在预拌混凝土中掺入大量矿物掺合料，虽然有利于实现混凝土材料可持续发展，但是由于周围环境CO2浓度和温度偏高、原材料水泥中混合材料掺量偏高、预拌混凝土掺合料掺量高，以及混凝土浇筑后养护不当等原因，均会加速混凝土碳化，直接影响到钢筋混凝土结构使用年限。从我国钢筋混凝土结构工程实际调查和应用工程实例中可得知，混凝土碳化将要或者已经带来一定经济损失。因此，研究掺合料预拌混凝土抗碳化性能，在此基础上对混凝土配合比进行优化，避免因混凝土碳化导致混凝土结构破坏具有实际意义。本文综合上述观点，在混凝土强度等级相同时，研究不同水胶比条件下，常用矿物掺合料对混凝土抗碳化性能的影响，以混凝土28d抗压强度和28d加速碳化深度为考核指标，从同一强度等级若干配合比中，通过加速碳化试验筛选出满足抗碳化性能好的混凝土配合比，分析28d加速碳化深度与成本关系，优选出抗碳化性能好、成本低的混凝土配合比，这不仅使预拌混凝土企业可以获得最大收益，而且还能延长建筑使用寿命，具有重要意义。
1试验
1.1 原材料
水泥选用P·O42.5水泥，掺合料选用Ⅱ级粉煤灰和满城S95级矿粉两种常用掺合料，粗骨料选用5～20mm连续级配碎石，细骨料选用级配良好的Ⅱ区河砂，外加剂选用保定慕湖恒源新型建材聚羧酸外加剂且掺量2%，拌合用水采用自来水。
1.2 试验方法
混凝土拌合物工作性评定方法按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定；混凝土抗压强度测定方法按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。混凝土加速碳化试验方法根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行加速碳化试验；采用中国建筑科学研究院CABRHTX12型混凝土碳化试验箱，箱内CO2浓度保持在（20±3）%，相对湿度控制在（70±5）%，温度控制在（20±2）%。
1.3 配合比设计
单掺掺量为40%以内的Ⅱ级粉煤灰，单掺掺量为50%以内的S95级矿粉，双掺Ⅱ级粉煤灰和S95级矿粉按照1:1复合，针对不同掺合料的不同掺量，调整水胶比，满足拌合物工作性能和硬化后力学性能的要求。配合比及工作性能和力学性能指标见表1。
表1 配合比及工作性能和力学性能主要指标
从表1可以看出，编号为N的是基准，单掺粉煤灰10F～40F（掺量为10%～40%），单掺矿粉10S～50S（掺量为10%～50%），双掺5F5S～20F20S（以1∶1复合掺量为10%～40%）。根据试验结果，14组配合比拌合物坍落度在195～240mm范围内，满足现代泵送混凝土的工作性能要求；28d标养强度在33.7～37.7MPa范围内，达到C30混凝土设计强度的112%～126%，满足C30混凝土的强度评定要求。
2碳化试验结果分析
依据现行普通混凝土加速碳化试验方法，测定混凝土3d、7d、14d、28d的加速碳化深度，其结果见表2。
表2 混凝土不同龄期加速碳化深度
2.1 碳化基础数据分析
从表2可以看出，由于掺合料掺量和掺加种类不同，使其加速碳化深度有明显差异。编号N无掺合料的混凝土28d加速碳化深度为8.0mm、编号10F～40F单掺粉煤灰混凝土28d加速碳化深度在8.0～9.2mm、编号10S～50S单掺矿粉混凝土28d加速碳化深度在7.4～8.6mm、粉煤灰/矿粉按照1∶1复掺混凝土28d加速碳化深度在8.8～10.7mm范围内，总体评定抗碳化性：单掺矿粉＞单掺粉煤灰＞1∶1复掺粉煤灰/矿粉。
Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉等质量取代水泥后，为了保证相同强度等级，需要降低水胶比，在混凝土28d加速碳化深度中，仅有3组配合比不大于取代前混凝土28d加速碳化深度。因此，总体上看，同强度等级条件下，掺合料等质量取代水泥后降低混凝土28d加速碳化深度，也就是降低混凝土抗碳化性能。编号50S混凝土28d加速碳化深度为7.4mm，在同强度等级中碳化深度最低，而编号15F15S混凝土28d加速碳化深度为10.7mm，在同强度等级中碳化深度最高。混凝土28d加速碳化深度相当于自然环境50年的碳化深度，而试验中所有混凝土28d加速碳化深度在7.4～10.7mm范围内，均小于钢筋保护层厚度15mm，能够满足建筑结构保护层厚度的要求。
2.2 掺合料种类和掺量对碳化影响分析
Ⅱ级粉煤灰掺量对C30混凝土抗碳化性能影响如图1所示；S95级矿粉掺量对C30混凝土抗碳化性能影响如图2所示；当Ⅱ级粉煤灰与S95级矿粉按1∶1复合时，其掺量对C30混凝土抗碳化性能影响如图3所示。
图1 粉煤灰掺量对C30混凝土抗碳化性能的影响
由图1可以看出：随着粉煤灰掺量增加，粉煤灰混凝土3d、7d和14d加速碳化深度出现“降低—增加—降低—增加”的变化规律；混凝土28d加速碳化深度随着粉煤灰掺量增加出现了“增加—降低—增加”的变化规律，当粉煤灰掺量为30%时，其28d加速碳化深度最低。
