粉煤灰摻量對(duì)混凝土碳化過程的影響試驗(yàn)研究

李斌 文佳 趙博

(中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

0 引言

混凝土的碳化是混凝土受到的一種化學(xué)腐蝕。正常環(huán)境中的混凝土?xí)嬖谝欢〝?shù)量的縫隙，大氣中的CO2氣體便會(huì)通過這些縫隙慢慢進(jìn)入到混凝土中，與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致pH值下降，這個(gè)過程就是混凝土碳化。碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，但是對(duì)混凝土不會(huì)造成直接性的危害。當(dāng)碳化的深度到達(dá)或者超過鋼筋表面時(shí)，會(huì)讓鋼筋在堿性環(huán)境中形成的鈍化膜遭到破壞，鋼筋失去了鈍化膜的保護(hù)后，一旦空氣接觸到鋼筋，就會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕[1]。銹蝕會(huì)引起鋼筋的體積變大，體積的變大將會(huì)導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫數(shù)量的增加，保護(hù)層也隨之掉落，使得鋼筋的截面面積減小，截面承載力降低，最終將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或者失效[2]。據(jù)調(diào)查，2015年大氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)的近似值為390 mL/m3,到2056年，預(yù)估CO2體積分?jǐn)?shù)的近似值將會(huì)達(dá)到556 mL/m3[3]。大氣中CO2濃度的升高，會(huì)加大混凝土碳化的程度，嚴(yán)重影響到混凝土的耐久性，造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，因此我們不能忽視混凝土碳化在工程上造成的影響[4]。

在粉煤灰混凝土中，粉煤灰發(fā)揮著一定的作用，它不僅改善了新拌混凝土的工作性，而且還可以代替水泥，節(jié)省混凝土中水泥的用量，使成本降低[5]。在經(jīng)濟(jì)上，粉煤灰混凝土擁有的經(jīng)濟(jì)效益非常不錯(cuò)，因此它在工程項(xiàng)目里被廣泛應(yīng)用。針對(duì)粉煤灰對(duì)混凝土影響的相關(guān)問題，已經(jīng)有學(xué)者做了大量的試驗(yàn)研究以及理論分析。杜晉軍[6]做了快速碳化試驗(yàn)，在低水膠比的條件下對(duì)粉煤灰混凝土進(jìn)行碳化研究，結(jié)果表明，小于30%的粉煤灰摻量對(duì)混凝土的抗碳化能力有提高的作用，大于30%的粉煤灰摻量對(duì)混凝土的抗碳化能力有降低的作用。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為，摻入一定比例的粉煤灰可以節(jié)省水泥的用量，使水泥水化反應(yīng)生成的堿性物質(zhì)Ca(OH)2變少，并且還提到二次水化生成的產(chǎn)物填充混凝土的內(nèi)部孔洞里，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓混凝土更加密實(shí)。張揚(yáng)[8]通過碳化試驗(yàn)研究了水膠比、水泥用量以及粉煤灰摻量三個(gè)變量分別對(duì)混凝土碳化的影響，結(jié)果表明，它們對(duì)混凝土碳化都有比較大的影響，而影響最大的是粉煤灰摻量。選擇一個(gè)合適的粉煤灰摻量，不但可以節(jié)省水泥用量，降低成本，而且還能提高混凝土的綜合性能，粉煤灰具有重要的實(shí)際意義[9]。因此，本文主要在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期以及水膠比相同的條件下，研究不同摻量的粉煤灰對(duì)混凝土碳化的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及配合比

水泥用的是寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥；石子采用太陽山石料廠，它的最大粒徑為20 mm；砂子是陜西武功砂廠生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)為2.82的砂子；拌合水是自來水；粉煤灰是華電寧夏靈武發(fā)電有限公司生產(chǎn)的粉煤灰；外加劑用的是北京世紀(jì)佳邦建材有限公司生產(chǎn)的減水劑。試驗(yàn)中混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土的配合比

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)的試件是按照表1中的配合比制成的6組試件，每一組中有三塊試件，每一塊試件的尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。等待試件成型，拆模之后將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，26 d后將試件取出，放入干燥箱內(nèi)，在60 ℃下烘48 h，然后將烘干后的試件用加熱的石蠟密封，只密封五個(gè)面另外一個(gè)面不做密封處理。沒做密封處理的那個(gè)面用鉛筆沿著長度方向畫參考線，參考線之間的間距為10 mm，這些參考線用來作為之后測(cè)量碳化深度的輔助線(見圖1)。

