粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化耐久性能研究

李 健

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

地質聚合物，亦或低鈣堿激發(fā)硅鋁酸鹽水泥[1]，通常指含硅、鋁質原材料的天然礦物或各種固體廢物與堿激發(fā)劑反應而形成的膠凝材料。與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥基材料相比，地質聚合物早期力學性能、熱穩(wěn)定性、抗硫酸鹽侵蝕性能良好，但其干燥收縮較大、抗碳化耐久性能隨制備原材料不同波動較大等缺點限制了其在建筑工程中的應用[2-3]。為了更好的推廣地聚物混凝土，耐久性，特別是抗碳化耐久性能的研究是非常必要的[4]。

就國內外已有研究成果來看，關于地聚物混凝土的抗碳化性能的研究較少，制備原材料的不同對于地聚物混凝土抗碳化耐久性能影響較大。Al-Otaibi[5]等人系統(tǒng)研究了硅酸鹽水泥和堿礦渣水泥的碳化，發(fā)現(xiàn)堿礦渣水泥的碳化深度比硅酸鹽水泥大；Bakharev[6]等將堿激發(fā)礦渣和普通硅酸鹽水泥暴露在20 %二氧化碳濃度70 %濕度的環(huán)境中，結果表明堿激發(fā)礦渣混凝土的碳化深度大于普通硅酸鹽混凝土。而胡澤英[7]將以礦渣和偏高嶺土為膠凝材料制備的無機礦物聚合物混凝土及普通硅酸鹽水泥混凝土在同等條件下進行了快速碳化試驗，結果表明在各個測試齡期內礦渣基地聚物混凝土碳化深度均小于普通硅酸鹽水泥混凝土；黃琪[8]等用Na+、K+離子遷移數(shù)量對比研究了粉煤灰基地質聚合物及普通混凝土抗碳化性能，得到粉煤灰地質聚合物混凝土抗碳化性能較好的結論。即便針對于粉煤灰基地聚物混凝土而言，粉煤灰的選取對其碳化耐久性亦有較大影響。Badar[9]等經過快速碳化試驗研究發(fā)現(xiàn)，低鈣體系粉煤灰基地質聚合物比高鈣粉煤灰基地質聚合物擁有較好的耐鋼筋銹蝕優(yōu)勢(抵御碳化侵蝕的能力)。

本文針對不同礦渣摻量的粉煤灰基地聚物混凝土進行快速碳化試驗研究，通過測定碳化前后不同齡期抗折、抗壓強度、碳化深度、pH值等來反映其快速碳化效果，由此來探索粉煤灰基地聚物混凝土的抗碳化性能。

1 抗碳化耐久性試驗

1.1 試驗原料

1.1.1 粉煤灰、礦渣

粉煤灰(FA)采用四川省成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司制備的I級粉煤灰，45 μm微米篩篩余為7.5 %，燒失量2.3 %；礦渣(SL)45微米篩篩余為7.4 %，燒失量為0.1 %。粉煤灰、礦渣的化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰、礦渣水玻璃溶液和氫氧化鈉溶液化學成分 %

1.1.2 堿激發(fā)劑

堿激發(fā)劑采用水玻璃(Na2SiO3)與氫氧化鈉(NaOH)的復合激發(fā)劑，其模數(shù)為1.36。水玻璃產自廣東佛山科凝新材料科技有限公司，為無色黏稠液體，模數(shù)為2.43。試驗中通過加入氫氧化鈉溶液調節(jié)水玻璃模數(shù)。氫氧化鈉產自四川成都科龍化工試劑廠，為純度不低于98.0 %的固態(tài)圓形顆粒，通過加入城市自來水配置成12 mol/L的氫氧化鈉溶液。水玻璃溶液(SS)和氫氧化鈉溶液(SH)的化學成分如表1所示。

1.1.3 集料

粗集料采用5～10 mm連續(xù)級配碎石，細集料采用Ⅱ區(qū)中粗機制砂。

1.2 試件制作

考慮到粉煤灰基地聚物混凝土如采用標準養(yǎng)護程序，其強度發(fā)展十分緩慢，通常將礦渣與粉煤灰復摻制備復合膠凝材料，可以縮短地聚物凝結時間并提高強度[10-11]。本試驗分別制作了粉煤灰、礦渣質量比為9∶1(GPC-10)、7∶3(GPC-30)、5∶5(GPC-50)的三種試件，試件大小為40 mm×40 mm×160 mm，配合比如表2所示。

