活性摻合料對(duì)混凝土抗碳化性能影響的研究

王藝霖,王順堯,劉巧玲

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101)

0 引 言

碳化是造成混凝土耐久性能劣化的主要因素之一，與之相關(guān)的研究正在不斷深化[1-3]。目前在實(shí)際工程中廣泛采用摻入活性摻和料(礦粉、粉煤灰、硅灰等)的高性能混凝土以滿足日益提高的耐久性能要求。活性摻和料能在改善混凝土孔隙與界面結(jié)構(gòu)的同時(shí)參與水化反應(yīng)，提高混凝土密實(shí)性，增加CO2和水分的滲入難度。相關(guān)學(xué)者對(duì)高性能混凝土的碳化機(jī)理與規(guī)律進(jìn)行了專題研究:如容志剛等[4]的研究表明,單摻礦粉及復(fù)摻粉煤灰和礦粉都能有效地減小混凝土的碳化深度；徐飛[5]針對(duì)復(fù)摻礦粉和粉煤灰的情況提出了抗碳化性能的定量設(shè)計(jì)方法；伏程紅等[6]發(fā)現(xiàn)高摻量的礦渣-粉煤灰基混凝土具有良好的抗碳化性能；楊益等[7]給出了影響復(fù)摻礦粉和粉煤灰的再生混凝土碳化深度的主要因素及其主次順序。

為進(jìn)一步提升混凝土的抗碳化性能，可在確保漿體流動(dòng)性的同時(shí)摻入減水劑，以提高水泥石密實(shí)度。減水劑的效果主要由兩方面決定：吸附效率和其在膠凝材料顆粒上的穩(wěn)定能力(靜電斥力和空間位阻作用)。同時(shí)減水劑還能引入均勻且封閉的小氣泡，這些小氣泡在外界CO2及水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的路徑上起到阻礙作用。常用的減水劑包括聚羧酸系、萘系、脂肪族高效減水劑(SAF)等。彭華娟等[8]研究了同時(shí)摻入粉煤灰及聚羧酸減水劑的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰和聚羧酸減水劑的摻量分別為膠凝材料的30%及1.2%時(shí)，混凝土抗碳化性能最佳。張愷等[9]研究了粉煤灰、礦粉、聚羧酸減水劑摻量對(duì)水工混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聚羧酸減水劑摻量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的混凝土具有最強(qiáng)的抗碳化性能。在減水劑摻量相同時(shí)，粉煤灰摻量越低且礦粉摻量越多的混凝土具有越強(qiáng)的抗碳化性能。趙晶等[10]的研究表明，聚羧酸減水劑的摻入能提高活性摻合料混凝土的抗碳化性能及抗氯離子滲透性能。

值得注意的是，張燕梅[11]對(duì)摻不同種類減水劑混凝土進(jìn)行效果對(duì)比，研究表明，單摻SAF的混凝土試樣抗碳化性能最好。這是因?yàn)镾AF是線性縮聚物，主要原料為甲醛、丙酮、亞硫酸鹽，能降低膠凝材料顆粒表面的動(dòng)電電位，具有良好的靜電分散效果。

但目前針對(duì)摻SAF混凝土在復(fù)摻礦粉、粉煤灰情況下的抗碳化性能還有待深入研究。為了給SAF混凝土的耐久性分析與設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，本文將研究兩種強(qiáng)度等級(jí)(C30和C45)、兩種齡期(28 d和120 d)、七種不同的復(fù)摻比例，通過試驗(yàn)研究來建立對(duì)其抗碳化性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉：山東齊河永通實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉；粉煤灰：山東鄒縣電廠的I級(jí)高鈣粉煤灰。水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)分別如表1和表2所示。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 水泥、粉煤灰和礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)

粗細(xì)骨料：細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的河砂；粗骨料為粒徑5～31.5 mm的碎石，壓碎值為13.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；骨料級(jí)配均符合JGJ 52—2006的要求。

水：自來水。

減水劑：山東華迪建筑科技有限公司生產(chǎn)的BF脂肪族減水劑。

選定混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30和C45,坍落度控制指標(biāo)為190～220 mm，對(duì)各強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件設(shè)計(jì)7種配合比(分別編號(hào)A～G)，如表3所示。

表3 C30和C45混凝土試件的配合比

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)各配合比的混凝土采用Jzjie混凝土碳化試驗(yàn)箱在兩個(gè)齡期(28 d和120 d)進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn)[12]。共制作28組尺寸的100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件(見圖1)。為實(shí)現(xiàn)單向碳化，對(duì)各試件的四個(gè)表面進(jìn)行封蠟處理，只保留兩個(gè)相對(duì)的表面(見圖2)。

圖2 試件封蠟

碳化箱內(nèi)的CO2濃度為(20±3)%(體積分?jǐn)?shù))，溫度為(20±2) ℃。每個(gè)試件的加速碳化時(shí)間為3 d，然后取出劈開并噴涂1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的酚酞酒精溶液來測(cè)定碳化深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

