倒数函数关系。缪昌文等［7］研究发现，掺新型聚羧酸系减水剂的混凝土与同等条件下掺萘系减水剂的混凝土相比，抗碳化能力更强。有文献［8］表明，混凝土在相对湿度为50%～70%范围内进行碳化时，碳化速度最快；碳化速度随着CO2浓度的增长而加快。

本文研究不同胶凝材料（普通硅酸盐水泥和高抗硫酸盐水泥）、不同水灰比（0.4，0.5 和0.6）砂浆试块在碳化作用下相对动弹性模量和抗折抗压强度随碳化龄期增加的变化规律。

1 试验概况

1.1 原材料

该试验中的试件为普通砂浆试块，由水、水泥、砂组成。试验用原材料来自青岛本地，水泥分别为山东山水水泥厂的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥和淄博中昌特种水泥厂的P.HSR 42.5级高抗硫酸盐水泥。具体化学成分见表1，物理力学性质如表2所示，砂为青岛大沽河中砂，最大粒径5 mm，具体物理指标见表3，水为自来水，外加剂为聚羧酸型高效减水剂。

表1 水泥的化学成分%

化学成分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3K2ONa2OTiO2P2O5P.O 42.522.913.17.3557.464.071.520.470.990.350.05 P.HSR 42.520.604.385.0365.060.552.24----

表2 水泥的物理力学性质

水泥种类凝结时间/h抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d P.O 42.52∶413∶375.48.228.251.4 P.HSR 42.53∶244∶4557.727.647.2

1.2 配合比

本试验所用试件是规格为40 mm×40 mm ×160 mm的砂浆试块。每种水泥设计三个配合比0.4，0.5和0.6，水泥砂浆试块的配合比如表4。

表3 砂的指标

砂种类规格实验结果细度模数含泥量/%级配青岛河砂中砂2.71.8符合要求

表4 砂浆试块配合比

注：减水剂用量为胶凝材料总质量的百分比

水泥种类水灰比砂/ （kg·m-3）水泥/ （kg·m-3）粉煤灰/ （kg·m-3）水/ （kg·m-3）减水剂/ % P.O 42.50.41 350450—1801.3 0.51 350450—2250.9 0.61 350450—270—P.HSR 42.50.41 350450—1801.3 0.51350450—2250.8 0.61350450—270—

1.3 试验方法

6种配合比的砂浆试块经过标准养护至28 d后，放在相对湿度为75±5%，二氧化碳浓度为20%，温度为20±3℃的碳化箱中进行加速碳化试验。

1.3.1 相对动弹性模量

当碳化龄期达到7，14，28（d）时，将砂浆试块取出，用超声检测的方法测定其超声声时或声速，将未碳化的砂浆试块的动弹性模量设为100，其他碳化龄期的砂浆试块做相应的转换得到不同配合比、不同碳化龄期下的砂浆试块的相对动弹性模量。

该试验中用来测定砂浆试块声时声速的超仪器为北京市康科瑞工程检测技术有限公司生产的NM-4A型非金属超声检测仪。根据超声波检测仪测得声时或声速通过公式（1）［9］计算出的混凝土砂浆试块的动弹性模量，混凝土砂浆试块的泊松比（υ）敏感性很小，因此其变化量很小，可忽略不计，则可以通过公式（2）［9］计算得到混凝土砂浆试块的相对动弹性模量。

式中，Ed为动弹性模量；Erd为相对动弹性模量；V为超声波声速，m/s；T为超声波声时，μs；L为试件长度，m；ρ为混凝土试件密度，kg/m3；υ为泊松比；t为试件全浸泡溶液龄期，d。

1.3.2 抗压、抗折强度

当碳化龄期达到7，14，28（d）时，将各配合比砂浆试块取出，采用无锡东仪制造科技有限公司生产的DY-208M全自动压力试验机分别测定试块的抗压强度和抗折强度，如图1所示。

图1 DY-208M全自动压力试验机

2 试验结果与分析

2.1 碳化作用下水泥砂浆试块的相对动弹性模量

图2分别为普通硅酸盐水泥砂浆试块和高抗硫酸盐水泥砂浆在不同碳化龄期下的相对动弹性模量随碳化龄期增加的变化趋势。由图2可知，普通硅酸盐水泥砂浆试块与高抗硫酸盐水泥砂浆试块，其相对动弹性模量都随着碳化龄期的增加而呈增长的趋势，但其增长速率呈减缓的趋势。分析其原因为，混凝土砂浆试块在浇筑成型硬化后，其内部存在很多细小孔隙及微裂缝等，这为CO2在砂浆试块内的扩散传输提供了通道。当把砂浆试块放入碳化箱进行加速碳化试验时，CO2则通过通道进入砂浆试块内部与其内部的Ca（OH）2发生碳化反应生成CaCO3。这些反应生成的CaCO3将砂浆试块内部本身存在的孔隙及微裂缝等进行填充，使砂浆试块变的更加密实。当超声波穿过时，其传播时间会缩短，其传播速度相对加快，通过计算得到的相对动弹性模量增加，随着碳化时间的推移，反应生成的碳酸钙会阻塞微裂缝及细小孔隙，阻断了CO2的传输通道，碳化速率减缓，相对动弹性模量的增长速率也随之下降。

