輕骨料混凝土碳化性能的影響因素研究

陳朵朵

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

0 前言

與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有自重輕、孔隙率大和抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。同時(shí)輕骨料混凝土能夠減小結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，增加跨度、層高，經(jīng)濟(jì)性顯著［2］。但是，相比于普通混凝土，輕骨料混凝土內(nèi)部孔隙多，孔隙率大，空氣中的二氧化碳更容易通過(guò)孔隙進(jìn)入輕骨料混凝土內(nèi)部與混凝土中的有效成分發(fā)生碳化反應(yīng)［3，4］，碳化不僅使輕骨料混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕，而且會(huì)導(dǎo)致輕骨料混凝土體積收縮，嚴(yán)重影響了輕骨料混凝土的使用壽命。尤其是在環(huán)境日益惡化，溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重的今天，更應(yīng)該研究輕骨料混凝土的碳化性能。本文通過(guò)試驗(yàn)研究了水灰比、水泥用量、碳化時(shí)間和粉煤灰替代量對(duì)輕骨料混凝土碳化性能的影響，對(duì)輕骨料混凝土的推廣利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥選用新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5 水泥，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1;粉煤灰選用新疆天山電力瑪納斯發(fā)電廠的Ⅰ級(jí)灰，比表面積為655 m2/kg;細(xì)集料采用普通中砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，含泥量符合相關(guān)要求;輕骨料選用上海申威陶粒制品有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)輕骨料，其性能滿足相關(guān)要求;外加劑選用聚羧酸系減水劑。進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，控制輕骨料含量為509 kg/m3，細(xì)集料含量為796 kg/m3，砂率為45%不變，添加1.2%的減水劑，通過(guò)變化水灰比和水泥用量得到不同情況下輕骨料混凝土的配合比。

表1 水泥的材料組成

1.2 試驗(yàn)方法

輕骨料混凝土的碳化試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中CO2濃度范圍為17%～23%，濕度控制在65%～75%范圍內(nèi)，溫度在15～25 ℃范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水灰比對(duì)碳化深度的影響

測(cè)定當(dāng)水灰比分別為 0.4、0.45、0.5 和0.55時(shí)，輕骨料混凝土在碳化時(shí)間分別為3、7、14、28 d時(shí)的碳化深度，研究水灰比對(duì)輕骨料混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出:當(dāng)碳化時(shí)間一定時(shí)，水灰比小于0.5 隨著水灰比的增大，輕骨料混凝土的碳化深度逐漸減小，但當(dāng)水灰比大于0.5 時(shí)，增大水灰比會(huì)使碳化深度輕微增大。例如當(dāng)碳化時(shí)間為14 d 時(shí)，水灰比為0.4、0.5 和0.55 時(shí)輕骨料混凝土的碳化深度分別為23.6、6.0 和4.2 mm。這主要是因?yàn)?，?dāng)水灰比小于0.5 時(shí)隨著水灰比的增大，水泥水化作用增強(qiáng)，使輕骨料混凝土的密實(shí)度增加，碳化深度減小;而當(dāng)水灰比大于0.5 時(shí)，輕骨料混凝土內(nèi)部部分水不參與水泥的水化，自由水分蒸發(fā)使輕骨料混凝土內(nèi)部孔隙增多，密實(shí)度降低，輕骨料混凝土抗碳化性能下降，碳化深度增大。

當(dāng)水灰比一定時(shí)，碳化時(shí)間越長(zhǎng)，輕骨料混凝土的碳化深度越大，抗碳化性能越差，且當(dāng)碳化時(shí)間小于7 d 時(shí)，輕骨料混凝土的碳化深度隨時(shí)間變化較明顯，例如當(dāng)水灰比為 0.45 時(shí)，3、7、14 和 28 d 的碳化深度依次為0.7、4.1、8.0 和15.4 mm，相鄰兩個(gè)時(shí)間之間碳化深度的增長(zhǎng)幅度分別為4.9 倍、0.95 倍和0.93 倍。說(shuō)明輕骨料混凝土的碳化主要發(fā)生于7 d 之內(nèi)，當(dāng)碳化時(shí)間大于7 d 時(shí)，輕骨料混凝土碳化深度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩，抗碳化性能的衰減逐漸放緩。