測(cè)定各編號(hào)混凝土試件的28 d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。C30混凝土試件的強(qiáng)度平均值為39.32 MPa,C45混凝土試件的強(qiáng)度平均值為53.86 MPa。可見，實(shí)測(cè)強(qiáng)度均達(dá)到了預(yù)期強(qiáng)度。圖4為混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關(guān)系。由圖4可知，兩種不同等級(jí)強(qiáng)度混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。

圖3 混凝土試件的28 d抗壓強(qiáng)度

圖4 混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關(guān)系

2.2 碳化深度

(1)不同齡期和強(qiáng)度等級(jí)SAF混凝土試件的碳化深度

混凝土試件的28 d碳化深度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。其中，C30各組試件的3 d平均碳化深度為7.73 mm；C45各組試件的3 d平均碳化深度為4.37 mm。由圖5可知，C45混凝土28 d的碳化深度明顯小于C30混凝土，這是由于C30混凝土的水膠比為0.41和0.40，C45混凝土的水膠比僅為0.34和0.33。水膠比越小，則混凝土內(nèi)部的孔隙率越小、孔徑越細(xì)，越能減緩CO2及水分通過混凝土的毛細(xì)組織或孔隙通道由表及里地向內(nèi)擴(kuò)散，表現(xiàn)為碳化深度越小。

圖5 混凝土試件的28 d碳化深度

混凝土試件的120 d碳化深度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。其中，C30各組試件的3 d平均碳化深度為6.84 mm；C45各組試件的3 d平均碳化深度為3.44 mm。由圖6可知，隨著齡期的增長，混凝土的碳化深度明顯減小，這是因?yàn)楦L的齡期使膠凝材料的水化更加充分，同時(shí)粉煤灰的活性經(jīng)與礦粉相互激發(fā)后得到增強(qiáng)，對(duì)混凝土的后期密實(shí)度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，促進(jìn)了抗碳化能力的提高。

圖6 混凝土試件的120 d碳化深度

(2)碳化深度受礦粉和粉煤灰摻量比例變化的影響

由圖5、6可知，C45混凝土試件碳化深度的變化曲線比C30混凝土試件碳化深度的變化曲線更平滑，意味著當(dāng)混凝土等級(jí)較高時(shí)，其抗碳化性能受礦粉和粉煤灰摻量相對(duì)比例變化的影響會(huì)較小。這是因?yàn)镃30和C45混凝土各配合比中的礦粉與粉煤灰摻量之和均為170 kg/m3，但水泥摻量分別為230 kg/m3、300 kg/m3(見表3)。較多的水泥摻量意味著混凝土中會(huì)有較多的堿性產(chǎn)物Ca(OH)2，混凝土堿性與抗碳化性能受礦粉和粉煤灰摻量相對(duì)比例變化的影響程度會(huì)下降。因此當(dāng)?shù)V粉和粉煤灰摻量的相對(duì)比例變化時(shí)，C45混凝土試件對(duì)應(yīng)曲線的平滑程度要高于C30混凝土試件。

2.3 抗碳化性能的最優(yōu)配合比

C30、C45混凝土試件的碳化深度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關(guān)系分別如圖7、圖8所示。

28 d和120 d齡期試件的3 d碳化深度情況：按A～G的順序遞減，C30G、C45G的碳化深度分別最小，因此抗碳化性能的最優(yōu)配合比為C30G、C45G。結(jié)合圖7和圖8來看，抗碳化性能隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。當(dāng)?shù)V粉摻量與膠凝材料總質(zhì)量之比分別達(dá)到37.5%和31.9%時(shí)，C30和C45混凝土的抗碳化性能達(dá)到最佳。

圖7 C30混凝土28 d和120 d的碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例的關(guān)系

碳化是混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)Ca(OH)2與外界滲入的CO2及水分發(fā)生反應(yīng)的過程，因此可從內(nèi)、外兩方面來分析礦粉和粉煤灰摻量的影響。根據(jù)表3可知，C30和C45混凝土試件中礦粉與粉煤灰的總摻量均一致，因此重點(diǎn)分析二者相對(duì)摻量不同時(shí)的影響規(guī)律。

圖8 C45混凝土在28 d和120 d齡期的碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例的關(guān)系

礦粉和粉煤灰均含有較多Ca、Si、Al、氧化物等活性物質(zhì)，會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)(火山灰反應(yīng))。但礦粉的比表面積大于粉煤灰顆粒，且具有較高的活性物質(zhì)玻璃體含量，會(huì)發(fā)生遇堿的玻璃體解聚反應(yīng)及遇水泥中石膏的活性釋放反應(yīng)，使礦粉火山灰反應(yīng)的進(jìn)行程度大于粉煤灰[13]。在單摻數(shù)量相同時(shí)，礦粉能產(chǎn)生更多的水化硅酸鈣產(chǎn)物[14]。因此，礦粉的摻量比例越大，會(huì)生成越多的C-S-H凝膠，更好地填充水泥石孔隙(尤其是直徑d≥50 nm的連通孔)，改善孔結(jié)構(gòu)并增加密實(shí)性，同時(shí)也能增強(qiáng)漿體與骨料的膠凝性能，改善水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu)，降低界面過渡層的孔隙率。

