水工混凝土雙摻礦物摻合料抗碳化性能的試驗(yàn)分析

呂學(xué)良

(北票市南八家子水利服務(wù)站單位，遼寧 朝陽 122118)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯離子滲透、碳化等惡劣環(huán)境條件下的耐久性問題日趨突出，鈍化膜受侵蝕性介質(zhì)作用失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，從而造成鋼筋銹蝕、混凝土脫落甚至更大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。鋼筋銹蝕后的體積增大至原來的3倍，受四周混凝土的約束銹蝕產(chǎn)物體積增大將產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗膨脹力時(shí)就會(huì)沿順筋方向產(chǎn)生裂縫，混凝土保護(hù)層隨銹蝕產(chǎn)物的不斷增大加速剝落，并進(jìn)一步使得構(gòu)件有效截面面積的減小。此外，鋼筋銹蝕后的承載力和力學(xué)性能下降，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成嚴(yán)重影響[3]。

文章運(yùn)用加速碳化法，以粉煤灰和花崗巖石粉為例，研究了不同細(xì)度、不同摻量、不同礦物摻合料條件下的抗碳化性能，為節(jié)約自然資源實(shí)現(xiàn)粉煤灰、花崗巖石粉的再生利用提供一定借鑒。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過抗碳化性能試驗(yàn)研究相同荷載條件下不同摻合料的水工混凝土碳化機(jī)理，并探討了礦物摻合料摻量與混凝土抗碳化性能間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)水工混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)耐久性研究提供試驗(yàn)參考。

1.2 原材料與儀器

本試驗(yàn)所用的原材料及其摻量為：P·O 42.5水泥；細(xì)度0-150μm和0-80μm，摻量30%、20%、10%的花崗巖石粉；摻量30%、20%、10%的Ⅲ級(jí)粉煤灰；細(xì)度模數(shù)為2.68的河砂；連續(xù)級(jí)配，粒徑5-25mm的碎石；摻量為礦物摻合料和水泥總量0.6%的萘系高效減水劑；含20%蒸餾水的1%酚酞乙醇溶液。試驗(yàn)所用儀器設(shè)備有噴霧器、鋼尺、變色硅膠、CO2供氣裝置、氣體分析儀、碳化箱等，嚴(yán)格執(zhí)行《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)流程完成混凝土碳化試驗(yàn)操作。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康墓苍O(shè)計(jì)16組配合比，每組制作3個(gè)尺寸為100mm×100mm×300mm的試件，混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) mg/m3

2 結(jié)果與分析

采用冪函數(shù)d=α·xβ來曲線回歸分析混凝土碳化齡期與碳化深度之間的關(guān)系[4]，其中α、β為混凝土早期碳化性能和后期碳化速率影響系數(shù)，α值越大則越易被碳化，β值越大則碳化速率越快；d、x為混凝土的碳化深度，mm和碳化齡期，d。

2.1 粉煤灰組

粉煤灰組碳化結(jié)果，見表2。利用表2中的數(shù)據(jù)繪制碳化深度與碳化齡期的關(guān)系圖，粉煤灰組碳化數(shù)據(jù)分析，見圖1。在此基礎(chǔ)上擬合計(jì)算相關(guān)系數(shù)r和擬合曲線公式d=α·xβ，粉煤灰組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，見表3。

表2 粉煤灰組碳化結(jié)果 mm

圖1 粉煤灰組碳化數(shù)據(jù)分析

表3 粉煤灰組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

結(jié)合擬合公式，在荷載作用及養(yǎng)護(hù)條件保持不變的情況下，隨粉煤灰摻量的增加混凝土抗碳化性能不斷下降，即α值和β值呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性特征。從表2可以看出，摻粉煤灰組與基準(zhǔn)組相比，其早期抗碳化性能下降近50%，結(jié)合α值可知摻粉煤灰組的早期碳化難易程度基本相當(dāng)；混凝土碳化后期，從10%增大至20%時(shí)β值明顯增大即后期碳化速率顯著增加，從20%增大至30%時(shí)β值變化不明顯，即粉煤灰摻量的進(jìn)一步增加并未引起碳化速率的明顯變化。根據(jù)α值、β值和混凝土碳化深度整體數(shù)據(jù)，從20%增大至30%時(shí)混凝土的抗碳化性能整體比較穩(wěn)定。粉煤灰的摻入會(huì)降低抗碳化性能，從而加速鋼筋的銹蝕，但考慮到保護(hù)層厚度≥30mm，粉煤灰摻量≤30%時(shí)其最大碳化深度為保護(hù)層的1/3，加之實(shí)行的是加速碳化，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)受空氣溫濕度、CO2濃度等因素影響，在粉煤灰摻量≤30%情況下不會(huì)對(duì)混凝土抗碳化性能造成較大影響。