1.3 碳化試驗(yàn)步驟

將經(jīng)過處理的試件全部有序的放入碳化箱內(nèi)，試件與試件之間的距離應(yīng)該保持在50 mm以上，碳化箱內(nèi)的二氧化碳濃度控制在20%±5%，相對(duì)濕度控制在70%±5%，溫度控制在20 ℃±2 ℃。到3 d,7 d,14 d,28 d時(shí)，需要測(cè)試件的碳化深度，每次破型所切下的厚度都應(yīng)該是當(dāng)前試件寬度的1/2。試件被切成大小相同的兩塊，將其中的一塊斷面清理干凈，加熱后用石蠟將斷面密封，然后放入碳化箱里繼續(xù)進(jìn)行碳化，另外一塊試件也要將其斷面清理干凈，然后將酚酞酒精溶液用滴管均勻的滴在試件的斷面上。等到試件表面顏色變化后，根據(jù)之前做好的參考線，用比較精準(zhǔn)的鋼尺測(cè)出碳化的深度，所測(cè)得值的精確度0.5 mm，然后再算出每一組所測(cè)得的所有值的平均值，該平均值的精確度為0.1 mm，該值作為最終的碳化深度(見圖2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

為研究不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土碳化的影響，設(shè)計(jì)了6組不同粉煤灰摻量的試件，每一組試件的水膠比和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間都相同，來進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。將6組不同試件進(jìn)行碳化，得到的每一組試件在不同碳化時(shí)間的碳化深度見表2，以及各組試件的深度與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖3。

表2 混凝土碳化深度

2.2 結(jié)果分析

由表2可以看出，在相同的碳化時(shí)間，粉煤灰摻量大的組比摻量小的組碳化深度明顯要大很多。并且由圖3可以比較直觀的看到，粉煤灰摻量越大，曲線的斜率越大，曲線斜率代表著碳化速度，換言之就是速度越快。這主要是因?yàn)閾饺敕勖夯液螅勖夯視?huì)作為原料代替部分水泥，水泥水化作用生成的堿性物質(zhì)Ca(OH)2會(huì)因?yàn)樗嗟挠昧繙p少而減少。同時(shí)，對(duì)于粉煤灰來說，粉煤灰是一種具有一定活性的摻合料，它的活性主要是來自自身組成成分里的活性玻璃體SiO2和Al2O3，這兩種玻璃體在水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境中極不穩(wěn)定，會(huì)被其激活，然后發(fā)生一系列的反應(yīng)，與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H。因此摻入越多的粉煤灰，就越容易導(dǎo)致混凝土中的堿性物質(zhì)被消耗，使堿度降低，讓混凝土的抗碳化能力變得越弱，使得碳化深度增加，碳化加快。

從圖3中還能看到，在混凝土碳化的結(jié)果中，10%～50%的粉煤灰摻量的碳化曲線，即摻入了粉煤灰的混凝土碳化曲線，這些曲線的斜率都會(huì)隨著碳化時(shí)間的增加逐漸下降。分析其原因，粉煤灰混凝土在早期的時(shí)候，孔結(jié)構(gòu)不是很好，并且二次水化填充效應(yīng)未能較好的發(fā)揮，使得內(nèi)部空隙較多，二氧化碳容易在混凝土中擴(kuò)散，使得碳化速度加快[7]。粉煤灰里的活性玻璃體SiO2和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物C-S-H，有的會(huì)附在粉煤灰的表面上，另外的則會(huì)填充在水泥水化生成物(如：Ca(OH)2粗晶體)與C-S-H間的孔洞中，這種填充作用一定程度阻礙了CO2的滲透，因此隨著時(shí)間的延續(xù)，這種填充作用的效果變得較為明顯[10]，這就使得混凝土抗碳化的能力相比初期有所提高。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)混凝土進(jìn)行快速 碳化試驗(yàn)，研究了在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同以及水膠比相同的條件下不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土碳化的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出了以下結(jié)論：

1)隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土碳化的深度也越來越大，而且由于粉煤灰摻量增大，混凝土碳化的速度也變得越快。

2)摻入粉煤灰的混凝土碳化深度的增長趨勢(shì)隨著時(shí)間的增加變得越來越平緩。

3)10%粉煤灰摻量與無粉煤灰摻量的混凝土，它們的碳化程度比較相似，并且抗碳化能力都比較好。