不同循環(huán)耦合損傷下粉煤灰混凝土碳化性能研究

馮曉爽，王澤坤，劉杏娟，康希佞，劉 燕

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001）

粉煤灰不僅可以代替部分水泥，降低水化熱，而且后期強(qiáng)度高，耐久性能滿足結(jié)構(gòu)需要，同時(shí)降低了混凝土的成本，變廢為寶，在實(shí)際工程中被廣泛地應(yīng)用［1-2］。但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，建筑物在自然環(huán)境、工作環(huán)境和材料本身成分的共同作用下，性能會(huì)逐漸退化并隨之出現(xiàn)各種耐久性損傷。粉煤灰混凝土的耐久性能得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注［3-4］。對(duì)于大氣環(huán)境中的建筑物，一年四季都會(huì)經(jīng)受碳化的侵蝕，寒冷地區(qū)冬季會(huì)遭受頻繁的凍融損傷，雨季則會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的干濕循環(huán)［5-8］。實(shí)際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)同時(shí)發(fā)生多種耐久性劣化損傷，各種耐久性因素產(chǎn)生相互耦合影響效應(yīng)，不同耦合損傷方式對(duì)整體耐久性損傷的貢獻(xiàn)率是1 個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。因此，本實(shí)驗(yàn)以粉煤灰混凝土為研究對(duì)象，進(jìn)行凍融—碳化循環(huán)、干濕—碳化循環(huán)以及凍融—干濕—碳化循環(huán)3 種不同損傷方式下粉煤灰混凝土碳化性能研究，探討粉煤灰摻量、不同循環(huán)損傷方式等因素對(duì)粉煤灰混凝土碳化性能的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)際工程中粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)的抗碳化耐久性的預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料及方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，選用級(jí)配良好、細(xì)度模數(shù)為2.74 的河砂作為細(xì)骨料，粗骨料選用5 ～20 mm 連續(xù)級(jí)配的碎石，外加劑為聚羧酸系高性能減水劑，引氣劑為K12 型，能溶于水的白色粉末。配制混凝土試塊的強(qiáng)度為C30，粉煤灰摻量為0%、10%、20%、30%，配合比如表1；

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試件制備：試件尺寸為100 mm×100 mm ×400 mm 的棱柱體.

（2）試驗(yàn)步驟：

根據(jù)查閱文獻(xiàn)［9-13］，綜合考慮損傷狀態(tài)，擬定3 種循環(huán)損傷試驗(yàn)步驟如下：

凍融—碳化試驗(yàn)：快速凍融循環(huán)50 次后碳化 7 d，共進(jìn)行4 次循環(huán)，每一次循環(huán)試驗(yàn)完成后，取出試塊進(jìn)行碳化深度的測(cè)量，剩下的試塊繼續(xù)放入碳化箱進(jìn)行后續(xù)碳化試驗(yàn)，以下簡(jiǎn)稱F50-C7。

干濕—碳化試驗(yàn)：先在自來(lái)水中浸泡16 h，然后放入（80±2）℃的烘干箱烘干6 h，再冷卻2 h到實(shí)驗(yàn)室自然溫度，為1 個(gè)完整的干濕循環(huán)。每干濕循環(huán)40 次碳化7 d，分別進(jìn)行4 次循環(huán)試驗(yàn)。每次循環(huán)試驗(yàn)完成后取出試塊測(cè)量碳化深度，余下的試塊進(jìn)行后續(xù)的循環(huán)試驗(yàn)，直至4 次循環(huán)試驗(yàn)完成，以下簡(jiǎn)稱D40-C7。

凍融—干濕—碳化循環(huán)試驗(yàn)：每?jī)鋈?0 次干濕40 次為1 次凍融—干濕小循環(huán)，6 次小循環(huán)為1 次凍融—干濕大循環(huán)，每進(jìn)行2 次凍融—干濕大循環(huán)碳化7 d 為1 次凍融—干濕—碳化循環(huán)試驗(yàn)，此過(guò)程大約需要14 d，共需進(jìn)行4 次循環(huán)試驗(yàn)，以下簡(jiǎn)稱F12-D12-C7。

2 結(jié)果和分析

對(duì)不同摻量的粉煤灰混凝土在不同損傷模式下進(jìn)行28 d 的快速碳化試驗(yàn)，每7 d 測(cè)量1 次碳化深度，作為1 次循環(huán)，共進(jìn)行4 次循環(huán)，碳化深度如表2 所示：

表2 不同循環(huán)損傷后各粉煤灰混凝土的碳化深度Table 2 Carbonation depth of fly ash concrete after different cyclic damage

