粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料不仅能够改善混凝土的工作性能和力学性能，还能显著提高混凝土的耐久性。然而，矿物掺合料的大量使用对混凝土的碳化性能有着复杂的影响，一方面，掺合料中的活性物质与水泥水化后的氢氧化钙结合，降低了混凝土中的碱性物质含量，从而加速混凝土的碳化过程；另一方面，掺合料的加入可有效改善混凝土材料的密实度，改善界面过渡区微观结构，减少二氧化碳的深入，从而减缓碳化速度。因此，掌握混凝土材料矿物掺量对其碳化性能的影响，揭示矿物掺合料对混凝土碳化行为的微观机理，对于优化混凝土配合比、提高混凝土结构的使用寿命以及降低建筑行业的碳排放具有重要意义。

本文采用正交试验法，综合考虑水胶比、粉煤灰掺量及矿渣粉掺量等因素，采用快速碳化法进行混凝土碳化性能试验研究，为实际工程中混凝土结构的耐久性设计和维护提供参考。

1试验概况

1.1试验材料

水泥：采用海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，实测比表面积355m2/kg，密度3165kg/m3，烧失量2.61%，初凝时间167min，终凝时间235min，3d、7d及28d抗折强度分别为4.5MPa、6.6MPa及7.8MPa，抗压强度分别为27.5MPa、39.8MPa及48.7MPa。

粗骨料：采用5mm～25mm级配玄武岩细石，实测含泥量及泥块含量0.51%及0.21%，坚固性质量损失4.21%。

细骨料：采用40～70目优质天然河砂，细度模数2.5，实测含泥量0.35%，含水量0.67%。

粉煤灰：采用河北运盛II级粉煤灰，密度2.43kg/m3，细度7.47%，含水量0.21%，SO3含量1.21%，安定性4.08，烧失量1.01%，游离CaO含量0.65%，7d活性指数67.5%，28d活性指数71.6%。

矿渣粉：采用石运开S95级粒化高炉矿渣粉，密度2.91kg/m3，比表面积437m2/kg，含水率0.9%，SO3含量0.04%，烧失量0.74%，游离CaO含量1.15%，7d活性指数77%，28d活性指数105%。

减水剂：采用万得化工聚羧酸高效减水剂，减水率18%，水为普通自来水。

1.2试验方法

选择水胶比、粉煤灰掺量、矿渣粉掺量及胶凝材料总量作为混凝土碳化性能的主要影响因素，每个因素分为3个水平，采用L9(34)正交试验方案，正交试验方案及各因素水平见表1。

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009），试件尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试块，采用快速碳化法试验，每3个试块为一组。试块成型后，采用标准养护（相对湿度95%，温度20℃±2℃）28d后进行烘干处理，采用石蜡对两侧对面进行密封处理，一对侧面进行碳化试验，碳化箱内温度（20±2）℃，相对湿度（70±5）%，CO2浓度（20±2）%，碳化至3d、7d、28d、56d时，取出试样，采用浓度1%的酚酞酒精溶液测定混凝土碳化深度，并进行混凝土试块的抗压强度试验。