图2 水泥砂浆试块相对动弹性模量

由图2可知，在同一碳化龄期下，水灰比越小，其相对动弹性模量越大。相对动弹性模量在一定程度上反映了砂浆试块的强度变化。分析其原因为，水灰比大的砂浆试块其孔隙率较水灰比小的砂浆试块大，水灰比大的砂浆试块其密实度小，当超声波穿过时，其传播速度会相对减慢，通过计算水灰比大的砂浆试块的相对动弹性模量要低于水灰比小的砂浆试块的相对动弹模量。

另外，在同一水灰比，同一碳化龄期下，普通硅酸盐水泥砂浆试块的相对动弹性模量低于高抗硫酸盐水泥砂浆试块的相对动弹性模量。分析原因为，普通硅酸盐水泥中CaO含量低于高抗硫酸盐水泥中CaO含量，普通硅酸盐水泥水化后的Ca（OH）2要低于高抗硫酸水泥水化后的Ca（OH）2，高抗硫酸水泥中的可碳化物质含量高于普通硅酸盐水泥，在同等的碳化条件下，高抗硫酸盐水泥砂浆试块的碳化程度要高于普通硅酸盐水泥砂浆试块，其密实度也就高，相对动弹性模量相对较大。

2.2 碳化对水泥砂浆试块强度的影响

图3为普通硅酸盐水泥砂浆试块在不同碳化龄期下的抗折、抗压强度；图4为高抗硫酸盐水泥砂浆试块在不同碳化龄期下的抗折、抗压强度。由图3可知，水灰比为0.4的普通硅酸盐水泥砂浆试块和高抗硫酸盐水泥砂浆试块其抗折强度随着碳化时间的增加而呈增大的趋势，但其强度的增长速率呈减缓趋势；水灰比为0.5的普通硅酸盐水泥砂浆试块其抗折强度随着碳化时间的增加先增加后减小，水灰比为0.5的高抗硫酸盐水泥砂浆试块其抗折强度随碳化时间的增加呈增长趋势，但其后期的增长速率明显减缓；水灰比为0.6的普通硅酸盐水泥砂浆试块和高抗硫酸盐水泥砂浆试块其抗折强度随着碳化时间的增加呈先增大后减小的趋势。同一种水泥，同一碳化龄期下，随着水灰比的增大，其抗折强度逐渐减小。

图3 普通硅酸盐水泥砂浆试块抗折与抗压强度

由图4可知，同一种水泥，同一水灰比下，随着碳化时间的增加，水泥砂浆试块的抗压强度呈增长的趋势，但增长速率呈减缓的趋势。以高抗硫酸盐水泥为例，水灰比为0.4的高抗硫酸盐水泥砂浆试块碳化28 d后的抗压强度比未碳化时砂浆试块的抗压强度增长了44%，从其强度增长曲线可以看出，随着碳化时间的推移，其强度增长曲线的斜率逐渐减小，说明其强度增长速率减缓。分析原因为，在碳化作用初期，碳化反应生成的CaCO3迅速填充水泥砂浆试块中的孔隙及微裂缝等，使砂浆试块变得更加密实，故其抗压强度增加。但是随着碳化龄期的增加，前期反应生成的CaCO3在填充砂浆试块中孔隙的同时，也切断了CO2进入砂浆试块的通道。另外，碳化反应发生后，溶解于孔溶液中Ca（OH）2被反应消耗后，会不断地从水泥基体中溶解分离出来，同时，部分C-S-H凝胶也与CO2发生碳化反应，这些可碳化物质会不断从水泥基体中溶解、消耗，这会在水泥基体中形成新的毛细孔隙，粗骨料与水泥基体之间的界面区含有较多的毛细孔隙在水泥基体和界面之间通常会出现微收缩，从而导致微裂缝的产生，当由碳化产生的新孔隙、新微裂缝的速度大于其填充孔隙、微裂缝的速度时，其抗折强度会降低，抗压强度增长速率减缓，当碳化达到一定龄期时，抗压强度会逐渐降低。相对动弹性模量在一定程度上反映了混凝土砂浆试块抗压强度的变化。