續(xù)表：

2.1 粉煤灰摻量對(duì)混凝土碳化性能影響

由表2 可得不同粉煤灰摻量的混凝土試塊在基準(zhǔn)碳化試驗(yàn)下的碳化深度變化曲線，如圖1 所示：

圖1 粉煤灰混凝土碳化深度變化曲線Fig. 1 Curve of carbonization depth of fly ash concrete

由圖1 可知，4 種摻量的混凝土試塊隨著循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，混凝土的碳化深度也越來(lái)越大，在相同試驗(yàn)條件下，摻加粉煤灰混凝土的碳化深度要大于粉煤灰摻量為零的混凝土，且隨著粉煤灰摻量的增加，碳化深度越來(lái)越大，曲線緩慢上升。出現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因主要有以下兩點(diǎn)：粉煤灰摻量的增加會(huì)降低水泥水化產(chǎn)生Ca(OH)2的含量，使混凝土的堿性下降，削弱混凝土抵抗CO2侵蝕的能力；但同時(shí)粉煤灰通過(guò)填塞效應(yīng)和2 次水化使混凝土內(nèi)部的孔隙變得更加密實(shí)，使CO2更不易侵入到混凝土內(nèi)部。綜合考慮上述兩點(diǎn)，粉煤灰的增加降低了混凝土的堿度，同時(shí)在一定程度上改變了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，使其變得更加致密。這一方面加速了混凝土的碳化，一方面又削弱了混凝土的碳化損傷。從圖1 上升的曲線變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，摻加粉煤灰對(duì)混凝土的碳化是起到促進(jìn)作用的。

同時(shí)，碳化深度隨粉煤灰摻量變化曲線基本接近直線，通過(guò)回歸分析可知碳化深度和粉煤灰摻量之間存在線性關(guān)系：

式中：D 為混凝土碳化深度；CFA為粉煤灰摻量；a, b 為參數(shù)；其回歸分析值見(jiàn)表3：

表3 a、b 及相關(guān)系數(shù)回歸分析值Table 3 a, b and correlation regression analysis values

由表可知，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，此回歸曲線高度線性相關(guān)，粉煤灰混凝土的碳化深度與粉煤灰摻量之間存在一定的線性關(guān)系。

2.2 不同循環(huán)模式下混凝土碳化性能分析

3 種不同循環(huán)模式下，粉煤灰混凝土試塊隨循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)碳化損傷變化如圖2 所示：

圖2 粉煤灰混凝土在不同循環(huán)損傷下的碳化深度Fig. 2 Carbonation depth of fly ash concrete under different circulation modes

通過(guò)圖2 的3 個(gè)損傷循環(huán)圖可以發(fā)現(xiàn)，不論是凍融—碳化循環(huán)、干濕—碳化循環(huán)還是凍融—干濕—碳化循環(huán)，碳化深度均隨循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)不同程度的上升。

在凍融—碳化循環(huán)中，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔中的水不斷地進(jìn)行著凍結(jié)和融化，從而產(chǎn)生的脹縮應(yīng)力較大，當(dāng)混凝土自身極限抗拉強(qiáng)度小于可凍水結(jié)冰所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生許多微小的裂紋，為之后的碳化提供了通道。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，裂紋不斷的增多，有些甚至形成較大裂紋，CO2會(huì)更加輕松地進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水泥中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3，降低混凝土堿度，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土碳化深度越來(lái)越明顯。

由圖2 可以看到，干濕—碳化循環(huán)中碳化深度變化曲線最為平緩，其對(duì)混凝土碳化深度影響最小。混凝土是1 種滲透性很差的多孔介質(zhì)，在干濕循環(huán)耦合作用下，混凝土的相對(duì)濕度只在混凝土表層一定范圍內(nèi)發(fā)生，本實(shí)驗(yàn)對(duì)混凝土進(jìn)行16 h 的清水浸泡，此時(shí)混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度基本達(dá)到100%，當(dāng)混凝土進(jìn)入烘干階段時(shí)，混凝土內(nèi)部的濕度場(chǎng)不會(huì)立即發(fā)生變化，且與浸泡階段相比，烘干階段濕度下降的速率相對(duì)較小，這主要是因?yàn)榛炷翝駶?rùn)過(guò)程水分是由液態(tài)水滲透機(jī)制控制，烘干階段則主要是由水分?jǐn)U散機(jī)制控制。所以干濕循環(huán)只是導(dǎo)致混凝土表層濕度發(fā)生變化，變化范圍小，并且試驗(yàn)中的結(jié)晶水膨脹小，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，破壞不明顯，過(guò)程緩慢，再經(jīng)過(guò)碳化之后的碳化深度明顯小于其他2 種循環(huán)模式。

對(duì)比圖（a）、（b）、（c），明顯發(fā)現(xiàn)凍融—干濕循環(huán)破壞的斜率大于單一破壞的斜率，其破壞程度最強(qiáng)。例如粉煤灰摻量為20%，循環(huán)到第2 次相當(dāng)于碳化齡期14 d 時(shí)，凍融破壞的碳化深度為9.4 mm，干濕循環(huán)的碳化深度為7.96 mm，凍融—干濕循環(huán)的碳化深度為9.89 mm。干濕循環(huán)碳化深度小于凍融循環(huán)和凍融—干濕循環(huán)損傷下的碳化深度，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)混凝土的碳化損傷程度最小，凍融—干濕循環(huán)對(duì)混凝土碳化損傷程度最大，并隨循環(huán)次數(shù)的增加破壞更為明顯。凍融—干濕循環(huán)過(guò)程中的凍融循環(huán)產(chǎn)生的裂紋為干濕循環(huán)時(shí)水分的侵入提供了良好的通道，而干濕過(guò)程中殘余的液態(tài)水又為凍融提供了良好的介質(zhì)，且干濕循環(huán)促進(jìn)了水泥水化進(jìn)程，使內(nèi)部裂紋不斷的形成與擴(kuò)展，加速物理和化學(xué)的破壞。因此凍融—干濕循環(huán)產(chǎn)生的碳化深度比其他2 種循環(huán)碳化深度大，但是它們也并不是簡(jiǎn)單的疊加，兩者相互促進(jìn)，相互影響，損傷積累不斷增加。

