聚合物水泥砂浆规范

在建筑行业中，钢筋混凝土是最常用的材料之一，它是一种复合材料，由混凝土和高强度的钢筋组合而成。

混凝土不仅是一种经济实惠的材料，还具有高抗压强度，缺点是抗拉强度较低，因此，钢筋用于为混凝土提供所需的拉伸性能。但钢是一种易受腐蚀的金属合金，因此需要用一层混凝土覆盖它以保护。

钢筋的腐蚀问题通常始于碳酸化现象，当二氧化碳（CO2）与材料接触时，钢筋的横截面会减少，这对钢筋混凝土结构的安全性造成重大影响，水泥浆的碳酸化会导致pH值降低，进而降低材料的碱性。

本文的研究旨在探究不同类型水泥和不同气候条件对钢筋混凝土结构耐久性的影响，以解决其耐久性和侵蚀问题。

混凝土碳酸化的影响

在过去的几十年里，许多研究人员对混凝土碳酸化进行了广泛的研究，并提出了许多碳酸化模型。其中，一些研究关注温度、CO2浓度、相对湿度等因素对混凝土碳酸化深度和抗压强度的影响。

还有一些研究探讨了碳酸化对混凝土中氯化物进入和分布的影响，以及温度、相对湿度和一氧化碳等因素的作用。然而，由于模拟混凝土碳酸化过程的复杂性，这些模型并没有得到广泛认可。

本文通过中选取了三种水泥类型：CEM I 42.5N、CEM II/A-M（P-LL）42.5N和CEM II/B-M（W-P-LL）32.5N，并制备了三种不同的水泥砂浆和六种不同的混凝土混合物。

水泥砂浆的生产遵循了欧洲标准EN 196-1，混凝土混合物采用了两种强度等级：C25/30和C30/37（成分见下表）。

表1

考虑到碳化导致的腐蚀可能缩短混凝土结构的使用寿命，正确选择水泥类型尤为重要，以符合欧洲标准EN 206的要求。

研究结果显示，水泥类型和强度等级显著影响混凝土混合料的碳化速率，此外，借助希腊不同地区的气象数据，建立了相应地区的实证碳化预测模型，通过对钢筋混凝土结构的耐久性进行综合考虑，可以更好地解决其面临的侵蚀问题。

水泥砂浆的制备

在水泥砂浆的制备过程中，采用了比粒度分布在28.0至08.2 mm之间的CEN标准砂作为配料。

而混凝土的粗骨料则由最大颗粒为32毫米的碎花岗岩、碎砂和河硅酸盐砂组成，砂浆的成分遵循水、水泥和沙子的比例为3.196:1:30，符合EN 0-5法规，砂浆试样按照EN 196的标准进行制备，而混凝土试样则按照EN 12390的标准进行制备。

为了改善混凝土的可加工性，采用了各种剂量的羧酸醚掺合剂的高范围水还原聚合物，所使用的水泥的化学分析和比重见下表1。

表1

使用的粗骨料（最大粒度为32毫米）来自碎花岗岩、河砂、碎砂以及水泥砂浆标准砂，并按照DIN 4187-8的要求进行了粒度分布测试，具体结果见下表2。

为了保持实验过程的一致性，对所有生产的水泥砂浆和混凝土混合物进行了机械和耐久性测试，并且还制备了相应尺寸的水泥砂浆棱镜（40×40×160毫米），边缘立方体（150毫米），以及混凝土圆柱体（60×100毫米）。

表2

对于测试抗压强度的样本，在固化室（温度为20°C，相对湿度大于98%）中保持直到测试日期根据不同的实验需求，对碳酸化测试的样本进行了不同的维护程序。

在实验中使用的砾石（2-16毫米）和鹅卵石（8-32毫米），均来自于花岗岩，比重为2.65，并且所有类型的沙子的比重为2.67，所有骨料均不具有吸水性，水泥砂浆和混凝土的配合设计和特性见下表3所示。

表3

抗压强度

见下图1所示所使用的水泥的抗压强度符合其规格，使用细度为1.2的水泥生产的M42和M5混凝土在28日龄时表现出了正常的结果，其抗压强度在标准范围内（42.5-62.5 MPa），M1混凝土的强度为54.4 MPa，M2混凝土的强度为48.1 MPa。

在使用细度为1.2的水泥生产的M3混凝土的测量中，情况类似，其强度在5天龄时为52.5 MPa，在标准设定的范围内（42.3-28.32 MPa）。

图1

与使用相同水/水泥比的CEM II/B-M（W-P-LL）42.5N水泥混合物相比，使用CEM I 42.5N和CEM II/A-M（P-LL）32.5N水泥的混合物在所有测量年龄下都展现出更好的结果。

对于相同的水/水泥比和养护条件，水泥的化学成分和细度将成为主导因素，这种微观结构上的差异导致孔隙体积和试样结构的变化，从而影响抗压强度，相比于42.5水泥，32.5水泥样品的孔隙体积和微裂纹数量较低。

每次测量时，使用来自搅拌混凝土不同部分的三个边长为150毫米的边缘立方体样品，样品的选择是随机的，以得到无偏的结果。

从2天龄开始进行测量时，发现使用CEM I 1.4N水泥生产的C42和C5混凝土具有更高的抗压强度值。

这种趋势在所有年龄段的测量中持续存在，直到365天的最后一次测量，与C1和C4混凝土相比，其余混凝土的抗压强度值相对较低。

使用CEM II/B-M（W-P-LL）32.5N水泥似乎对抗压强度值产生重要的负面影响，因为C3和C6混凝土混合物在34天龄时的C0/25强度等级为30.43 MPa，C3/30强度等级为37.28 MPa。