粉煤灰取代水泥降低了水泥熟料，必然會(huì)減少水化形成的Ca(OH)2，尤其是粉煤灰摻量較高時(shí)二次反應(yīng)中Ca(OH)2會(huì)被大量消耗，從而降低內(nèi)部的Ca(OH)2含量。粉煤灰所具有的活性難以彌補(bǔ)凝膠材料減少所引起的負(fù)面效應(yīng)，凝膠材料的減少會(huì)降低混凝土的密實(shí)性使其更易被CO2氣體侵入，與水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)使早期混凝土被碳化，這也是較基準(zhǔn)組摻粉煤灰組α值偏大的根本原因。此外，粉煤灰摻量的增加以及混凝土堿儲(chǔ)備的降低加速了二次水化反應(yīng)速率，大大縮短碳中和過程，這也是從10%增大至20%時(shí)后期碳化速率明顯增加的根本原因。從20%增大至30%時(shí)，混凝土凝膠材料雖然減少但提高了其密實(shí)性，故擬合的α值、β值相差較小。

2.2 花崗巖石粉組

花崗巖石粉組碳化結(jié)果，見表4。利用表4中的數(shù)據(jù)繪制碳化深度與碳化齡期的關(guān)系圖如圖2。在此基礎(chǔ)上擬合計(jì)算相關(guān)系數(shù)r和擬合曲線公式d=α·xβ，花崗巖石粉組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，見表5。

表4 花崗巖石粉組碳化結(jié)果 mm

圖2 花崗巖石粉組碳化數(shù)據(jù)分析

表5 花崗巖石粉組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

花崗巖石粉組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：①相對(duì)于基準(zhǔn)組混凝土花崗巖石粉組的抗碳化性能明顯較低；②細(xì)度為0-150μm組的α值整體<細(xì)度為0-80μm組，即細(xì)度越小則早期越易被碳化；③細(xì)度為0-150μm組的β值整體<細(xì)度為0-80μm組，即吸附越小則后期碳化速率越快；④隨花崗巖石粉摻量百分比(即水泥取代率)的增加α值呈明顯增大趨勢(shì)，即花崗巖石粉摻量越大則早期混凝土越易被碳化；隨花崗巖石粉摻量百分比的增大β值呈不斷減小趨勢(shì)，一定范圍內(nèi)的大摻量能夠降低后期碳化速率；α值的變化趨勢(shì)較α值更加明顯，從而導(dǎo)致α值對(duì)28d碳化期內(nèi)混凝土抗碳化性能的影響占主導(dǎo)作用。

試驗(yàn)表明，花崗巖石粉取代混凝土中的部分水泥能夠明顯降低其堿儲(chǔ)備?；炷量固蓟阅苤饕Q于堿儲(chǔ)備指標(biāo)，堿儲(chǔ)備降低時(shí)其抗碳化性能下降也就越易發(fā)生碳化。堿性物質(zhì)Ca(OH)2與空氣中的水、CO2發(fā)生碳化反應(yīng)，因部分水泥被花崗巖石粉所替代，所以在荷載不變情況下?lián)交◢弾r石粉組的碳化速率、碳化深度均高于基準(zhǔn)試驗(yàn)組。

在水泥取代率保持不變的情況下，細(xì)度越細(xì)花崗巖石粉的比表面積越大。將花崗巖石粉摻入混凝土中，花崗巖石粉的外部被水泥漿體包裹，對(duì)比分析細(xì)度0-150μm和0-80μm的試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)，0-80μm的花崗巖石粉具有更大的包裹面積，有利于加快水泥水化。由于碳化的主要反應(yīng)物是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2，所以水泥水化速率越快則早期混凝土越易被碳化，這也是0-80μm組α值整體偏高的根本原因。

