大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究

第４１卷第６期２０１０年３月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６Ｍａｒ．，２０１０收稿日期：２００９－９－２２基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（２００６ＢＡＤ１１Ｂ０３）作者简介：张小艳，女，硕士研究生，主要从事水工混凝土材料耐久性研究。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者：杜应吉，男，教授，博士，主要从事水工材料耐久性研究。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]　　文章编号：１００１－４１７９（２０１０）０６－００７４－０４大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究张小艳１，许建民２，杜应吉１（１．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００；　２．杨凌职业技术学院，陕西杨凌７１２１００）摘要：采用快速碳化试验方法研究了粉煤灰超量取代水泥量分别为０、２０％、４０％、６０％、８０％的粉煤灰混凝土在不同水胶比情况下的碳化性能。试验研究表明：粉煤灰掺量和水胶比是大掺量粉煤灰混凝土抗碳化的重要因素，其中水胶比是关键因素。在保证低水胶比的情况下，大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能可以满足工程要求；大掺量粉煤灰混凝土的碳化深度随龄期的延长而增加。关　键　词：粉煤灰掺量；水胶比；抗碳化性能；碳化深度中图分类号：ＴＶ４２．３　　　文献标识码：Ａ　　混凝土是当今世界上最主要的建筑材料，我国是目前混凝土用量最大的国家。然而，国内外众多实例表明，混凝土材料并不像期望的那样耐久，很多工程未达到设计寿命就出现耐久性劣化的现象，发生严重的工程事故，造成巨大的社会和经济损失［１］。混凝土的强度和耐久性是混凝土结构质量的两个重要因素，混凝土的耐久性劣化主要由两方面原因造成：①混凝土的劣化，包括热处理，化学和生物反应对性能的影响；②钢筋的锈蚀，混凝土的抗碳化性能是混凝土耐久性的重要组成部分［２］。特别是对于钢筋混凝土，其碳化最不利的影响就是使碱度降低，并使钢筋的钝化膜遭到破坏而引起钢筋锈蚀，最终导致结构破坏［３］。用粉煤灰部分代替水泥，不仅降低了工程造价，而且改善和提高了混凝土的性能，也可节约水泥和处理电厂废弃物，是高性能混凝土的理想掺和料［４］。中国是世界上最丰富的煤资源国家之一，火力发电是我国发电厂的主体，随着经济的发展，粉煤灰的排放量，利用量，利用率在同步增长。但目前对粉煤灰掺加到混凝土后对其抗碳化性能的影响争议颇多，有些试验结论则是截然相反的，这对工程中大量使用粉煤灰有很大影响［５］。本文针对目前大掺量粉煤灰混凝土的研究现状，采用快速碳化方法，试验分析大掺量粉煤灰混凝土的碳化性能。１　混凝土的碳化机理混凝土的碳化是指：水泥石中的水化产物与环境中的ＣＯ２相互作用，生成碳酸盐或其他物质，降低ｐＨ值，改变混凝土内部组成结构，影响混凝土性能的一个复杂的物理化学过程。混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、空隙、气泡，甚至缺陷。形成了一个含固相、液相和气相的非均匀体。碳化是一个由表及里，缓慢向内部发展的过程，所以碳化反应是呈阶梯状进行的。混凝土的碳化可以用下列化学方程式表示；Ｃａ（ＯＨ）２＋ＣＯ２→ＣａＣＯ３＋Ｈ２ＯＣ－Ｓ－Ｈ＋ＣＯ２→ＣａＣＯ３＋Ｈ２Ｏ从理论上说，未碳化混凝土的ｐＨ值约为１２．５，完全碳化的混凝土的ｐＨ值为７，而７≤ｐＨ≤１２．５的为部分碳化区。影响混凝土碳化的因素有：①外界环境ＣＯ２的浓度。环境中的ＣＯ２浓度越高，碳化越严重。②环境的湿度。环境的湿度对混凝土的碳化影响很大，当相对湿度为５５％时，碳化收缩达到最大值。③内部的化学因素。水泥石中Ｃａ（ＯＨ）２数量越多，它与ＣＯ２反　第６期　　　张小艳，等：大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究应的数量也将越多，但碳化深度则越小。