基于混凝土碳化性能的不同養(yǎng)護條件下粉煤灰臨界摻量

呂志軍

(中鐵十六局集團 第五工程有限公司，河北 唐山 064000)

混凝土的養(yǎng)護條件及齡期會對其抗碳化性能產(chǎn)生較大影響，Sulapha et al[3]、阿茹罕等[4]、何小軍[5]研究了混凝土在標準養(yǎng)護3、7、14、28 d后的抗碳化性能，結(jié)果表明，混凝土在早期養(yǎng)護時間越長，其抗碳化性能相應(yīng)增強，但對于不同摻量粉煤灰的混凝土，標準養(yǎng)護28 d后其抗碳化性能并沒有明顯的差異；Zhao et al[6]研究了濕養(yǎng)護90 d粉煤灰混凝土的抗碳化性能，結(jié)果表明,對于大摻量粉煤灰混凝土，當水膠比較大時，即使延長早期濕養(yǎng)護時間，其抗碳化性能提高亦不明顯；王立川等[7]、王藝霖等[8]、涂永明等[9]對比了自然養(yǎng)護和標準養(yǎng)護條件下隧道襯砌混凝土的抗碳化性能，結(jié)果表明，標準養(yǎng)護條件下混凝土的抗碳化性能顯著高于自然養(yǎng)護下的混凝土；趙慶新等[10]建立了20 mm碳化深度下粉煤灰臨界摻量與水膠比的數(shù)學關(guān)系，但考慮養(yǎng)護條件太少，不能充分適應(yīng)工程實際。在混凝土碳化的研究過程當中，著重于研究標準養(yǎng)護3、7、14、28 d的混凝土[11-12]，但當混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰在混凝土養(yǎng)護28～90 d期間會發(fā)生二次水化反應(yīng)，降低混凝土的堿度，對其抗碳化性能產(chǎn)生一定的影響[13-14]。

基于以上分析，在CO2體積分數(shù)(20±3)%、溫度(20±2)℃、相對濕度(70±5)%環(huán)境中研究了標準養(yǎng)護28、56、90 d、干養(yǎng)護3 a(分別記為A、B、C、D養(yǎng)護條件)，水膠比0.37、0.45、0.53，粉煤灰摻量等質(zhì)量替代水泥0、30%、45%、60%以及水膠比0.61的純水泥混凝土的碳化深度，標準養(yǎng)護56 d和90 d不僅達到了常規(guī)研究混凝土抗碳化性能中標養(yǎng)28 d的要求，還使粉煤灰的二次水化作用更為充分，降低其對混凝土抗碳化性能產(chǎn)生的不確定性影響。根據(jù)混凝土保護層厚度不得小于20 mm的要求，建立了不同養(yǎng)護條件下確保混凝土碳化耐久性的粉煤灰摻量與水膠比關(guān)系的數(shù)學模型。

1 實驗

1.1 原材料

實驗用膠凝材料采用上思華潤P·O42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰產(chǎn)地為北海鐵山港電廠，指標為Ⅱ級，其主要化學組成和比表面積見表1；粗骨料粒徑為5～31.5 mm，含泥量<0.2%；細骨料?、騾^(qū)中砂，級配良好；減水劑為聚羧酸系，減水率為30%；拌合用水為自來水。

表1 試驗用膠凝材料化學成分和比表面積

1.2 實驗方法

1.2.1 配合比

水膠比分別為0.37、0.45、0.53，粉煤灰等質(zhì)量取代水泥分別為0%、30%、45%和60%。同時，在實驗進行的過程中，將其中一組水膠比增加0.61的基準混凝土組。具體配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.2.2 試件制備與養(yǎng)護

依據(jù)表2所示配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的試件，成型后標準養(yǎng)護24 h后拆模，再把各個組的混凝土根據(jù)齡期分成濕養(yǎng)護28、56、90 d以及干養(yǎng)護3 a這4個組(記作A、B、C、D組養(yǎng)護)，從而展開不同條件下混凝土抗碳化性能的研究。

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1.2.3 試件制備與養(yǎng)護

將4種養(yǎng)護齡期條件下的混凝土試件參照GB/T 50082—2019中描述的試件碳化處理方法進行試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)護方式下粉煤灰摻量及水膠比對碳化的影響

各養(yǎng)護條件下混凝土經(jīng)快速碳化3、7、14、28 d后，各齡期碳化深度如圖1所示。

圖1 不同養(yǎng)護方式下混凝土各齡期碳化深度

由圖1中數(shù)據(jù)分析可以看出：相同粉煤灰摻量條件下，混凝土碳化深度均會隨著水膠比的增大而增大，當水膠比為0.37和0.45時，水膠比對混凝土的碳化影響較小，但當水膠比為0.53時，各組混凝土碳化速率加快，這主要是由于低水膠比可使混凝土的結(jié)構(gòu)緊密度提高，而高水膠比則會令混凝土的孔隙率擴大，加快了CO2的擴散速率，使混凝土加速碳化。

