高抗碳化性混凝土的配制研究

袁 群,馬 峰,曹宏亮,史長城,楊旭輝,袁 賓

(1.河南省水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003;2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,河南鄭州 450003;3.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000;4.河南省人民勝利渠管理局,河南新鄉(xiāng) 453003)

高抗碳化性混凝土的配制研究

袁 群1,2,馬 峰2,3,曹宏亮1,2,史長城1,2,楊旭輝1,2,袁 賓4

(1.河南省水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003;2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,河南鄭州 450003;3.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000;4.河南省人民勝利渠管理局,河南新鄉(xiāng) 453003)

碳化是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的不利方面,故提高混凝土的抗碳化性具有重要意義。在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上,分別摻入膠凝材料質(zhì)量0.01%、0.015%、0.02%的引氣劑和0.8%、1%的減水劑及20%的粉煤灰,組合得到了多種配合比的混凝土。在室內(nèi)快速碳化法的條件下,研究了上述混凝土碳化7 d和28 d時的碳化深度變化規(guī)律,為配制具有高抗碳化性能的混凝土提供了技術(shù)參考。

高抗碳化性混凝土;引氣劑;減水劑;粉煤灰

0 引 言

碳化普遍存在于混凝土工程中,是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要因素[1]。雖然碳化可以提高混凝土碳化層的強(qiáng)度和硬度,但其帶來的不利后果居多[2],碳化會形成收縮裂縫,影響混凝土的穩(wěn)定性,尤其能引發(fā)鋼筋銹蝕危及結(jié)構(gòu)安全。因此,高抗碳化性混凝土應(yīng)具有較高的抗碳化性及結(jié)構(gòu)耐久性,具有廣闊的應(yīng)用前景。在高抗碳化混凝土的配制研究中,主要研究了減水劑、引氣劑和粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響,從而得到摻加一種或多種外加劑及摻合料的高抗碳化性混凝土的配制方法,如表1中的配制方案Ⅰ-0、Ⅰ-1、Ⅱ-0、Ⅱ-1。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為鄭州金龍水泥股份有限公司生產(chǎn)的32.5級粉煤灰(30%)硅酸鹽水泥,具體物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

試驗(yàn)用砂的細(xì)度模數(shù)為2.89,表觀密度為2 703 kg/m3,含泥量為1.65%;試驗(yàn)用石子為5 mm～20 mm連續(xù)級配;引氣劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的GYQ○R高性能混凝土引氣劑,其主要成分為離子型樹脂表面活性劑;減水劑為鄭州建科混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的 JKH-1型高效減水劑(FDN),減水率為18%～25%;粉煤灰為南陽鴨河口熱電廠一級粉煤灰,細(xì)度為過0.045 mm篩,篩余量 為6.8%,需水量比為93.6%。

表1 混凝土配合比

表2 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 混凝土配合比

為了對比配制混凝土的抗碳化效果,因此設(shè)計

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土抗碳化試驗(yàn)參考水工混凝土規(guī)范[3],采用室內(nèi)快速碳化法來衡量混凝土的抗碳化性能。一般認(rèn)為,混凝土的碳化深度(L)與二氧化碳濃度([CO2]0)的平方根近似成正比,即

因此,普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)條件(二氧化碳濃度為(20±3)%,溫度為(20±5)℃,濕度為(70±5)%)下,混凝土28 d的碳化深度約為自然條件下50 a的碳化深度(室外空氣中二氧化碳濃度約為0.03%)(見圖1)。

試驗(yàn)結(jié)果分析包括減水劑對混凝土抗碳化性的影響、引氣劑對混凝土抗碳化性的影響及粉煤灰對混凝土強(qiáng)度與抗碳化性的影響。

2.1 減水劑對混凝土抗碳化性的影響

減水劑對混凝土抗碳化性的影響見圖2。

圖1 混凝土碳化箱及工作條件

圖2 減水劑對混凝土抗碳化性影響

圖2顯示,在快速碳化試驗(yàn)后,相對于方案C,方案Ⅰ-0的7 d和28 d的碳化深度分別降低了35.5%了一個基準(zhǔn)混凝土和八個摻加減水劑、引氣劑及粉煤灰的混凝土配合比方案,具體見表1。和41.2%,方案Ⅱ-0的7 d和28 d的碳化深度分別降低了11.3%和31.0%(摻加粉煤灰后,降低了混凝土的堿度,對抗碳化不利,這部分內(nèi)容將在“粉煤灰對混凝土抗碳化性的影響”中詳細(xì)論述)。這是因?yàn)閾郊訙p水劑后減小了水灰比,提高了混凝土的密實(shí)性,增加了酸性氣體滲入混凝土內(nèi)部的阻力,延緩了碳化反應(yīng)速度。故減水劑的使用可以有效提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 引氣劑對混凝土抗碳化性的影響