表2 地聚物混凝土配合比設計 kg/m3

1.3 快速碳化試驗

參考規(guī)范GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》及CR 12793-1997《硬質混凝土碳酸化深度測量》，進行快速碳化試驗。碳化箱條件設定為二氧化碳濃度3 %，相對濕度(70±5)%，溫度(20±2)℃；分別選取三個配比養(yǎng)護至28 d、84 d齡期時試件進行快速碳化試驗，碳化測試時間設定為3 d、7 d、14 d以及28 d。達到碳化時間時每組各取3個試件進行混凝土抗折試驗，折斷后在斷面上噴灑濃度為1 %的酚酞酒精溶液，30 s后使用鋼尺測量各測點碳化深度。測得碳化深度后，沿澆筑側面切割約5 mm厚度的薄片，并研磨至粉末狀。將粉末倒入25 mL小燒杯中，加入水固比約為1∶3的蒸餾水并攪拌成糊狀，使用pH計測試其pH值，待pH計顯示穩(wěn)定后讀取數(shù)值。

2 結果與分析

2.1 礦渣摻量對于混凝土強度的影響

抗折、抗壓強度作為混凝土的基本力學性能指標，其對于評價混凝土結構穩(wěn)定性及安全性有著重要影響。不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土抗折、抗壓強度發(fā)展如圖1所示(圖示A、B段區(qū)域為快速碳化試驗對應的正常標準養(yǎng)護齡期段)。由圖1可知，隨著礦渣摻量的增加，粉煤灰基地聚物混凝土早期強度發(fā)展及最終強度均得到了較大的提升。在標養(yǎng)條件下，各配方地聚物混凝土7 d抗壓強度可達到最大抗壓強度61 %以上，抗折強度可達最大抗折強度77 %以上；14 d齡期試件抗壓強度可達到最大抗壓強度76 %以上，抗折強度可達最大抗折強度81 %以上。在各個齡期，各配方地聚物混凝土抗折抗壓強度均有GPC-50>GPC-30>GPC-10，即粉煤灰基地聚物混凝土抗折抗壓強度隨著礦渣摻量的增大而增大。但值得注意的是，在相同養(yǎng)護條件下GPC-50養(yǎng)護至14 d即可達最大抗壓強度，而GPC-10配方地聚物混凝土養(yǎng)護至14 d后，抗壓強度依然緩慢增長，直至112 d時抗壓強度仍有增長趨勢。

(a)抗壓強度發(fā)展經時曲線

(b)抗折強度發(fā)展經時曲線圖1 不同礦渣摻量地聚物混凝土抗壓抗折強度發(fā)展經時曲線

2.2 碳化對混凝土強度的影響

如圖2所示，分別取養(yǎng)護至28 d及84 d齡期時，不同礦渣摻量地聚物混凝土試件進行快速碳化試驗，并測得在碳化3 d、7 d、14 d、28 d等不同碳化時間時各配方地聚物混凝土碳化后抗折抗壓強度。結果表明，當?shù)鼐畚锘炷琳ｐB(yǎng)護至28 d時見圖2(a)，隨碳化齡期的增加，碳化作用對于混凝土強度的增長逐漸增加，GPC-10碳化28d抗壓強度增長了8.8 %，碳化42 d抗壓強度增長了14.8 %，并依舊有一定的增長趨勢，GPC-30碳化后抗壓強度變化類似于GPC-10，即便抗壓強度的增長速率隨碳化齡期的增加而下降的GPC-50配方地聚物混凝土，其碳化42 d齡期時，抗壓強度亦增長了10.5 %；當?shù)鼐畚锘炷琳ｐB(yǎng)護至84 d時見圖2(c)，隨碳化齡期的增加，碳化作用對于混凝土強度的增強作用反而有所降低，以GPC-10為例，相比碳化作用對于地聚物混凝土抗壓強度帶來的積極影響，碳化齡期對于其強度的增加反而不明顯，GPC-10及GPC-30配方地聚物混凝土在碳化3 d時，抗壓強度增長量均在10.5 %以上，反而在碳化至28 d時，其碳化后抗壓強度與標養(yǎng)條件下對應試件抗壓強度相比，幾近沒有變化，即使抗壓強度增加較多的GPC-50配方地聚物混凝土，抗壓強度也只增長了6.2 %。

(a)A1標養(yǎng)28d時不同碳化齡期地聚物抗壓強度

(b)A2標養(yǎng)28d時不同碳化齡期地聚物抗折強度

(c)B1標養(yǎng)84d時不同碳化齡期地聚物抗壓強度

(d)B2標養(yǎng)84d時不同碳化齡期地聚物抗折強度圖2 地聚物混凝土不同碳化時間抗壓抗折強度發(fā)展經時曲線

但對于地聚物混凝土抗折強度而言，碳化對其影響有所不同。如圖2(b)、圖2(d)所示，對于GPC-50配方地聚物混凝土，無論碳化齡期還是碳化作用對其抗折強度影響均十分有限，其抗折強度隨碳化作用及碳化齡期的增長或降低均穩(wěn)定在±6.5 %以內；但隨著礦渣摻量的降低，地聚物混凝土抗折強度會隨著碳化齡期的增加出現(xiàn)先減小后增大直至正常養(yǎng)護條件下抗折強度的趨勢，且礦渣摻量越低，養(yǎng)護時間越短，這種趨勢越明顯。以GPC-10配方地聚物混凝土為例，對于標養(yǎng)28 d試件，其在碳化時于碳化齡期為14 d時，抗折強度降低最大，抗折強度降低幅度達34.0 %，而對于標養(yǎng)84 d試件，其在碳化時于碳化齡期為7 d時，抗折強度降低最大，抗折強度降低幅度達16.4 %，相比養(yǎng)護時間較短試件，抗折強度降低幅度降低且降幅最大峰值提前，從側面反映出養(yǎng)護時間對于地聚物混凝土抗碳化具有一定的積極影響。