同等粉煤灰摻量條件下，D組養(yǎng)護條件下混凝土各齡期碳化深度均高于A、B、C 3組；當不摻粉煤灰，水膠比為0.37和0.45時，4種養(yǎng)護條件下混凝土碳化深度差異不明顯，當水膠比增大至0.53時，D組養(yǎng)護條件下混凝土劣化較為明顯；當粉煤灰摻量為30%時，隨著養(yǎng)護時間的延長，水膠比為0.53組的混凝土抗碳化性能增強較為明顯，其他組混凝土的抗碳化性能變化仍不明顯；當粉煤灰摻量增加至45%和60%，水膠比為0.53時，各養(yǎng)護條件下混凝土抗碳化性能差別不大，水膠比為0.37和0.45時，延長養(yǎng)護時間可顯著提高其抗碳化性能，但此時B、C條件下混凝土抗碳化性能差別不大，這表明對于大摻量粉煤灰混凝土，較低的水膠比和適當延長的養(yǎng)護時間(一般不超過56 d)是其抗碳化性能得以保障的有效措施。

2.2 不同養(yǎng)護方式及水膠比條件下粉煤灰臨界摻量

對各水膠比條件下混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量變化規(guī)律曲線進行擬合分析

X=a+m(WFA)n

(1)

不同養(yǎng)護方式及水膠比條件下，碳化深度隨粉煤灰摻量變化規(guī)律的擬合系數(shù)如表3所示。

表3 不同養(yǎng)護方式對碳化深度變化影響的曲線擬合系數(shù)

從表3可以看出，擬合曲線具有較好的擬合度，可以比較客觀真實地反映混凝土的碳化深度變化規(guī)律。

為能夠使數(shù)據(jù)范圍擴大，從而進一步推斷粉煤灰的摻量是0%的時候，其臨界的水膠比情況，在展開全方位實驗的同時，對各組養(yǎng)護方式增加一組水膠比為0.61的基準混凝土組，不同水膠比下混凝土28 d碳化深度如圖2所示。

圖2 各類養(yǎng)護方式及水膠比之下的混凝土碳化深度折線圖

由圖2可以看出：D養(yǎng)護條件下混凝土出現(xiàn)了較為嚴重的碳化。水膠比為0.61時，其28 d碳化深度是23.7 mm，為水膠比0.37時的4.9倍。對實驗數(shù)據(jù)展開擬合分析，同時對擬合的結(jié)果進行篩選，通過系數(shù)較高的指數(shù)函數(shù)來完成擬合。擬合曲線如圖3所示。

圖3 各組養(yǎng)護條件下不同水膠比混凝土碳化深度的擬合曲線

由圖3可以看出，各擬合曲線相關(guān)系數(shù)較高，能夠較好地反映水膠比對混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律。在各擬合曲線中分別代入最大的碳化深度20 mm，可以計算出各組養(yǎng)護方式下對應(yīng)的水膠比分別為0.68、0.67、0.65、0.57。不同的養(yǎng)護方法的混凝土都達到相應(yīng)的水膠比率的時候，在不同組別下的混凝土最大粉煤灰的摻量數(shù)值是0%。

2.3 各組養(yǎng)護方式中的粉煤灰摻量的數(shù)學模型

根據(jù)表3所有擬合數(shù)據(jù)值，為保證混凝土基本抗碳化性能，將混凝土最小保護層厚度20 mm代入式(1)中，計算出不同養(yǎng)護方式各水膠比條件下混凝土中粉煤灰的臨界摻量，結(jié)果如表4所示。

表4 不同養(yǎng)護方式與水膠比對應(yīng)的粉煤灰摻量極限值 %

由表4可知：C養(yǎng)護條件下水膠比較小時，得出的粉煤灰摻量超出了界限值，故不予分析；當水膠比較大時，C養(yǎng)護條件下的粉煤灰摻量反而較A、B養(yǎng)護條件下更小，這說明對于強度較低的大摻量粉煤灰混凝土，延長濕養(yǎng)護時間至90 d仍不能提高其抗碳化性能，相反還會對其抗碳化性能產(chǎn)生不利的影響。

現(xiàn)對粉煤灰摻量和水膠比之間數(shù)據(jù)進行擬合，如圖4所示。

圖4 各養(yǎng)護條件下水膠比和粉煤灰摻量數(shù)學模型圖

3條擬合直線較好地反映出不同養(yǎng)護條件下水膠比和最大粉煤灰摻量之間的關(guān)系，在實際施工時，可根據(jù)養(yǎng)護條件確定粉煤灰的臨界摻量，進而指導拌合站的配合比設(shè)計，對混凝土的抗碳化性能進行事前控制。

3 結(jié)論

在對比了各組混凝土碳化研究數(shù)據(jù)之后，得到下述結(jié)論：

(1) 在水膠比為0.37和0.45時，水膠比對混凝土抗碳化性能的影響較??；當水膠比為0.53時，各組混凝土碳化速率明顯加快。

(2) 對于大摻量粉煤灰混凝土，較低的水膠比和適當延長的早期養(yǎng)護時間(一般不超過56 d)可使其抗碳化性能得以保證。

(3) 對于強度較低的大摻量粉煤灰混凝土，延長濕養(yǎng)護時間至90 d仍不能提高其抗碳化性能，相反還會對其抗碳化性能產(chǎn)生不利的影響。

(4) 建立了在保證碳化深度20 mm條件下不同養(yǎng)護方式時的水膠比與臨界粉煤灰摻量的數(shù)學關(guān)系Φ=171.2-240.3W/B、Φ=230.4-332.6W/B、Φ=111.0-164.4W/B，在實際施工時，可根據(jù)養(yǎng)護條件確定粉煤灰的臨界摻量，進而指導拌合站的配合比設(shè)計，對混凝土的抗碳化性能進行事前控制。