图4 高抗硫酸盐水泥砂浆试块抗折与抗压强度

由图4可知，在同一碳化龄期下，同一种水泥的砂浆试块其抗压强度随着水灰比的增大呈减小的趋势。以高抗硫酸盐水泥砂浆为例，当碳化时间为14 d时，水灰比为0.4的砂浆试块的抗压强度比水灰比为0.5的砂浆试块的抗压强度大7%，比水灰比为0.6的砂浆试块的抗压强度大18%。分析其原因为，混凝土水灰比越大，其孔隙率越大，未碳化时的强度越低，虽然随着碳化的进行，混凝土的强度有所增加，但大水灰比的混凝土的强度仍不如低水灰比的混凝土的强度，故在同一碳化龄期下，同一种水泥的混凝土砂浆试块，大水灰比混凝土的强度要低于小水灰比混凝土的强度。

另外，在同一碳化龄期下，高抗硫酸盐水泥砂浆试块的抗压强度要高于普通硅酸盐水泥砂浆试块的抗压强度。

3 结 论

（1）在一定的碳化龄期内，水泥砂浆试块的相对动弹性模量随着碳化时间的增加而增加，但其增长速率呈减缓趋势。

（2）水泥砂浆试块的抗压强度随着碳化时间的增加而增加。当砂浆试块水灰比较小（0.4，0.5）时，抗折强度随着碳化时间的增加而增加，当水灰比较大（0.6）时水泥砂浆试块的抗折强度随碳化时间的增加先增大后减小。碳化28d后，其抗压强度比未碳化时提高40%～50%；最大抗折强度比未碳化时提高20%～30%。

（3）较低水灰比（0.4）的砂浆试块具有较好的抗碳化性；普通硅酸盐水泥比高抗硫酸盐水泥具有较好的抗碳化性。

参考文献：

［1］ 黄鹏程.酸雨对建筑物的危害及防治［J］.柳钢科技，2005，（3）：32-34.

［2］ HOUSTYF，F.H.Wittmann.Influence of porosity and water content on the diffusion of CO2and O2 through hydrated cement paste［J］.Cement and Concrete Research，1994，24 （6）：1 165-1 176.

［3］ 杨军.混凝土的碳化性能与气渗性能研究［D］.青岛：山东科技大学，2004：83.

［4］ 方景，梅国兴，陆采荣.影响混凝土碳化主要因素及钢锈锈蚀试验研究［J］.混凝土，1993，（2）：23-26.

［5］ 马文海.混凝土碳化及对钢筋锈蚀的影响［J］.低温建筑技术，1986，（1）：27-32.

［6］ 蒋利学，等.混凝土碳化深度的计算与实验研究［J］.混凝土，1996，（4）：12-17.

［7］ 缪昌文，刘加平，刘建忠.外加剂对混凝土耐久性的影响［J］.东南大学学报，2006，36（S2）：253-258.

［8］ 肖佳，勾成福.混凝土碳化研究综述［J］.混凝土，2010，（1）：40-44.

［9］ 王鹏刚，赵铁军.火灾高温对混凝土硅烷防护效果影响的研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010：76.

Study on influence of carbonation on mechanical properties of cement mortar

Dai Xinyi，Zhao Tiejun，Zhang Yijie，Cao Weiqun
（School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，Shandong）

Abstract：By measuring the relative dynamic elastic modulus，flexural strength and compressive strength of ordinary Portland cement mortar specimen and high sulfate resistant cement mortar specimen with 0.4，0.5 and 0.6 water cement ratio at different carbonation age，the damage law of cement mortar under the influence of carbonation was studied.The results show that，within certain period of carbonation，the relative dynamic elastic modulus and compressive strength of cement mortar increase with the increase of carbonization time，but the growth rate slows down；After carbonation for 28 days，the compressive strength of cement mortar increases by 40%～50%than those without carbonation，the maximum flexural strength increases by 20%～30%than those without carbonation；The ordinary Portland cement has better resistance to carbonation than high sulfate resistant cement.

Key words：cement mortar；carbonation；relative dynamic elastic modulus；strength

工程设计

中图分类号：TU 528.0

文献标志码：A

文章编号：1673-8993（2016）03-0023-04

doi：10.13402/j.gcjs.2016.03.005

收稿日期：2016-01-04

基金项目：国家重点基础研究发展计划“973”项目（2015CB655100）

作者简介：代鑫旖（1989-），女，硕士研究生。