图2 矿粉掺量对C30混凝土抗碳化性能的影响
由图2可以看出：当矿粉掺量在50%范围内，随着矿粉掺量增加，混凝土不同龄期的加速碳化深度出现不同变化规律。混凝土3d加速碳化深度随着矿粉掺量增加出现了“降低—不变—降低”的变化规律；混凝土7d加速碳化深度随着矿粉掺量增加出现了“降低—不变—增加—降低”的变化规律；混凝土14d加速碳化深度随着矿粉掺量增加出现了“增加—降低—增加—降低”的变化规律；混凝土28d加速碳化深度随着矿粉掺量增加出现了“增加—不变—降低”的变化规律，当矿粉掺量为50%时，混凝土28d加速碳化深度最低。
图3 复合掺量对C30混凝土抗碳化性能的影响
由图3可以看出：当复合掺合料掺量由0增加到40%时，混凝土不同龄期加速碳化深度变化规律略有差异。混凝土3d加速碳化深度随着粉煤灰和矿粉复合掺量的增加出现了先降低后增加的变化规律；混凝土7d、14d和28d加速碳化深度随着粉煤灰和矿粉复合掺量的增加出现了先增加后降低的变化规律，当掺合料复合掺量为30%时，混凝土28d加速碳化深度最大。
掺合料掺量对混凝土不同龄期加速碳化深度影响分析：第一，随着掺合料（单掺或复合）掺量的增加，为了保证混凝土为同一强度等级，需要降低水胶比，水胶比的降低、掺合料二次水化和微填充作用提高了混凝土的密实度，会降低混凝土不同龄期加速碳化深度；第二，随着掺合料（单掺或复合）掺量的增加，水泥石密实度降低，导致混凝土密实度降低；第三，随着掺合料掺量的增加，混凝土的碱储备降低，而且掺合料二次水化反应，会进一步降低混凝土碱储备。第二、第三两个方面均会增加混凝土不同龄期加速碳化深度。粉煤灰和矿粉活性存在差异，在分析掺合料掺量对混凝土不同龄期加速碳化深度影响时，视具体掺合料种类和掺量来进行分析。
当粉煤灰掺量在40%以内时，粉煤灰掺量30%具有较明显微填充作用，使混凝土28d龄期加速碳化深度最小（其值为8.0mm），与未掺加掺合料混凝土同龄期加速碳化深度相同，而且标准养护28d抗压强度较高，为单掺粉煤灰混凝土抗碳化性能最优配合比。
在单掺矿粉混凝土中，当矿粉掺量超过20%以后，随着矿粉掺量的增加，水胶比均有不同程度降低，混凝土密实度提高，使混凝土28d加速碳化深度降低。当矿粉掺量分别为40%和50%时，对应混凝土28d龄期加速碳化深度分别为7.6mm和7.4mm，分别属于单掺矿粉混凝土中28d加速碳化深度次低和最低值；两者均低于未掺掺合料混凝土同龄期加速碳化深度，且两种掺量混凝土标准养护28d抗压强度较高，为单掺矿粉混凝土最优配合比。
当粉煤灰与矿粉按1∶1复掺时，当掺量为10%时，混凝土28d加速碳化深度最小为8.8mm，明显高于未掺掺合料混凝土同龄期加速碳化深度，且其标准养护28d抗压强度较高。
3最优配合比确定
按表1配合比计算配合比每立方米材料成本，C30混凝土每立方米成本见表3。通过掺合料对混凝土抗压强度和抗碳化性能影响分析，本试验所有配合比均满足抗碳化性能Ⅳ级要求，满足C30强度等级的要求。配合比成本初步分析仅从成本角度考虑，计算表3所有配合比的平均材料成本为255.7元/m3。从表3可以看出，编号为N、20F、30F、40F、50S、5F5S每立方米成本高于平均成本，10F、10S、20S、30S、40S、10F10S、15F15S、20F20S每立方米成本低于平均成本，而15F15S成本最低，为245.2元/m3，其次是10F10S，成本为247.1元/m3，再次为20F20S，成本为251.0元/m3。
表3 C30混凝土每立方米成本
从28d强度对成本贡献度角度考虑，按照每立方米成本价格/28d抗压强度计算，假设达到某一设定强度，成本越低性价比越高，即每立方米成本价格/28d抗压强度数值越小性价比越高，28d抗压强度贡献度越大，通过计算推荐配合比编号为N＞5F5S＞50S＞10S。但现行JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》规定，当水胶比大于0.4时，采用普通硅酸盐水泥配制钢筋混凝土时，最大掺量为45%，因此本文不推荐采用编号为50S配合比。从抗碳化性能考虑，28d加速碳化深度顺序为50S（不推荐）＜40S＜30F=N，参考配合比成本价格，对于上述4组配合比，其顺序为40S＞N＞30F。
综上所述，在同一强度等级若干配合比中，通过加速碳化试验筛选出满足抗碳化性能T-Ⅳ级要求的配合比，分析加速碳化深度与成本之间的关系，优选出抗碳化性能好、成本低的混凝土配合比：（1）单掺矿粉混凝土抗碳化性能优于单掺粉煤灰混凝土和粉煤灰与矿粉1∶1复掺混凝土；（2）仅从配合比成本角度考虑，推荐配合比编号为：15F15S＞10F10S＞20F20S；（3）从28d强度对成本贡献角度考虑，推荐配合比编号为：N＞5F5S＞10S；（4）从抗碳化性能考虑，推荐配合比编号为：40S＞N＞30F。
