吳艷青
(山東華森興隆混凝土有限公司,山東 濟(jì)南 250000)
混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、最為常見的。眾所周知,鋼筋混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料,然而,在荷載和環(huán)境等因素作用下,仍然存在材料老化、腐蝕,以及由此引起的結(jié)構(gòu)性能劣化等問題。在一般大氣環(huán)境條件下,混凝土碳化是鋼筋銹蝕的重要前提。鋼筋不斷地銹蝕促使混凝土保護(hù)層開裂,產(chǎn)生沿筋裂縫和剝落,進(jìn)而導(dǎo)致粘結(jié)力減小、鋼筋受力面積減小、結(jié)構(gòu)耐久性和承載力降低等一系列不良后果。因此,進(jìn)行混凝土碳化研究,無論是對(duì)既有建筑物的耐久性評(píng)定、維修加固還是對(duì)建筑物的耐久性設(shè)計(jì)均有重要意義[1-2]。
混凝土碳化主要是指空氣中的 CO2等酸性氣體與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),造成混凝土堿性下降和混凝土中化學(xué)成分改變的中性化反應(yīng)過程,可碳化物質(zhì)是在水泥水化過程中產(chǎn)生的,主要是氫氧化鈣(Ca(OH)2),此外還有水化硅酸鈣(CaO·32SiO2·3H2O),未發(fā)生水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣在有水分的條件下也能參與碳化反應(yīng)[3]。
本文主要研究了普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度隨水灰比、試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)齡期、粉煤灰摻量的變化規(guī)律;同時(shí)利用 SEM 對(duì)其進(jìn)行微觀分析。
普通硅酸鹽水泥(P·O42.5),山東濟(jì)南山水水泥集團(tuán);Ⅱ級(jí)粉煤灰,山東濟(jì)南黃臺(tái)電廠;砂:濟(jì)南市郊,細(xì)度模數(shù) 2.85,含泥量 1.4%,級(jí)配良好;石子:5~31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石,級(jí)配良好,濟(jì)南市郊;外加劑:聚羧酸系高性能減水劑,山東建筑科學(xué)研究院。普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表 1。
表 1 普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %
將新拌混凝土加入 150mm×150mm×150mm 試模中進(jìn)行成型,在溫度 (20±5)℃、相對(duì)濕度 (90±2)%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)至 24h 后脫模,脫模后放入(20±3)℃ 水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定碳化齡期后取出,放入溫度(60±2)℃ 的干燥箱中烘干 48 小時(shí),然后留成型的兩個(gè)上下面,其余的各面用石蠟密封完好,放入標(biāo)準(zhǔn)碳化箱中進(jìn)行碳化,碳化至 3d、7d、14d、28d,從碳化箱中取出,用壓力機(jī)把試塊沿未涂石蠟的側(cè)面從中間劈開,滴加 1% 酒精酚酞溶液,30s 后以每各 10mm 讀取碳化深度,并三個(gè)試塊取平均作為碳化深度試驗(yàn)結(jié)果。
本試驗(yàn)分兩種方案進(jìn)行,各組混凝土配合比見表 2。第 1 種方案為水灰比分別為 0.48、0.44、0.40、0.36、0.32,粉煤灰摻量都為 30%,試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為 7d,試驗(yàn)序號(hào)為 A;第 2 種方案為粉煤灰摻量分別為 0、10%、20%、30%、40% 和 50%,水灰比都為0.36,試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為 7d,試驗(yàn)序號(hào)為 B。
水灰比對(duì)普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度的影響試驗(yàn)結(jié)果見表 3 和圖 1。
表 2 普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土配合比
表 3 水灰比對(duì)混凝土碳化深度的影響 mm
圖 1 水灰比對(duì)高性能混凝土碳化深度的影響
從圖 1 中可以看出:隨著水灰比的降低,其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土抗碳化能力提高;隨著碳化齡期的延長(zhǎng),其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的碳化深度增加,即水灰比越小,其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土抗碳化能力越強(qiáng),碳化時(shí)間越長(zhǎng)其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度越大。
主要原因是水灰比是影響普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要因素,水灰比越小,其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性越差,即內(nèi)部孔隙越多、大孔較多、小孔較少、未水化水泥顆粒多,等等,因此,CO2在其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內(nèi)部就越易擴(kuò)散,因而其高性能混凝土碳化性能下降。
粉煤灰摻量對(duì)普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化性能影響的試驗(yàn)研究結(jié)果見表 4 和圖 2。
從圖 2 可以看出:當(dāng)粉煤灰加入普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土后,其碳化深度先降低后增加,存在某一最佳摻量,即在 30% 摻量下其高性能混凝土碳化深度最低。
圖 2 粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土碳化深度的影響
本試驗(yàn)測(cè)試不摻粉煤灰和粉煤灰摻量為 30% 時(shí),分別標(biāo)養(yǎng) 7d 和 28d 后,各碳化齡期的混凝土碳化深度。結(jié)果見表 5 和圖 3。
表 5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土碳化深度的影響 mm
從圖 3 中可以看出:無論是否加入粉煤灰,普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化深度都隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而降低,特別是不加粉煤灰的普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土降低比較明顯。主要因?yàn)椋弘S著試件養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),混凝土漿體中水泥礦物顆粒水化比較充分,硅膠和鋁膠(水化產(chǎn)物)就多,內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到細(xì)化,高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。因此,CO2氣體向普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的阻力就越大,使其抗碳化性能增強(qiáng)。
圖 3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)高性能混凝土碳化深度的影響
圖 4、圖 5 分別是普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化前、完全碳化后的 SEM 分析。
從圖 4 和圖 5 中可以看出:普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化后,其內(nèi)部含有大量石膏、CaCO3、SiO2,還有少部分鋁膠存在,而水化產(chǎn)物(硅膠和鈣礬石)基本沒有;而普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土碳化后碳化前,其內(nèi)部中有大量水化產(chǎn)物(硅膠、鋁膠、鈣礬石等)的存在。這說明:普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土中的大部分水化產(chǎn)物都發(fā)生碳化,從而使普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土內(nèi)部堿性降低,同時(shí)使高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性降低,進(jìn)而導(dǎo)致其高性能混凝土各種性能(抗碳化性能等)的變化。
(1)隨著水灰比的升高,普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能降低。
(2)粉煤灰在一定摻量范圍內(nèi),使普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能提高,且存在其最佳摻量 30%。
(3)隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),其普通硅酸鹽水泥基高性能混凝土的抗碳化性能提高。
圖 4 混凝土碳化前 SEM-能譜分析