礦渣和粉煤灰混凝土的碳化性能

閔 婕，韓靜云，宋旭艷

(蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，蘇州215011)

混凝土碳化是混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性檢測指標(biāo)之一，也是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物使用壽命的重要指標(biāo)之一。通常情況下，混凝土的碳化是一個有害的化學(xué)反應(yīng)過程。由于混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)的減少，混凝土堿度降低，破壞混凝土內(nèi)部的鋼筋表面的鈍化膜。鋼筋接觸潮濕的空氣，產(chǎn)生類似于原電池的化學(xué)反應(yīng)，從而使得鋼筋銹蝕，破壞混凝土的耐久性。目前，大氣中二氧化碳濃度約為0.035%，預(yù)測到2090年達(dá)到0.1%［1］，因此，混凝土碳化是一個不可忽視的問題。

礦渣和粉煤灰作為混凝土的摻合料，本身不具備水化活性或者水化活性較低，需要一些高堿性的物質(zhì)作為水化的激發(fā)劑。因而，當(dāng)混凝土中摻入礦渣或者粉煤灰時，混凝土內(nèi)部的水泥熟料首先發(fā)生水化反應(yīng)，生成高堿性的Ca(OH)2等物質(zhì)，這些物質(zhì)成為礦渣或粉煤灰水化的激發(fā)劑，使混凝土發(fā)生二次水化。因此，摻合料的水化降低了混凝土的堿度，使得摻合料混凝土的抗碳化能力顯著下降［2］。

目前，針對摻合料混凝土碳化性能的研究已有較多的報道，其中較多研究粉煤灰對混凝土碳化的影響，而礦渣單摻以及粉煤灰與礦渣復(fù)摻對混凝土碳化性能的研究尚未完善，并且摻合料的最佳摻量確定也鮮有報道。

本文主要研究單摻及復(fù)摻粉煤灰、礦渣兩種摻合料對C30混凝土碳化性能的影響，從混凝土摻合料的摻量、摻入方式等影響角度出發(fā)，探討摻合料對混凝土碳化性能的影響，并得出摻合料的最佳摻量范圍。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料及配合比

水泥:金峰水泥廠產(chǎn)P.O42.5普通硅酸鹽水泥，記作PO;摻合料:磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰，記作FⅡ;礦粉，記作S;砂:中砂，細(xì)度模數(shù)為2.46;石子:浙江湖州的花崗巖，5mm～25mm;水:自來水;外加劑:聚羧酸高效減水劑。水泥的物理性能見表1，水泥和摻合料的部分品質(zhì)指標(biāo)見表2，表3為C30基準(zhǔn)混凝土配合比。

表1 P.O42.5水泥的物理性能

表2 水泥、摻合料的品質(zhì)指標(biāo)

表3 C30基準(zhǔn)混凝土配合比 /(kg/m3)

1.2 試驗方法

基于C30基準(zhǔn)混凝土配合比，研究摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗碳化性能的影響。摻合料的影響因素分為品種因素:礦渣、粉煤灰;摻量因素:20%、30%、40%、50%;摻入方式因素:一元單摻、二元復(fù)摻?；炷脸尚蜑?00mm×100mm×100mm的立方體試塊，成型24h后拆模，放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

混凝土強(qiáng)度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2002，分別測定基準(zhǔn)混凝土與摻合料混凝土3d、28d抗壓強(qiáng)度。

混凝土碳化試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》GB/T50082-2009，將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，提前2d取出，在60℃下烘48h，烘干后畫線刷蠟，并放入 CO2濃度為(20±3)%，溫度為(20±5)℃，相對濕度為(70±3)%的碳化箱中進(jìn)行碳化試驗，碳化時間分別為3d、7d、28d，待每個齡期取出試塊進(jìn)行切片，測其碳化深度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 混凝土強(qiáng)度試驗

根據(jù)基準(zhǔn)混凝土以及摻合料混凝土配合比，參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》制作標(biāo)準(zhǔn)制成100×100×100mm試塊，分別測定上述各組混凝土3d、28d抗壓強(qiáng)度。

試驗測得基準(zhǔn)混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為34.3MPa，滿足C30混凝土的要求。圖1、圖2分別為不同摻量礦渣、粉煤灰對C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。圖3為同一摻合料時，不同摻量對C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。其中S0為基準(zhǔn)混凝土;KF為礦渣、粉煤灰摻量分別為15%、15%的復(fù)摻混凝土;K1、K2、K3、K4為礦渣摻量分別為20%、30%、40%、50%的礦渣混凝土;F1、F2、F3、F4 為粉煤灰摻量分別為 20%、30%、40%、50%的粉煤灰混凝土。

由圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，單摻摻合料混凝土中，摻合料摻量每增加10%，抗壓強(qiáng)度下降約2～4MPa，這一點在單摻粉煤灰混凝土中體現(xiàn)地更加明顯。由于本試驗采用的礦渣本身的水化活性高于Ⅱ級粉煤灰的水化活性，所以在同一齡期下、同一摻量下，礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度比粉煤灰混凝土要高很多［3］。

圖1 礦渣摻量對C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 粉煤灰摻量對C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在早期(3d)，摻合料混凝土相比基準(zhǔn)混凝土，抗壓強(qiáng)度最少下降3.3%，在后期(28d)，呈明顯上升趨勢。這是因為隨著摻合料摻量的增加，混凝土中的水泥含量相對降低，而礦渣、或粉煤灰的水化活性比較低，這就使得摻合料混凝土的早期抗壓強(qiáng)度會比基準(zhǔn)混凝土低，但當(dāng)養(yǎng)護(hù)一定的齡期時，礦渣和粉煤灰會被水泥水化形成的堿性物質(zhì)激發(fā)出活性，發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而使得摻合料混凝土后期強(qiáng)度得以提升。

圖3 同摻量不同摻合料對C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)摻合料摻量都是30%時，雙摻礦渣和粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度高于單摻粉煤灰混凝土17.9%，低于單摻礦渣混凝土13.4%。這是因為在復(fù)摻混凝土中既有水化活性較低的粉煤灰，又有水化活性較高的礦渣，使得自身的水化活性居于礦渣和粉煤灰之間，從而使得其抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速度居于這兩者之間。

2.2 混凝土碳化試驗

混凝土抗碳化能力的檢測指標(biāo)是混凝土的碳化深度，圖4為10組不同摻和料混凝土在不同碳化齡期時的碳化深度。

圖4 C30混凝土碳化深度與碳化齡期關(guān)系

從圖4中可以看出，無論混凝土摻合料的種類及其摻量，其碳化深度都隨碳化齡期的增長而增加。并且當(dāng)粉煤灰摻量為50%時，碳化齡期為28d時，該粉煤灰混凝土完全碳化，說明粉煤灰作為摻合料時，其摻量不可超過50%。

2.2.1 礦渣對混凝土碳化性能的影響 從礦渣混凝土和基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度來看，礦渣的摻量會影響混凝土抗碳化性能，比較4種不同礦渣摻量的混凝土(K1-K4)和基準(zhǔn)混凝土(S0)碳化深度，可得圖5。

圖5 單摻礦渣混凝土碳化深度與碳化齡期的關(guān)系

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，礦渣混凝土的碳化深度隨礦渣摻量的增加而增加，即抗碳化能力隨礦渣摻量的增加而降低。當(dāng)?shù)V渣摻量在30%以內(nèi)時，礦渣混凝土與基準(zhǔn)混凝土抗碳化性能基本一致，當(dāng)?shù)V渣摻量高于30%，低于50%時，碳化深度最多上升28.9%，其抗碳化性能表現(xiàn)為明顯下降趨勢。就整體趨勢而言，單摻礦渣混凝土碳化深度隨礦渣摻量的增加而增加，這與單摻礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律保持一致。這是因為當(dāng)混凝土摻入礦渣時，礦渣水化會消耗混凝土中的堿性物質(zhì)，混凝土的堿度降低，從而使得混凝土的抗碳化性能下降。

2.2.2 粉煤灰對混凝土碳化性能的影響 與礦渣一樣，混凝土中粉煤灰的摻量也會影響混凝土抗碳化性能，比較4種不同粉煤灰摻量的混凝土(F1-F4)和基準(zhǔn)混凝土(S0)碳化深度，可得圖6。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，單摻粉煤灰混凝土的抗碳化能力劣于基準(zhǔn)混凝土，比起基準(zhǔn)混凝土，碳化深度最少上升51.3%。

圖6 單摻粉煤灰混凝土碳化深度與碳化齡期的關(guān)系

在早期(3d、7d)，粉煤灰摻量每增加10%時，粉煤灰混凝土的碳化深度增加約4mm，在后期(28d)時，碳化深度先隨粉煤灰摻量的增加而降低，并于粉煤灰摻量是40%的時候，碳化深度最小，當(dāng)摻量大于40%時，碳化深度開始增加，但當(dāng)粉煤灰摻量是50%時，粉煤灰混凝土完全碳化。