2.3 碳化齡期及養(yǎng)護齡期對于混凝土碳化深度的影響

如表3、圖3所示，分別于碳化齡期為3 d、7 d、14 d及28 d時選取不同養(yǎng)護齡期不同礦渣摻量地聚物混凝土試件進行碳化深度測定，并采用冪函數(shù)，對所得碳化深度-x與碳化時間-t進行回歸分析，得到圖示各配方地聚物混凝土碳化深度隨時間變化趨勢。由表3可知，系數(shù)k隨著礦渣摻量的上升而下降，表明隨礦渣摻量的增大可增強粉煤灰即地聚物混凝土的抗碳化耐久性，并且由擬合結果相關性系數(shù)較大可知，回歸分析結果具有較高可靠性。

圖3 混凝土碳化深度經時曲線

表3 碳化深度與回歸分析

圖4 CO2擴散系數(shù)與碳化齡期關系

2.4 碳化齡期對于混凝土表面pH值的影響

研究表明，當混凝土內部鋼筋周圍環(huán)境的pH值下降至11.5及以下時，鋼筋表面鈍化膜發(fā)生破壞，鋼筋開始銹蝕，直至pH值下降至9.88時，鋼筋表面鈍化膜完全消失，混凝土保護層失效[8]。本文測試了各不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土，標準養(yǎng)護至28 d齡期試件在快速碳化不同齡期時混凝土表面PH值，結果如圖5所示。結果表明，隨快速碳化齡期的增加，各混凝土試件早期pH值呈線性下降，GPC-10配方地聚物混凝土在7～14 d時，混凝土表面pH值即下降至11.5以下，碳化42 d后，pH值降低至混凝土保護層完全失效臨界值，此時GPC-10配方地聚物混凝土表面pH值僅有10.1。相對而言，在快速碳化過程中，GPC-30及GPC-50配方地聚物混凝土PH值下降較慢，但亦在快速碳化28～42 d之內，pH值降低至11.5以下。參照各不同礦渣摻量地聚物混凝土抗壓強度及碳化深度隨碳化齡期可得，粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化耐久性會隨著礦渣摻量的增加而增大，即有各配方地聚物混凝土抗碳化耐久性存在如下關系：GPC-50>GPC-30>GPC-10。

圖5 混凝土表面pH值與碳化齡期關系

3 結論

本文設計了10 %、30 %、50 %三種不同礦渣摻量地聚物混凝土配合比方案，通過研究其在標準養(yǎng)護及加速碳化條件下抗壓抗折強度、碳化深度及表面pH值的變化，得出以下結論：

(1) 礦渣的摻入可大幅提升粉煤灰基地聚物混凝土早期強度發(fā)展。當?shù)V渣摻量在50 %時，地聚物混凝土可在14 d內養(yǎng)護得到其最大抗壓強度；當?shù)V渣摻量在30 %及以下時，地聚物混凝土養(yǎng)護28 d后，抗壓強度依然緩慢增長，直至112 d時抗壓強度仍有一定增長趨勢。

(2)碳化會增強粉煤灰基地聚物混凝土抗壓強度，但隨著養(yǎng)護時間的增長，碳化對于地聚物混凝土抗壓強度的增強作用會逐漸減弱。對于標準養(yǎng)護齡期較短試件(標養(yǎng)28 d)，碳化齡期是影響混凝土抗壓強度的主要因素；對于標準養(yǎng)護齡期較長試件(標養(yǎng)84 d)，當?shù)V渣摻量在30 %及以下時，碳化對于混凝土抗壓強度的增強在碳化齡期較早時更加明顯，但隨著養(yǎng)護齡期的增加，碳化作用及碳化齡期對于抗壓強度的增強作用均逐漸降低。

(3)碳化會使得地聚物混凝土抗折強度會隨碳化齡期的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且礦渣摻量越低，養(yǎng)護時間越短，這種趨勢越明顯。

(4)對于粉煤灰基地聚物混凝土而言，其抗碳化耐久性會隨著礦渣摻量的增加而增大，CO2擴散系數(shù)及碳化深度均隨礦渣摻量的增加而減小，并與快速碳化齡期成線性函數(shù)關系。