2试验结果与分析

2.1试验结果

各立方体试件的碳化深度及抗压强度试验结果见表2。

混凝土碳化深度及抗压强度随碳化龄期的变化规律如图1所示。

2.2碳化深度影响因素分析

根据正交试验极差分析结果，各因素对混凝土碳化深度影响程度对比分析结果见表3。

由表3可知，各碳化龄期条件下，各因素对混凝土碳化深度影响的重要性程度为：水胶比＞胶凝材料总量＞粉煤灰掺量＞矿渣粉掺量，且混凝土的碳化深度随着胶凝材料总量的增加而减小，随着粉煤灰掺量、矿渣粉掺量及水胶比的增加而增加，各试样的碳化深度随着碳化龄期的增加呈线性增加趋势。混凝土的水胶比对其强度及密实性影响较大，增加混凝土水胶比，混凝土强度及密实度降低，从而导致混凝土孔隙率增大，使得空气中的CO2更容易侵入混凝土内部的气孔，进而与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2等物质反应生成CaCO3，导致碳化深度增加，水胶比对混凝土碳化深度的影响最为显著。增加胶凝材料总量会抑制混凝土碳化，通过增加混凝土中的胶凝材料总量提高混凝土的密实度，从而降低二氧化碳在混凝土内部的渗透能力，减小碳化速度。粉煤灰、矿渣粉等矿物参合料掺量的增加，加速混凝土的碳化速度，且粉煤灰对混凝土碳化速度的影响程度大于矿渣粉，这是由于矿物掺料中的活性物质与水泥水化后的氢氧化产物结合，降低了混凝土的碱性，从而减弱混凝土的抗碳化能力；且粉煤灰的掺入会降低混凝土的早期强度及密实度，导致混凝土早期孔隙率增大，抗碳化性能下降，而矿渣粉在早期也会导致孔隙率增加，但其孔隙收缩速率高于粉煤灰，有助于降低混凝土的碳化速率，粉煤灰对混凝土碳化速度的影响程度大于矿渣粉，尤其是在混凝土的早期养护阶段。

2.3抗压强度影响因素分析

根据正交试验极差分析结果，各因素对混凝土抗压强度影响程度对比分析结果见表4。

由表4可知，各碳化龄期条件下，各因素对混凝土碳化深度影响的重要性程度为：水胶比＞胶凝材料总量＞粉煤灰掺量＞矿渣粉掺量，与混凝土碳化深度影响因素重要性分析结果相同，这表明混凝土材料的碳化性能与其抗压强度存在高度的相关性，各试样的抗压强度随着碳化龄期的增加呈对数增加趋势。混凝土试块碳化过程中，空气中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaCO3，CaCO3在混凝土表面形成一层硬壳，对CO2的渗透阻力更大，减缓混凝土的碳化速度，从而提高了混凝土的抗压强度及耐久性；而对于钢筋混凝土材料而言，当碳化超过混凝土保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而影响结构的耐久性。因此，对混凝土材料碳化深度的控制尤为重要。

根据试验结果，混凝土的抗压强度随着胶凝材料总量的增加而增加，随着粉煤灰掺量、矿渣粉掺量及水胶比的增加而减小。胶凝材料掺量是影响混凝土颗粒黏结力及强度的关键，更多的胶凝材料意味着水化反应更为充分，混合料中的浆体较多，从而提高了混凝土的整体黏结力。而粉煤灰及矿渣粉作为典型的工业副产品，可以改善混凝土的流动性和可塑性，但与水泥相比，其活性较低，水化反应较慢，粉煤灰、矿渣粉需要较长时间才能充分水化，影响混凝土的早期强度。水胶比是混凝土中水与胶凝材料的比例，水胶比较低意味着更多的胶凝材料与一定量的水反应，产生更多的水化产物，从而增强了混凝土的强度；同时，水胶比较高时，混凝土中未水化的水泥颗粒及孔隙较多，降低了混凝土的密实度，从而影响混凝土强度。

3结语

本文通过正交试验法分析胶凝材料总量、水胶比、粉煤灰掺量及矿渣粉掺量等因素对混凝土碳化性能及抗压强度的影响，揭示了矿物掺合料对混凝土碳化行为的微观机理。试验结果表明，随着胶凝材料总量的增加，混凝土的碳化深度减小而抗压强度增加，随粉煤灰掺量、矿渣粉掺量及水胶比的增加，混凝土的碳化深度增加而抗压强度减小；混凝土材料的碳化性能与其抗压强度存在高度的相关性。各因素对混凝土碳化深度及抗压强度影响的重要性程度依次为：水胶比＞胶凝材料总量＞粉煤灰掺量＞矿渣粉掺量。研究成果揭示了矿物掺合料对混凝土碳化行为的微观机理，对于优化混凝土配合比、提高混凝土结构的使用寿命以及降低建筑行业的碳排放具有重要的理论和实践意义。