2.2.3 礦渣和粉煤灰對混凝土碳化性能的共同影響上述試驗結(jié)構(gòu)可以看出，礦渣和粉煤灰都會對混凝土的抗碳化性能產(chǎn)生一定的影響，比較礦渣摻量為30%混凝土、粉煤灰摻量為30%的混凝土、礦渣和粉煤灰以質(zhì)量比1:1摻入總量是30%的混凝土的碳化深度，可得圖7。

圖7 摻量為30%的不同摻合料混凝土碳化深度與碳化齡期的關(guān)系

從圖7可以看出，當(dāng)摻合料摻量均為30%時，單摻礦渣混凝土抗碳化能力相對復(fù)摻礦渣和粉煤灰混凝土提高34.4%，單摻粉煤灰混凝土抗碳化能力比雙摻礦渣和粉煤灰混凝土降低12.0%，這與混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律保持一致。

綜上所述，同時比較混凝土抗壓強(qiáng)度和碳化深度，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗碳化性能與抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系，即抗壓強(qiáng)度越高，抗碳化性能越好。這是由于混凝土抗壓強(qiáng)度越高，則其致密性越好，從而使得其抗碳化能力越好。

在基準(zhǔn)混凝土中摻入礦渣和粉煤灰時，不一定會降低摻合料混凝土的抗碳化能力。以摻量而言，每一種摻合料都有一個摻量范圍，使得在該摻量范圍內(nèi)的混凝土的抗碳化能力和基準(zhǔn)混凝土的抗碳化能力基本保持相同。當(dāng)?shù)V渣摻量低于30%時，單摻礦渣混凝土的抗碳化能力與基準(zhǔn)混凝土基本一致;當(dāng)粉煤灰摻量在20%～40%之間時，早期粉煤灰混凝土的抗碳化性能和基準(zhǔn)混凝土基本一致，后期性能則最少下降51.3%。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和抗碳化能力，單摻礦渣的最大摻量建議為30%，單摻粉煤灰的最大摻量可以是40%，但考慮到粉煤灰摻量為40%時，混凝土后期強(qiáng)度嚴(yán)重不足，故建議粉煤灰的最大摻量為30%。

就摻合料種類而言，相同摻量的摻合料，礦渣混凝土相比粉煤灰混凝土，其抗碳化性能最少提高31.5%，這是因為，礦渣的水化活性要高于Ⅱ級粉煤灰，使得在同一齡期時的礦渣混凝土水化程度高于粉煤灰混凝土，達(dá)到更加致密的程度，從而提高了混凝土的抗碳化性能［4］。因此，綜合考慮混凝土的抗碳化能力和經(jīng)濟(jì)性兩個方面，礦渣更適合作為混凝土的摻合料。

3 結(jié)論

(1)單摻摻合料混凝土中，摻合料摻量每增加10%，抗壓強(qiáng)度下降約2～4MPa。在同一齡期下，同摻量混凝土抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為:礦渣混凝土 ＞礦渣、粉煤灰復(fù)摻混凝土 ＞粉煤灰混凝土。

(2)當(dāng)?shù)V渣摻量在30%以內(nèi)時，礦渣混凝土與基準(zhǔn)混凝土抗碳化性能基本一致，當(dāng)?shù)V渣摻量高于30%，低于50%時，碳化深度最多上升28.9%，混凝土抗碳化性能表現(xiàn)為明顯地下降趨勢。單摻粉煤灰混凝土的抗碳化能力劣于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為50%時，粉煤灰混凝土完全碳化。

(3)當(dāng)摻合料摻量均為30%時，單摻礦渣混凝土抗碳化能力相對復(fù)摻礦渣和粉煤灰混凝土提高34.4%，單摻粉煤灰混凝土抗碳化能力比復(fù)摻礦渣和粉煤灰混凝土降低12.0%，這與混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律保持一致。

(4)建議粉煤灰和礦渣的最佳摻量為30%，且礦渣作為摻合料時各性能更佳。

［1］ 衣北宇.空氣環(huán)境污染對混凝土建構(gòu)筑物壽命的影響［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2007，33(I):4-7

［2］ 趙方冉，王起才，嚴(yán)捍東.土木工程材料［M］.同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.7

［3］ 袁潤章.膠凝材料學(xué)［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2009

［4］ 宋華，牛荻濤，李春暉.礦物摻合料混凝土碳化性能試驗研究［J］.硅酸鹽學(xué)報，2009，12(37):2066-2070.