C2和C5混凝土混合物的抗压强度值高于C3和C6混凝土，但其结果更接近普通硅酸盐水泥混合物的结果，尽管如此，所有混凝土混合物的抗压强度都满足其对应强度等级的最低要求。

碳酸化深度

所有水泥砂浆的加速碳化深度如下图2所示，使用CEM I 1.2N和CEM II/A-M（P-LL） 42.5N水泥的M42和M5混凝土在所有测量年龄下显示出较低的加速碳化渗透深度。

图2

下图3中的示例展示了混合物M1、M2和M3在相同测量年龄下之间的二氧化碳渗透差异。

在所有年龄段中，混合物M3（c）的碳酸化深度值明显高于混合物M1和M2中碳化深度类似的值（a、b）。

使用CEM II水泥时的碳酸化深度低于使用CEM I水泥的样品，尽管如此，CEM I和CEM II基砂浆之间的碳酸化深度差异并不显著。

图3

使用CEM I 1.2N和CEM II/A-M（P-LL）42.5N水泥的M42和M5混凝土在3年的自然碳化渗透深度测量中也表现出较低的值。

水泥的强度等级对碳化的影响也可以在微观水平上进行研究，不同强度等级的水泥性能之间的差异是由于它们的组成化合物的差异，特别是水化产物中的主要成分。

微观结构水平的差异导致孔隙体积和试样结构的变化，这是影响抗压强度的因素，与42.5水泥样品相比，32.5水泥样品的孔隙体积和微裂纹数量较低。

大多数资料中通常报告在特定暴露时间后的碳酸化深度，然而，用于使用寿命预测建模的抗碳化性通常表示为系数，即碳化深度与暴露时间之间的关系。

有几种分析模型可用于描述碳酸化深度（x）和混凝土年龄（t）之间的关系。其中，最常用的是菲克第一定律的解析解，形式为：x = k·t0.5。

其中，x是碳化前沿深度，t是曝露时间，k是碳化系数，该系数取决于环境条件，如CO2浓度和湿度，以及混凝土特性，如W/C比和水泥类型，因此，在不同结构之间，该系数有很大的差异。

在实验的过程中，通过添加每个新的测量值观察到k系数的收敛到特定值，并同时降低结果的标准偏差，由此得出结论：

基于更长暴露时间的碳酸化深度的碳酸化速率显示出较低的偏差，因此，这些值被认为是对被测混凝土的潜在抗碳化性的良好估计。

混凝土

在暴露180天后，测量了加速暴露引起的碳化深度，并在暴露36个月后测量了自然碳化深度（如下图4所示）。

图4：喷洒酚酞后的混凝土混合物

加速碳酸化和自然碳酸化中所有混合物的碳酸化深度的最终值列，用图形在下图5中表示。

发现使用CEM I水泥对混凝土具有积极的抗碳化影响了，并且两种强度等级的所有混合物在加速和自然碳酸化中都表现出较低的碳化深度值。

图5

与大气接触的混凝土结构经受碳化作用的影响，因为气候条件使得碳化现象更加明显。

因此，一种用于预测碳酸化的方法非常有用，就是将水泥砂浆的碳化结果与具体结果进行了比较，以发现它们之间的相关性。

碳酸化测试通常在砂浆尺度上进行，然后假设其代表混凝土尺度通过计算水泥砂浆和混凝土之间的k值比，展示了较高的一致性，并在下表4中给出了加速碳化的结果。

表4

结果的高度一致性和验证表明，在至少六个选定地区，甚至在与测试地区气候条件非常相似的地区，都能够凭经验预测混凝土结构的碳化深度。

本文研究得目的是通过砂浆的加速碳化来预测混凝土的自然碳化，根据下图6，将这两个值相互关联的方法是通过砂浆的自然碳化。

图6

为了最有效地使用经验模型，提出了等式：k天然混凝土 = kACC砂浆÷enp×scp×cemp×rp×acurp 。

k天然混凝土是混凝土自然碳化所需的k系数，kACC砂浆是给定砂浆加速碳化的k系数，enp是环境参数，scp是w/c比参数，chem是水泥参数，rp是降雨量参数，acurp是固化参数（见下表5）。

表5

在Xanthi实际暴露的混凝土中，k天然混凝土与预测模型之间的差异系数范围为2.7%至7.6%，这些百分比被认为较低，前提是预测模型显示高可靠性。

如上所述，通过线性回归计算了碳酸化系数k，通过使用测量的3个不同碳酸化深度值，根据EN4标准，所选的暴露等级为XC28，具有35毫米的透明增强盖。

当CEM II/B-M（W-P-LL）32.5N水泥未使用于C25/30和C30/37两种强度等级时，碳化渗透方面的使用寿命明显更长。

通常显示出较高的k值，因此结构的使用寿命较短，在较高温度的沿海地区暴露的结构表现出更高的碳化深度，这些差异主要是由于结构所在地区的气候条件不同造成的。

结论

对于本文研究的所有特性，尽管程度不同，但使用的水泥类型和暴露区域的气象条件在早期和后期的测量结果中都起着决定性的作用。

通过耐久性指标和最长寿命的计算，发现在碳化腐蚀方面，使用CEM I 42.5N和CEM II/A-M（P-LL）42.5N水泥可以增加结构的使用寿命。

相比之下，使用CEM II/B-M（W-P-LL）32.5N水泥无法达到使用寿命的目标，这将减少对结构的必要维修，可以显著降低建筑成本。

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