④混凝土的孔结构。混凝土越密实，混凝土中的孔越细小，其抗碳化能力也越强。各因素间相互作用，相互制约，而且各因素又具有高度不确定性即随机性难以截然分开［６－７］。２　碳化试验２．１　试验材料（１）水泥。宁夏“赛马”Ｐ．Ｏ４２．５水泥（见表１）。（２）粉煤灰。采用Ⅰ级粉煤灰（见表２），宁夏大坝电厂生产。（３）砂。宁夏中砂，细度模数２．８，砂率为３８％。（４）石。宁夏银川镇北堡碎石。粒径５～１０ｍｍ占４５％，１０～２０ｍｍ占５５％。（５）外加剂。宁夏ＮＦ－５Ａ。６．１％酚酞酒精溶液（含２０％的蒸馏水）。表１　水泥的主要物理性能品质细度／％初凝时间／ｍｉｎ终凝时间／ｍｉｎ安定性抗折强度／ＭＰａ抗压强度／ＭＰａＰ．Ｏ０．８２６０３２５合格５．９　９．１２５．１　４５．５表２　粉煤灰的化学组成和物理性能％品种ＳｉＯ２ＡＬ２Ｏ３ＣａＯＭｇＯＦｅ２Ｏ３ＳＯ３烧失量ｆ－ＣａＯ细度需水量比ＦＡ４７．６０２７．２４９．７５５．２０７．７１１．０００．３２０．２５４．８８９２．２　试验仪器试验仪器包括：碳化箱；气体分析仪；ＣＯ２供气装置（包括气瓶、压力表及流量计）；万能压力机。２．３　试验配合比混凝土碳化试验配合比见表３。表３　混凝土碳化试验配合比（粉煤灰超量系数δｃ＝１．３）配合比编号水胶比粉煤灰掺量／％减水剂掺量／％引气剂掺量／１０－４材料用量／（ｋｇ·ｍ－３）水水泥粉煤灰砂碎石试验编号Ａ００．６００１．００．５１７７２９５０７２９１１０６１９Ａ１０．５５２０１．００．７１７５２６９６４６８７１１１５２１Ａ２０．４５４０１．００．２１７５２６９１５６６２２１０９７２２Ａ３０．３５６０１．０１．０１５５２３８２６６６１１１０８２３４Ａ３１１０．４０６０１．００．８１５５２０９２３３６２０１１３０３２Ａ４０．３５８０１．０１．０１５５１７０３５４５８５１０８２２６２．４　快速碳化试验简介碳化试验采用１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍ的棱柱体混凝土试件，以３块为１组。碳化试验的试件采用标准养护，在２８ｄ龄期（或设计龄期）后，从标准养护室取出然后在（６０±２）℃温度下烘４８ｈ。试验在快速碳化试验箱中进行，箱内的二氧化碳浓度保持在（２０±３）％。在整个试验期间可用去湿装置或放入硅胶，使箱内的相对湿度控制在（７０±５）％的范围内。碳化试验应在（２０±５）℃的温度下进行。碳化至３、７、１４ｄ和２８ｄ时，取出试件，将棱柱体试件在压力试验机上用劈裂法从一端开始破型，将切下试件刷去断面上的粉末，随即喷上（或滴上）１％酚酞乙醇溶液。经３０ｓ后，测量试验数据，碳化深度测量精确至１ｍｍ。３　试验结果及分析讨论３．１　水泥用量与碳化的关系由图１可以看出，在水泥用量相等的情况下，粉煤灰掺量为２０％、水胶比为０．５５的试件碳化情况比粉煤灰掺量为４０％、水胶比为０．４５试件的严重，可以看出他们的碳化曲线发展趋势几乎是相同的，说明在水泥用量相等，水胶比和粉煤灰掺量共同作用的影响下，水胶比是比粉煤灰掺量对碳化更重要的影响因素。图１　粉煤灰和水胶比不同时的试件碳化关系曲线３．２　水胶比与碳化的关系由图２可以看出，在粉煤灰掺量相同的情况（均为６０％）下，无论在７ｄ还是在２８ｄ，水胶比越大，碳化就越严重。混凝土的碱度与渗透性是影响其碳化速度的两个本质因素，由于它们二者直接关联的两个工艺因素为单位体积水泥用量与水胶比，所以在高掺量粉煤灰混凝土中，水胶比是个关键因素。根据Ｐｏｗｅｒ理论，降低粉煤灰混凝土的水胶比，可以使粉煤灰混凝土中连通孔隙封闭的时间提前，从而达到混凝土抗碳化的目的。采用超量取代的方法掺入Ⅰ级粉煤灰减少用水量，可以降低水胶比，也就符合工程要求［８］。由表４可以看出，粉煤灰掺量为６０％、水胶比为０．３５的试件２８ｄ的碳化深度仅为９．２ｍｍ，低于１０．０ｍｍ，低于掺量为４０％、水胶比为０．４５的试件的碳化深度，也是这几组试件中２８ｄ碳化深度最低的，说明在掺量为６０％，水胶比为０．３５粉煤灰混凝土的碳化性能完全可以满足工程要求。粉煤灰掺量为８０％、水胶比为０．３５５７　　人　民　长　江２０１０年　的试件３ｄ的碳化深度仅为５．７ｍｍ，然而在２８ｄ时碳化深度达到１３．３ｍｍ．，是３ｄ碳化深度的１．３倍多，碳化速度很快，在工程应用中需谨慎考虑。图２　粉煤灰掺量相同时水胶比对碳化深度的影响３．