2.2 水泥用量對(duì)碳化深度的影響

控制水灰比為0.5，當(dāng)水泥用量分別為350、400、450 和500 kg/m3時(shí)，輕骨料混凝土在不同碳化時(shí)間(3、7、14 和28 d)時(shí)的碳化深度，研究水泥用量對(duì)輕骨料混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出:水泥用量對(duì)輕骨料混凝土3 d碳化深度的影響較小，而對(duì)7、14 和28 d 碳化深度的影響較大，碳化時(shí)間小于7 d 時(shí)碳化深度隨時(shí)間的增長(zhǎng)幅度較大，且隨著水泥用量的增多，碳化深度均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)，輕骨料混凝土的碳化深度最大，抗碳化性能最差。這是因?yàn)?，?dāng)水泥用量小于400 kg/m3時(shí)，在增大水泥用量的同時(shí)水用量也隨之增加，此時(shí)水泥的水化作用較差，輕骨料混凝土的密實(shí)度較低，因此碳化深度較大;而當(dāng)水泥用量大于400 kg/m3時(shí)，隨著水泥用量的增加，一方面輕骨料混凝土中水泥的水化作用增強(qiáng)，混凝土的致密性提高;另一方面輕骨料混凝土內(nèi)部的堿含量增多，抗碳化能力增強(qiáng)，碳化深度減小。

圖2 水泥用量對(duì)碳化深度的影響

2.3 粉煤灰替代量對(duì)碳化深度的影響

用粉煤灰等體積替代輕骨料混凝土中的部分水泥(15%、25%、35% 和 45%)，變化水灰比(0.4、0.45、0.5 和0.55)，測(cè)定輕骨料混凝土在碳化3、7、14 和28 d 后的碳化深度，研究粉煤灰替代量對(duì)輕骨料混凝土碳化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 粉煤灰替代量對(duì)碳化深度的影響(待續(xù))

從圖3可見(jiàn):用粉煤灰替代輕骨料混凝土中的部分水泥后，輕骨料混凝土碳化深度隨水灰比的變化與沒(méi)有替代水泥時(shí)的變化相反。當(dāng)粉煤灰替代量為15%時(shí)，碳化深度隨水灰比的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)水灰比為0.5 時(shí)碳化深度增大;而當(dāng)粉煤灰替代量大于15%時(shí)，隨著水灰比的增大，碳化深度幾乎呈線性規(guī)律增大;當(dāng)粉煤灰替代量和水灰比相同時(shí)，碳化時(shí)間越長(zhǎng)碳化深度越大。這是因?yàn)?，?dāng)粉煤灰替代量為15%時(shí)，輕骨料混凝土中水泥含量較大，隨著水灰比的增大水泥的水化作用增強(qiáng)，同時(shí)粉煤灰參加二次水化作用，使混凝土內(nèi)部的堿(Ca(OH)2)含量降低，抗碳化能力下降，碳化深度增大，但當(dāng)水灰比大于0.5 時(shí)，輕骨料混凝土中的水泥充分水化，混凝土密實(shí)度提高，削弱了粉煤灰二次水化作用對(duì)輕骨料混凝土碳化深度的影響，因此碳化深度稍有下降;而當(dāng)粉煤灰替代量為25%、35%和45%時(shí)，輕骨料混凝土中水泥含量較少，增大水灰比激發(fā)了粉煤灰的二次水化作用，使輕骨料混凝土內(nèi)部堿含量大幅減少，抗碳化能力直線下降。

3 結(jié)論

1)當(dāng)水灰比小于0.5 時(shí)，隨著水灰比的增大，輕骨料混凝土的碳化深度逐漸減小，而當(dāng)水灰比大于0.5 時(shí)，增大水灰比會(huì)使碳化深度增大，但增長(zhǎng)幅度不大;當(dāng)水灰比相同時(shí)，碳化時(shí)間越長(zhǎng)，輕骨料混凝土的碳化深度越大，其中在7 d 內(nèi)隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化深度的增大幅度較大。

2)水泥用量對(duì)3 d 的碳化深度影響較小，但對(duì)7、14 和28 d 的碳化深度影響較大，隨著水泥用量的增大碳化深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)，7、14 和28 d 的碳化深度都達(dá)到最大值。

3)當(dāng)粉煤灰替代量為15%時(shí)，輕骨料混凝土的碳化深度隨水灰比的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而當(dāng)粉煤灰替代量大于15%時(shí)，隨著水灰比的增大，輕骨料混凝土的碳化深度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

［1］曹 剛.高強(qiáng)輕骨料混凝土試驗(yàn)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［2］高英力，程 領(lǐng)，龍 杰.不同礦物摻和料對(duì)輕骨料混凝土抗碳化性能的影響［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，8(3):33 －37.

［3］高英力，程 領(lǐng)，李 柯，等.碳化作用下輕骨料混凝土干縮變形及影響規(guī)律響［J］.硅酸鹽通報(bào)，2012，31(2):440 －444.

［4］王海龍，申向東.粉煤灰對(duì)輕骨料混凝土耐久性影響的試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2009(4):1 －4.