部分未參與火山灰反應(yīng)的礦粉和粉煤灰顆粒由于平均粒徑小于水泥，均能對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生二級(jí)填充效應(yīng)，并促進(jìn)水泥顆粒的分散，提高水泥水化反應(yīng)的充分性，減少水泥初期水化物的相互搭接，從而提高水泥石密實(shí)度[15]。但礦粉的比表面積比粉煤灰顆粒更大，顆粒粒徑更微小(10 μm左右)，能更好地起到微骨料作用，對(duì)水泥石中微孔隙狀況的改善效果更加明顯和均勻，對(duì)CO2及水分滲入的阻礙效果更好。此外，若未參與火山灰反應(yīng)的粉煤灰顆粒過多，可能會(huì)覆蓋在漿體周圍界面，影響水泥石內(nèi)部微孔隙的填充效果，甚至?xí)?dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松化，增加初始微裂隙。

因此綜合來看，在總摻量一致的情況下，粉煤灰摻量越低，礦粉摻量越高，則越有利于提高SAF混凝土的抗碳化性能。

由于混凝土內(nèi)部的密實(shí)度與孔結(jié)構(gòu)也反映于外在的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)這一機(jī)理分析，C30G、C45G試件的抗壓強(qiáng)度也應(yīng)該是同級(jí)最高的，這與圖3的試驗(yàn)結(jié)果完全一致。

2.4 碳化深度隨齡期增長的衰減幅度與粉煤灰摻量比例之間的關(guān)系

C30、C45混凝土試件在28 d和120 d齡期的碳化深度差值與粉煤灰摻量比例的關(guān)系如圖9所示。

圖9 混凝土試件在28 d和120 d齡期的碳化深度差值與粉煤灰比例的關(guān)系

由圖9可知，當(dāng)齡期從28 d增加到120 d時(shí)，C30、C45混凝土試件的碳化深度下降值均隨粉煤灰摻量比例的下降而減小。這是因?yàn)榉勖夯业幕钚园l(fā)揮晚于礦粉。隨齡期增長，粉煤灰會(huì)促進(jìn)混凝土后期密實(shí)度及抗碳化性能的提升。因此當(dāng)齡期增加時(shí)，粉煤灰摻量比例較大的試件其抗碳化性能的提高幅度較大，對(duì)應(yīng)于碳化深度的下降幅度也較大。

2.5 碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量占膠凝材料總質(zhì)量比例之間的定量關(guān)系

令混凝土碳化深度為y，mm；礦粉摻量占膠凝材料總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x1，%；粉煤灰摻量占膠凝材料總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x2，%。則根據(jù)表3可知：對(duì)C30混凝土，x1+x2=42.5%；對(duì)C45混凝土，x1+x2=36.2%。

下面選取x1為自變量，y為因變量，考察定量關(guān)系。

(1)C30混凝土碳化深度y與礦粉摻量比例x1的關(guān)系

圖10為C30混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關(guān)系。根據(jù)圖10可建立C30混凝土在28 d和120 d齡期y與x1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系分別如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

(2)C45混凝土碳化深度y與礦粉摻量比例x1的關(guān)系

圖11為C45混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關(guān)系。根據(jù)圖11可建立C45混凝土在28 d和120 d齡期y與x1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系分別如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

圖10 C30混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關(guān)系

圖11 C45混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文對(duì)SAF混凝土所摻質(zhì)量分別占膠凝材料總質(zhì)量3.15%和4%的C30、C45混凝土進(jìn)行了復(fù)摻礦粉、粉煤灰(總的質(zhì)量摻量占膠凝材料總質(zhì)量之比分別為42.5%和36.2%)下28 d和120 d齡期的抗碳化性能試驗(yàn)，總結(jié)了強(qiáng)度等級(jí)、齡期、礦粉/粉煤灰復(fù)摻比例對(duì)SAF混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：

(1)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與抗碳化性能主要取決于水泥石的微觀結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)的特征。降低水膠比、延長養(yǎng)護(hù)齡期都會(huì)使同等條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度提高、抗碳化能力增強(qiáng)。

(2)混凝土試件的抗碳化性能隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。C30、C45混凝土抗碳化性能的最優(yōu)配合比分別為C30G(礦粉摻量占膠凝材料總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5%)、C45G(礦粉摻量占膠凝材料總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.9%)。

(3)粉煤灰摻量比例較大的SAF混凝土，碳化深度隨齡期增加時(shí)的下降幅度也較大。

(4)低強(qiáng)度SAF混凝土的抗碳化性能受礦粉/粉煤灰摻量相對(duì)比例變化的影響程度要大于高強(qiáng)度SAF混凝土。

此外，本文建立了混凝土碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例之間的回歸模型，為SAF混凝土抗碳化性能的分析與設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)支撐。