溫濕度對(duì)油菜秸稈混凝土抗碳化性影響試驗(yàn)研究

劉巧玲 張文俊

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410125）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的研究主要有涉及鋼纖維增強(qiáng)混凝土[1-3]，合成纖維增強(qiáng)混凝土[4-5]，植物纖維增強(qiáng)混凝土[6-10]方面，前兩類研究理論較為成熟，而植物纖維增強(qiáng)混凝土研究起步較晚，部分學(xué)者對(duì)油菜秸稈混凝土進(jìn)行了力學(xué)性能、保溫性能等方面的深入研究，但對(duì)其耐久性研究較淺[7-10]。耐久性是評(píng)價(jià)混凝土使用壽命的重要指標(biāo)，而碳化是影響混凝土耐久性的重要因素。碳化會(huì)降低混凝土堿度，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，最終使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱甚至消失，致使混凝土構(gòu)件在工程長(zhǎng)期服役過(guò)程中失效[11-13]。

以環(huán)境溫濕度為變量設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試油菜秸稈纖維混凝土試件的碳化深度，探究溫濕度對(duì)混凝土抗碳化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 油菜秸稈纖維的前期處理

采用湖南某大學(xué)耘園油菜基地距地表200 mm以上的油菜秸稈，洗凈后放烘箱以85 ℃烘4 h，冷卻后去掉秸稈海綿狀芯體，再將秸稈表皮纖維處理成15～20 mm的長(zhǎng)度，并用2%的NaOH溶液浸泡處理[14-15]，洗凈后烘干制得秸稈纖維（表觀密度為0.34 g/cm3）。

1.2 試件制作及試驗(yàn)

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa的世立牌快硬硫鋁酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.47的河砂；粗骨料為不同單粒徑卵石、碎石混合使用[16]，其粒徑范圍介于9.50～16.00 mm、20.00～26.50 mm的為碎石，粒徑范圍介于2.36～4.75 mm、4.75～10 mm的為卵石（如表1所示）；減水率為20%的萘系減水劑，硅灰（四川朗天牌）等量替代水泥。按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）要求，制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體非標(biāo)準(zhǔn)油菜秸稈混凝土試件（如圖1所示），置于CCB-70W混凝土碳化試驗(yàn)箱（如圖2所示）進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。密封碳化箱，設(shè)定CO2濃度為20%，同時(shí)按試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)相對(duì)濕度和溫度，開(kāi)動(dòng)氣體對(duì)流裝置，充入CO2，逐步調(diào)節(jié)CO2流量，使箱內(nèi)CO2濃度達(dá)到設(shè)定條件并處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后開(kāi)始計(jì)時(shí)。用游標(biāo)卡尺（測(cè)量精度為0.1 mm）測(cè)量混凝土試件養(yǎng)護(hù)3d后的碳化深度，取組內(nèi)平均碳化深度作為本組的代表值。

表1 粗骨料級(jí)配表

圖1 畫(huà)線和封蠟處理后的試件

圖2 CCB-70W混凝土碳化試驗(yàn)箱

1.3 碳化試驗(yàn)

設(shè)計(jì)完全試驗(yàn)，在水灰比為0.45，秸稈纖維體積摻量為0.5%，秸稈纖維長(zhǎng)度區(qū)間為15～20 mm的條件下，以溫度和相對(duì)濕度為變量，探究環(huán)境因素對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土抗碳化性能的影響。溫度分別設(shè)置10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃，相對(duì)濕度分別設(shè)置40%、50%、60%、70%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)16組試件，每組3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體非標(biāo)準(zhǔn)試件，共48個(gè)，用于測(cè)試試件碳化深度。設(shè)計(jì)試件編號(hào)為“E-R-S”，“E”表示環(huán)境（Environment），“R”代表相對(duì)濕度條件編號(hào)（4、5、6、7），“S”代表溫度條件編號(hào)（1、2、3、4），具體如表2所示?；炷敛牧嫌昧坑?jì)算結(jié)果詳如表3所示。

表2 試驗(yàn)組編號(hào)

