碳化對植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響

■錢震生（1.福建省建筑科學(xué)研究院；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350025）

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碳化對植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響

■錢震生1，2
（1.福建省建筑科學(xué)研究院；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350025）

研究碳化對植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響，分析了碳化對不同齡期植生混凝土pH值及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明，碳化對早齡期植生混凝土的pH值及抗壓強(qiáng)度的影響明顯，3d試件的pH值上升約6%，抗壓強(qiáng)度下降20%以上，而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，碳化對于植生混凝土的堿環(huán)境和力學(xué)性能影響不再明顯，通過分析可知，通過碳化實(shí)現(xiàn)降低植生混凝土pH值的方式不可行，而延長養(yǎng)護(hù)齡期和加入大摻量的活性摻合料則能有效地改善堿環(huán)境及其力學(xué)性能。

植生混凝土堿環(huán)境抗壓強(qiáng)度齡期研究

植生混凝土是一種既能適合植物生長，又具有一定強(qiáng)度的混凝土，可用于城市建筑綠化，又可用于護(hù)坡護(hù)堤等工程［1］，是一種有良好應(yīng)用前景的特種混凝土。其具有連續(xù)大孔結(jié)構(gòu)，能使植物根系通過混凝土孔隙深入土壤層，同時(shí)，植物生長的土壤pH值一般在3.5～9.5范圍［2］，因此，在配制植生混凝土?xí)r要重點(diǎn)考慮幾個(gè)方面，包括有效孔隙率、強(qiáng)度，以及內(nèi)部堿環(huán)境［3］，目前關(guān)于這些方面的研究相對較多，本文主要針對碳化對植生混凝土的堿環(huán)境及力學(xué)性能方面展開研究。

1試驗(yàn)原材料

1.1膠凝材料

選擇P.O42.5的煉石牌水泥，由漳州某廠生產(chǎn)的Ⅱ

級粉煤灰，由南京某公司提供的S95級礦粉，其物理力學(xué)

性能、化學(xué)組成分別如表1所示。

1.2粗骨料

骨料種類為：碎石，其粒徑及級配如表2所示：

1.3減水劑

本課題采用福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的TW-PS高效減水劑，其為棕褐色液體，固含量為33%，氯離子含量＜0.4%，硫酸鈉含量＜8.0%，PH值為6，摻量為水泥用量的0.8%～1.2%，減水率可達(dá)25%～30%。

1.4增稠劑

選用了聚丙烯酰胺（HPAM）增稠劑，表3、表4為不同水泥漿水灰比下，摻入0.25%增稠度劑前后水泥漿的粘度及剪切應(yīng)力。

表1膠凝材料的物理力學(xué)性能

表2骨料級配情況

表3不同水灰比下旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)

2試驗(yàn)方法

2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

制備邊長為150mm×150mm×150mm立方體試件，以6塊為一組，參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，取平均值為其代表值。

2.2pH值試驗(yàn)

參照胡春明［4］的測試方法，將試件放入尺寸為155mm× 155mm×155mm的容器中，加入蒸餾水，以穩(wěn)定在試件表面以上3mm為準(zhǔn)，于24h后取出，測定容器中水的pH值。

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，采用優(yōu)化后的配合比，水膠比為0.27，粉煤灰和礦粉復(fù)摻，各為膠凝總量的15%，具體如表5所示。

表5　植生混凝土配合比（kg/m3）

依據(jù)表5進(jìn)行攪拌制樣，成型A、B、C、D、E、F、G、H八組試件，均放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，濕度≥95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其中B、D、F、H四組試件到達(dá)一定齡期后先進(jìn)行碳化試驗(yàn)后再分別進(jìn)行pH值和抗壓強(qiáng)度測試，碳化試驗(yàn)方法及條件依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009執(zhí)行，但不對試件采取石蠟密封處理，而是直接放入碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化，具體齡期及測試項(xiàng)目如表6所示。

表6　測試方案

3.2結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7　測試結(jié)果

由表7可知，A、C、E、G四組隨著齡期的增長，pH值呈下降趨勢，抗壓強(qiáng)度基本呈上升，但到112d后，強(qiáng)度基本穩(wěn)定。這主要是由于水化初期C3S和C2S與水反應(yīng)生成的CH，使得混凝土具有高堿性，但粉煤灰與礦渣具有一定的活性，與CH發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗掉部分CH，使得混凝土體系中堿性下降，降低了pH值，同時(shí)隨著火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生了更多的水化硅酸鈣，由于水泥漿的膠凝性能主要取決于水化硅酸鈣的數(shù)量［5］，因此，其強(qiáng)度隨之增長，但隨著CH持續(xù)消耗，后期水化硅酸鈣的數(shù)量不再繼續(xù)增加，此時(shí)強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。對于BDFH四組經(jīng)過碳化的pH值和抗壓強(qiáng)度趨勢與未碳化的基本相同。趨勢如圖1所示。