混凝土硬化形成非均質(zhì)多孔體系，內(nèi)部主要有氣孔、毛細(xì)孔和凝膠孔等。其中，氣孔是通過外加劑引入或拌和操作過程中陷入水泥漿體內(nèi)的細(xì)小氣孔；毛細(xì)孔一般是水泥漿未填充所形成的空間；凝膠孔直徑通?！?0mm，主要分布于C-S-H水化硅酸鈣凝膠內(nèi)。水化水泥漿體中氣孔最大可以達(dá)到3mm，引入的氣孔主要處于50-200μm之間。因此，將細(xì)度不同而質(zhì)量相同的花崗巖石粉摻入到混凝土中，0-150μm組的孔隙填充效果要優(yōu)于0-80μm組，這是由于混凝土中較大的氣孔難以被0-80μm的花崗巖石粉所填充，而0-150μm組具有較均勻的孔隙填充作用，混凝土密實(shí)性明顯增大，在一定程度上發(fā)揮著阻礙CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的作用，早期混凝土不易被碳化且后期碳化率也不高。所以，在單摻情況下石粉細(xì)度越大則擬合公式中的α值越小，抗碳化性能越強(qiáng)。

隨著水泥取代率的增大混凝土的堿儲(chǔ)備不斷減小，混凝土抗碳化性能下降也就越易被碳化，并導(dǎo)致水泥取代率越大則碳化擬合公式中的α值越大。水泥取代率越大則混凝土的孔隙率越小，其密實(shí)性在一定程度上增加，有利于降低碳化速率，即β值減小。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于水泥取代率的增大導(dǎo)致α值的受影響程度發(fā)揮著主導(dǎo)作用[5]。

2.3 雙摻組

試驗(yàn)研究雙摻粉煤灰與花崗巖石粉組碳化結(jié)果，雙摻組組碳化結(jié)果，見表6。利用表6中的數(shù)據(jù)繪制碳化深度與碳化齡期的關(guān)系圖，雙摻組碳化數(shù)據(jù)分析，見圖3；在此基礎(chǔ)上擬合計(jì)算相關(guān)系數(shù)r和擬合曲線公式d=α·xβ，雙摻組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，見表7。

表6 雙摻組組碳化結(jié)果 mm

圖3 雙摻組碳化數(shù)據(jù)分析

表7 雙摻組碳化數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

由圖3可知，在其它參數(shù)保持不變粉煤灰與花崗巖石粉按照1:1取代水泥雙摻條件下，細(xì)度為0-150μm雙摻組的α值要<細(xì)度0-80μm雙摻組，單摻花崗巖石粉組與雙摻組的α值整體變幅接近，即混凝土早期碳化受雙摻組花崗巖石粉的影響較大，其細(xì)度越小早期越易被碳化，這是由于相同質(zhì)量情況下細(xì)度小的花崗巖石粉能夠使水泥漿體更好地分散，有利于加快水泥水化[6-9]。由于雙摻時(shí)粉煤灰加速二次水化反應(yīng)，混凝土早期更易被0-80μm花崗巖石粉碳化，從而使得0-80μm組的后期密實(shí)度較高；此外，由于摻加0-80μm組的碳化深度較大，因此具有更長(zhǎng)的CO2侵蝕路徑，這在一定程度上降低了后期碳化速率，因碳化深度和密實(shí)度的增加0-80μm組的碳化速率有所下降，主要表現(xiàn)擬合公式的β較小。

3 結(jié) 語

1)在荷載不變情況下?lián)交◢弾r石粉組的碳化速率、碳化深度均高于基準(zhǔn)試驗(yàn)組，碳化深度隨摻量的增加而增大，混凝土中加入摻合料后抗碳化性能有所下降。

2)在荷載作用及養(yǎng)護(hù)條件保持不變的情況下，隨粉煤灰摻量的增加混凝土抗碳化性能不斷下降，10%增大至20%時(shí)后期碳化速率明顯增加，從20%增大至30%時(shí)后期碳化速率變化不明顯，即粉煤灰摻量的進(jìn)一步增加并未引起碳化速率的明顯變化。

3)在其它參數(shù)保持不變粉煤灰與花崗巖石粉按照1∶1取代水泥雙摻條件下，混凝土早期碳化受雙摻組花崗巖石粉的影響較大，其細(xì)度越小早期越易被碳化，單摻條件的混凝土抗碳化性能劣于雙摻條件下的混凝土。