表3 混凝土材料用量信息

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)得各試驗(yàn)條件下，3天碳化深度值如表4所示，由表4可知，在CO2濃度一定的條件下，不同的溫度和相對(duì)濕度組合對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土的碳化深度有不同的影響。其中，相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響如圖3所示，溫度對(duì)碳化深度的影響如圖4所示。

表4 各試驗(yàn)條件下3天碳化深度值

由圖3可以看出，相對(duì)濕度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著相對(duì)濕度的不斷上升，碳化深度呈線性增長(zhǎng)。由圖4可以看出，溫度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著溫度的不斷上升，碳化深度亦呈線性增長(zhǎng)。

對(duì)比圖3和圖4可知，當(dāng)相對(duì)濕度保持40%，溫度從10℃上升到40℃時(shí)，碳化深度加深了約155.75%；當(dāng)溫度保持在10℃，相對(duì)濕度從40%上升到70%時(shí)，碳化深度加深了約97.64%。由此可以看出，溫度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響大于相對(duì)濕度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響。

圖3 相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響

圖4 溫度對(duì)碳化深度的影響

已有研究表明，對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，溫度和相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響較大，碳化深度隨著溫度的上升而加深，隨著相對(duì)濕度的增大而降低。此次試驗(yàn)結(jié)果與普通混凝土研究結(jié)果相比，溫度對(duì)碳化深度的影響趨勢(shì)相同，而相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響規(guī)律與普通混凝土有所不同。原因在于，溫度對(duì)混凝土碳化深度的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境溫度的升高加速了CO2的擴(kuò)散，可碳化物質(zhì)的遷移速度也相應(yīng)提高，混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)速率提高，油菜秸稈基纖維混凝土也一樣。對(duì)相對(duì)濕度來(lái)說(shuō)，碳化結(jié)果主要受兩方面影響。一方面，相對(duì)濕度增大，混凝土內(nèi)部的孔隙水飽和度增大，且混凝土碳化過(guò)程中會(huì)釋放水，混凝土內(nèi)部孔隙水增多阻礙了CO2的擴(kuò)散，使混凝土碳化速度降低；另一方面，秸稈纖維吸濕性能很強(qiáng)，能吸收漿體中部分水分，使混凝土內(nèi)部的孔隙水飽和度降低，孔隙率增大，同時(shí)秸稈纖維自身存在較多孔洞縫隙，漿體硬化過(guò)程中的水化產(chǎn)物會(huì)進(jìn)行流動(dòng)填充，致使混凝土漿體孔隙率增大，促進(jìn)了CO2的擴(kuò)散，且該促進(jìn)作用大于前面所述的阻礙作用，故總體呈現(xiàn)出混凝土碳化速度隨相對(duì)濕度增大而加快的規(guī)律。

3 結(jié)論與展望

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)濕度和溫度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著相對(duì)濕度和溫度的上升，油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度呈線性增長(zhǎng)，且溫度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響大于相對(duì)濕度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響。

本次試驗(yàn)研究結(jié)果中溫度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響，與溫度對(duì)普通混凝土碳化深度的影響趨勢(shì)相同，而相對(duì)濕度對(duì)油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響規(guī)律與對(duì)普通混凝土不同，但鑒于本課題組前期已有研究，油菜秸稈混凝土的保溫性明顯優(yōu)于普通混凝土，故可考慮在低溫干燥地區(qū)使用該材料建造建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

上述試驗(yàn)中，溫度和相對(duì)濕度設(shè)定條件分別為10 ℃、20℃、30 ℃、40 ℃和40%、50%、60%、70%，若要得出更精準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果，還需將溫度與相對(duì)濕度條件的梯度縮小、范圍擴(kuò)大，探究油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度與溫度、相對(duì)濕度是否滿足線性關(guān)系。且針對(duì)基準(zhǔn)條件水灰比、秸稈纖維長(zhǎng)度及摻量不同時(shí)，溫度和相對(duì)濕度對(duì)碳化深度的影響是否會(huì)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，還有待進(jìn)一步研究。另外，影響油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的因素有很多，除本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的溫度、相對(duì)濕度因素外，還有水泥品種、骨料質(zhì)量、骨料級(jí)配、外加劑品種應(yīng)力、CO2濃度等，后續(xù)可在本試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善油菜秸稈基纖維混凝土的抗碳化性能研究。