引氣劑對混凝土的抗碳化性能也有所影響(見圖3),以Ⅰ-x系列為研究對象,由圖3知,混凝土7 d和28 d的碳化深度隨著引氣劑摻量的增加而增大,抗碳化性能降低。

圖3 引氣劑含量對混凝土碳化深度的影響

2.3 粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

由圖4和圖5可知,方案Ⅱ-0混凝土內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量20%的粉煤灰后,各齡期的立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均比方案Ⅰ-0(未摻粉煤灰)降低,如7 d的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了 10.8%和5.3%,28 d的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了8.7%和6.2%。這是由于試驗(yàn)時混凝土的最大齡期只有90 d,粉煤灰的二次水化效應(yīng)還沒有完全發(fā)揮出來,因此粉煤灰替代部分水泥之后,水化產(chǎn)物減少,強(qiáng)度自然有所降低。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化關(guān)系曲線

2.4 粉煤灰對混凝土抗碳化性的影響

由圖6可知,摻加粉煤灰后,Ⅱ-系列混凝土的抗碳化性能均較Ⅰ-系列有所降低,即摻入粉煤灰后,在試驗(yàn)條件下(碳化時間較短時)混凝土的抗碳化能力有所降低。這是因?yàn)?一方面優(yōu)質(zhì)粉煤灰有緊密堆積效應(yīng),減小混凝土的孔隙率,阻止腐蝕性酸性氣體的侵入,具有提高混凝土的抗碳化能力;另一方面,粉煤灰替代部分水泥,混凝土堿性物質(zhì)含量減少,加快了混凝土pH值的下降,增加了碳化速度,導(dǎo)致混凝土抗碳化能力的降低。有研究報道[5],粉煤灰混凝土在50 a后碳化深度一般均小于鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度,即粉煤灰混凝土在長齡期時的抗碳化性還是可以的。

圖5 混凝土劈拉強(qiáng)度隨齡期的變化關(guān)系曲線

圖6 粉煤灰對混凝土碳化深度的影響

3 結(jié) 語

(1)摻加膠凝材料質(zhì)量的1%的高效減水劑后,7 d和28 d的混凝土抗碳化性能較不摻加減水劑的情況提高40%左右。

(2)在引氣劑用量為膠凝材料質(zhì)量的0.01%～0.02%時,混凝土的抗碳化性能隨用量的增加而降低。

(3)優(yōu)質(zhì)粉煤灰的緊密堆積效應(yīng)具有增大混凝土密實(shí)性的作用,但因粉煤灰的二次水化作用需要較長時間,則其對混凝土的強(qiáng)度及抗碳化性能的改善作用需在一定時間后才能表現(xiàn)出來。

[1]劉秉京.混凝土技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]袁 群,何芳嬋,李 杉.混凝土碳化理論與研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2009.

[3]南京水利科學(xué)研究院.DL-T 5150-2001.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2002.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.GB/T 50082-2009.普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5]王冬梅.粉煤灰雙摻混凝土的耐久性試驗(yàn)研究與分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2009,28(9):17-18.

Research on Preparation of High Anti-carbonation Concrete

YUAN Qun1,2,MA Feng2,3,CAO Hong-liang1,2,SHI Chang-cheng1,2,YANG Xu-hui1,2,YUAN Bin4
(1.He'nan Hydraulic Research Institute,Zhengzhou,He'nan450003,China;2.He'nanKey Laboratory of Water Engineering Safety Technology,Zhengzhou,He'nan450003,China;3.Huilong Branch Company,Guowang Xinyuan Proprietary Co.,Ltd.,Nanyang,He'nan473000,China;4.People's Victory Canal Management Bureau of He'nan Province,Xinxiang,He'nan453003,China)

Carbonation is the negative aspect to the durability of concrete structure,so it has important significance to improve the anti-carbonization of concrete.Adding air-entraining agent respectively by 0.01%,0.015%and 0.02%of the weight of gelled material,or water-reducing agent by 0.8%and 1%,or fly ash by 20%into concrete based on ordinary proportion,the concrete with multi-kinds of mix proportionswas prepared.The laws of carbonation depth changes of the above-mentioned concrete in 7 d and 28d under artificial conditionswere researched.The test result could be used as technical reference for preparation of the concrete with high anti-carbonation.

concrete with high anti-carbonation;air-entraining agent;water-reducing agent;fly ash

TU528

A

1672—1144(2012)01—0088—03

2011-09-16

2011-11-08

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(092102310193)

袁 群(1966—),男(漢族),博士,教授級高工,研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)新材料的開發(fā)與應(yīng)用。