2.3 不同損傷模式下碳化深度對(duì)比分析

將相同粉煤灰摻量的混凝土在不同碳化循環(huán)模式下的碳化深度進(jìn)行對(duì)比，變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 4 種粉煤灰摻量下試塊碳化深度曲線變化圖Fig. 3 Change graph of carbonization depth curves of test block under four kinds of fly ash content

由圖3 的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論粉煤灰摻量是多少，碳化深度隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷增長(zhǎng)，試塊的碳化深度在相同循環(huán)次數(shù)下由大到小依次為：凍融—干濕—碳化試驗(yàn)、凍融—碳化試驗(yàn)、干濕—碳化試驗(yàn)、基準(zhǔn)碳化試驗(yàn)。同時(shí)，多數(shù)曲線在碳化7 到14 d 時(shí)的斜率要大于其它時(shí)段的斜率，可見(jiàn)碳化初期混凝土的碳化深度增加速度最快，耦合循環(huán)損傷對(duì)于混凝土的初期碳化深度影響最大。

此外，通過(guò)回歸分析可得，相同的粉煤灰摻量下的混凝土試塊在不同損傷模式下其碳化深度與循環(huán)次數(shù)之間的回歸方程：

式中：D 為粉煤灰混凝土碳化深度；

x 為試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)；

a, b 為參數(shù)；其回歸分析值見(jiàn)表4：

表4 a、b 取值及擬合精度Table 4 a, b values and fitting accuracy

選取粉煤灰摻量為20%的混凝土試塊進(jìn)行回歸方程驗(yàn)證，如圖4 所示。

圖4 3 種碳化模式下碳化深度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between carbonation depth and cycle number under three carbonization modes

從上圖中不難看出，原始數(shù)據(jù)在擬合曲線附近，且有些原始數(shù)據(jù)與擬合曲線重合，說(shuō)明此擬合結(jié)果理想。從擬合曲線和表4 中擬合精度可以看出，3 種損傷方式下計(jì)算碳化深度和循環(huán)次數(shù)擬合效果良好。

根據(jù)上述擬合關(guān)系式，我們假設(shè)當(dāng)循環(huán)次數(shù)為6次時(shí)，各粉煤灰摻量的混凝土在不同損傷方式下的碳化深度，如表5 所示：

表5 3 種損傷方式下混凝土的碳化深度預(yù)測(cè)值Table 5 Predicted value of concrete carbonation depth under three damage modes mm

根據(jù)上表中相同循環(huán)次數(shù)下的碳化深度可以得出，隨著粉煤灰摻量的增加，每種損傷方式的碳化深度越來(lái)越大，說(shuō)明粉煤灰的加入的確會(huì)對(duì)混凝土的碳化性能產(chǎn)生不利的影響；同時(shí)，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同粉煤灰摻量的混凝土，在3 種不同循環(huán)損傷下，干濕循環(huán)的碳化深度最小，凍融—干濕循環(huán)的碳化深度最大，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)混凝土造成的碳化損傷最小，凍融—干濕耦合對(duì)混凝土造成的碳化損傷最大。

同時(shí)，假設(shè)達(dá)到碳化深度20 mm 時(shí)，各粉煤灰摻量的混凝土在不同損傷方式下所需的循環(huán)次數(shù)如表6 所示：

表6 3 種損傷方式下混凝土循環(huán)次數(shù)Table 6 Concrete cycle number under three damage modes

從上表中可以看出，當(dāng)碳化深度達(dá)到20 mm 時(shí)，3 種循環(huán)損傷模式下所需要的循環(huán)次數(shù)從大到小為：干濕—碳化循環(huán)＞凍融—碳化循環(huán)＞凍融—干濕—碳化循環(huán)。這表明在相同的條件下，凍融—干濕耦合循環(huán)對(duì)混凝土造成的損傷程度大于單一循環(huán)造成的損傷程度。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰的存在可以一定程度上改善混凝土的抗碳化性能，但隨粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量小于20%時(shí)對(duì)混凝土抗碳化性能影響不大。

（2）粉煤灰摻量一定時(shí)，混凝土試塊在不同損傷模式下的碳化深度有大到小依次為：凍融—干濕—碳化試驗(yàn)＞凍融—碳化循環(huán)試驗(yàn)＞干濕—碳化循環(huán)試驗(yàn)，說(shuō)明凍融—干濕雙重耦合模式下對(duì)混凝土的抗碳化性能最不利。

（3）3 種循環(huán)損傷模式下，碳化深度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且與循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)不同的冪函數(shù)關(guān)系。