圖1　不同齡期混凝土碳化前后的pH值及抗壓強(qiáng)度值

表4　不同水灰比下剪切應(yīng)力

圖2　3d齡期試件的SEM圖

對于同齡期的未碳化和碳化的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律。首先，早齡期碳化后的pH值高于未碳化的混凝土，3d齡期碳化后的pH值從11.63升高到12.28，升高約6%，這似乎與一般經(jīng)驗(yàn)不一致，因?yàn)榘凑找话憬?jīng)驗(yàn)認(rèn)為，隨著CH被碳化消耗掉，其pH值應(yīng)該是降低的，但試驗(yàn)卻與之相反，究其原因可能如下，根據(jù)水泥水化過程劃分，3d左右為減速期或穩(wěn)定期，此時(shí)C3S周圍形成一個(gè)水化物的微結(jié)構(gòu)層而阻礙了C3S的水化反應(yīng)［6］，碳化破壞了該層薄膜，從而有利于水份向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散滲透，加速水化，釋放出更多的CH，導(dǎo)致水溶性pH值升高；圖2為3d齡期試樣的SEM圖，（a）為未碳化試樣，（b）為碳化后的試樣，（a）中可見到水化產(chǎn)物CSH無定形凝膠體及塊狀的CH晶體，而（b）中可見到較多的針柱狀結(jié)構(gòu)的文石，根據(jù)何娟等人的研究表明［7］，在水化程度較低時(shí)，CSH相比CH更容易碳化，即在3d早期水化程度較低的情況下，碳化主要消耗的是CSH，隨著CSH的消耗及CH的持續(xù)釋放，pH值相對于未碳化的混凝土升高了。隨著齡期的增長，水化進(jìn)一步完全，在本試驗(yàn)中摻入了膠凝總量30%的活性摻合料的條件下，一方面相對減少了水泥帶來的堿量，另一方面活性摻合料通過水化后期的火山灰反應(yīng)，進(jìn)一步消耗CH，從而在齡期達(dá)到112d時(shí)，降低了整體的pH值，此時(shí)，即使未碳化，混凝土中的pH值也已下降至8.69，碳化對于pH值得影響已經(jīng)不大了，其值為8.65，該試驗(yàn)亦表明通過大摻量活性摻合料和長齡期養(yǎng)護(hù)的方式可以降低植生混凝土中的堿含量。

多數(shù)的研究表明，對于緊密堆積型的普通混凝土，碳化能夠一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但植生混凝土則與之不同，其為無砂大孔混凝土，以單粒級骨料為骨架，各骨料通過包裹著的漿料點(diǎn)對點(diǎn)粘結(jié)在一起，這些部位截面小，當(dāng)發(fā)生碳化的時(shí)候，這些部位各點(diǎn)的膠漿料發(fā)生了收縮，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗拉應(yīng)力時(shí)便產(chǎn)生了裂紋，成為應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，從圖1可知，早齡期植生混凝土碳化后的強(qiáng)度下降較明顯，其3d抗壓強(qiáng)度從7.6MPa下降至5.8MPa，強(qiáng)度降低20%以上，這可能是由于早期膠漿料的強(qiáng)度不夠，隨著碳化收縮變形增加，產(chǎn)生裂縫的幾率更大，當(dāng)齡期足夠長時(shí)，膠漿料的水化完成強(qiáng)度增長，同時(shí)由于水膠比較低，漿料密實(shí)，碳化通常在表面發(fā)生，形成具有一定硬度和脆性的碳酸鈣，可能會抵消一部分收縮引起的不利因素，因此，此時(shí)碳化對植生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響并不明顯，如表5所示，56d時(shí)碳化后抗壓強(qiáng)度從18.2MPa下降至17.9MPa，112d時(shí)碳化后抗壓強(qiáng)度從18.0MPa上升到18.2MPa，變化較小。

4結(jié)論

（1）通過碳化的方法無法降低植生混凝土的pH值，尤其早齡期時(shí)候，碳化會提高植生混凝土的pH值，隨著齡期增長，水化反應(yīng)的進(jìn)一步完成及活性摻合料對CH的消耗，降低了混凝土中的pH值，此時(shí)碳化對pH值的變化影響不大。試驗(yàn)表明，對于植生混凝土堿環(huán)境的改善通過延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間和摻入大摻量活性摻合料的方式實(shí)現(xiàn)是可行的。

（2）碳化對植生混凝土早期強(qiáng)度影響大，本試驗(yàn)中3d齡期混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度下降達(dá)到20%以上，而隨著齡期增長，碳化對于植生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響逐漸不明顯。

（3）試驗(yàn)表明，對于無砂大孔的植生混凝土，碳化對于其早期的pH值和抗壓強(qiáng)度存在明顯的不利影響，因此應(yīng)重視其早期的養(yǎng)護(hù)。

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