３　粉煤灰掺量与碳化的关系由图３可以看出，在相同的水胶比（均为０．３５）下，无论在７ｄ还是在２８ｄ，粉煤灰掺量越大，碳化就越严重，尤其在后期由于水泥的碱储备降低，碳化中和作用的过程缩短，也就导致粉煤灰混凝土抗碳化性能降低，粉煤灰掺量越大，碳化越严重。图３　水胶比相同时粉煤灰掺量对碳化深度的影响３．４　碳化时间与碳化深度的关系由试验数据和图４可知，随时间的延长，碳化越来越严重，早期碳化增长较快。一些研究结果显示，在２０％ＣＯ２浓度的加速碳化情况下，２８ｄ的碳化深度大约相当于５０ａ的自然碳化深度，粉煤灰掺量为６０％、水胶比为０．３５的试件在２８ｄ的碳化深度仅为９．２ｍｍ，后期碳化发展比较缓慢，是３ｄ碳化深度的０．７倍［９］。粉煤灰掺量为８０％、水胶比为０．３５时的试件后期碳化速度很快，需谨慎考虑使用。３．５　水胶比和粉煤灰掺量与碳化深度的关系对所测数据进行多元非线性回归，建立的粉煤灰混凝土碳化深度Ｔ与粉煤灰等量取代率Ｆ、水灰比ｗ／ｃ、试验龄期ｔ之间的关系模型如下：Ｔ＝９．５１８５ｗｃ＋４．５９８３Ｆ＋０．２１３０ｔ表４　混凝土抗碳化试验结果试验编号水胶比粉煤灰掺量／％碳化深度／ｍｍ３ｄ７ｄ１４ｄ２８ｄ平均碳化深度／ｍｍ３ｄ７ｄ１４ｄ２８ｄ１９０．６００４．０６．２９．４７．３４．９６．７９．４１０．９５．０６．９８．８１２．２５．６７．１１０．０１３．２２１０．５５２０６．５９．８９．７１１．５６．７９．０９．８１３．０６．４８．２９．４１４．１７．３８．９１０．３１３．４２２０．４５４０４．３７．６８．２１０．６５．５７．５８．４１１．１６．４７．５８．２１０．３５．７７．３８．９１２．４２６０．３５８０６．１８．５９．０１３．７５．７８．９９．１１３．３５．５９．２９．３１２．８５．４８．９９．１１３．５３２０．４０６０８．３８．０９．１１３．２７．３７．６９．１１２．４６．７７．６９．９１２．０６．８７．３８．４１１．９３４０．３５６０５．０４．３８．８９．４５．４６．７８．０９．２５．８５．４７．２９．２５．５３．５７．９９．１图４　粉煤灰掺量和水胶比对碳化深度的影响４　结论（１）水胶比、粉煤灰掺量、水泥的用量对粉煤灰混凝土的碳化都有一定的影响。（２）粉煤灰的掺量越大，混凝土的碳化越严重。粉煤灰超量取代量为８０％时仍需要谨慎使用。（３）水胶比是大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能的关键，高掺量粉煤灰混凝土要保证工程耐久性的要求，水胶比应低于０．４。粉煤灰掺量为６０％，水胶比为０．３５时粉煤灰混凝土的碳化性能完全可以满足工程要求。（４）粉煤灰混凝土的碳化深度随龄期的延长而增加。（５）试件的底面比侧面或表面的碳化要严重。参考文献：［１］　胡曙光，钟珞，吕林女．混凝土安全性专家系统［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．［２］　刘斌．大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能［Ｊ］．混凝土，２００３，１１（３）：４４－４７．６７　第６期　　　张小艳，等：大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究［３］　钱觉时，孟志良，张兴元．大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究［Ｊ］．重庆建筑大学学报，１９９９，２（２１）：５－９．［４］　李成河．大掺量粉煤灰高性能混凝土的应用分析［Ｊ］．黑龙江工程学院学报（自然科学版），２００５，１９（１）：１９－３３．［５］　朱艳芳，王培铭．大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能的研究［Ｊ］．建筑材料学报，１９９９，１２（４）：３１９－３２３．［６］　何智海．混凝土碳化研究进展［Ｊ］．材料导报，２００８，５（２２）：３５３－３５７．［７］　徐子芳，宋文国，徐国财．粉煤灰混凝土的碳化性能［Ｊ］．粉煤灰综合利用，２００５，（２）：１７－１９．［８］　李成勇，张涛，任秀琪．混凝土中掺用粉煤灰的作用［Ｊ］．黑龙江水利科技，２００４，（１）：１２６－１４５．［９］　佘建初，李卓球，宋显辉．钢筋锈蚀导致混凝土结构失效的机理与检测技术［Ｊ］．武汉理工大学学报（信息与管理工程版