大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究

文/張武良 深圳市天地（集團）股份有限公司 廣東深圳 518000

1、混凝土碳化機理分析

如下式1-1所示，混凝土碳化的本質為水泥石（硬化后的水泥漿體）中的水化產物（主要為Ca(OH)2）與空氣中CO2發生反應生成碳酸鹽（主要為CaCO3）的過程，該過程的基本特征為混凝土內部結構發生改變且PH值降低，對混凝土性能影響較大。基于混凝土內部結構的分析，其在諸多大小各異的氣泡、空隙以及毛細管下表現為一種多孔體，并且整體形成一種固、液、氣三相非均勻體。由于混凝土碳化是從外向內逐漸發展，因此反應過程呈現為階梯狀。

對于混凝土的PH值，從理論上講在未碳化時約為12.5，完全碳化時趨近于7，而部分碳化則在7～12.5之間。

混凝土碳化影響因素包括CO2濃度、環境濕度、混凝土孔隙結構以及內部化學組成等，各因素間既呈相互制約、相互作用的關系，同時每一因素又具有高度的隨機性。實踐表明，混凝土所處環境中CO2濃度越高、水泥石中Ca(OH)2含量越小、混凝土孔隙率越大，其碳化程度就越嚴重；而對于環境濕度的影響，當相對濕度為55%時，混凝土碳化收縮程度最大。

在環境濕度相同、CO2濃度一定情況下，混凝土自身孔隙率（反映在實際施工中即為密實度）決定了CO2的擴散速度，混凝土孔隙率越小，CO2在其內部的擴散阻礙則越大，從而表現為混凝土的抗碳化能力就越強；反之則越弱。

現假設：①CO2濃度在混凝土中的分布呈直線下降趨勢；②每立方混凝土吸收并與之發生反應的CO2量為定值。在此情況下，CO2在混凝土中的擴散遵循菲克第一定律，而混凝土碳化深度X的理論計算公式則可表示為下式1-2：

式中：D0為CO2（實為CO32-）在混凝土中的擴散系數；t為碳化時間；k為擴散系數。

在此基礎上，經過諸多國家學者的不斷完善與修正，認為混凝土的碳化深度X與之間并非為直線關系，而是隨著時間的推移，碳化作用會呈收斂趨勢，并且X會出現一個最大值。

2、大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性試驗

2.1 試驗材料

⑴水泥。28d實測抗壓強度為50.4MPa的42.5級普通硅酸鹽水泥；

⑵細集料。細度模數為2.7的II區中砂（河砂），且其含泥量＜0.5%；

⑶粗集料。粒徑為5～20mm的連續級配碎石；

⑷粉煤灰。經磨細處理的Ⅱ級干排粉煤灰，實測密度為2.29g/cm3，需水量比為98%，比表面積為550m2/Kg。

2.2 試驗結果及分析討論

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2.2.1 粉煤灰摻量對混凝土碳化性能的影響

在遵循規范（GB/T50082-2009）的基礎上，本文對混凝土進行人工快速碳化。在對混凝土碳化程度與粉煤灰摻量關系的研究中，將粉煤灰摻量從10%→60%逐級增加，配合比及試驗結果如上表1所示；此外，將大摻量粉煤混凝土分別養護28d和60d后進行快速碳化試驗，所得結果見表2。

分析表2可知，在10%和20%的粉煤灰摻量下，混凝土基本無碳化現象；在30%的粉煤灰摻量下，養護28d、快速碳化60d的混凝土碳化深度為3.85mm，表現較小；而在40～60%的粉煤灰摻量下，養護28d、快速碳化28d的混凝土碳化深度分別為8.55、9.75和14.35（mm），而養護60d、快速碳化28d的混凝土則為6.85、9.45與11.95（mm）。由此可知，混凝土中粉煤灰摻量越大、養護齡期越短，其碳化程度越嚴重，但在摻量較少情況下，粉煤灰混凝土的碳化程度與基準混凝土（編號A-0）基本一致，碳化速率表現極慢，其原因主要為：①混凝土中水泥用量隨粉煤灰摻量的增加而減少；②在火山灰反應反應方面，由于粉煤灰表現較弱，故而使混凝土強度增長緩慢。

對于混凝土抗壓強度與碳化程度的分析，在將混凝土養護28d并做快速碳化試驗后進行綜合考量，試驗結果顯示（見表1），在10%、20%和30%的粉煤灰摻量下，混凝土的抗壓強度分別為69.2、62.6與61.0（MPa），與基準混凝土的67.2MPa相差不大，其原因主要是由于小摻量的粉煤灰對Ca(OH)2消耗較少，粉煤灰混凝土的碳化程度與基準混凝土基本相同；而在40%、50%和60%的粉煤灰摻量下，混凝土的抗壓強度則分別為53.2、46.7和42.9（MPa），相比于基準混凝土降幅明顯，此時主要是由于隨著粉煤灰摻量的增大，對Ca(OH)2消耗隨著增加，使混凝土碳化程度加深。此外，在養護60d進行快速碳化試驗后，隨著齡期的增長，粉煤灰混凝土的強度隨之增大，此時由于CO2在混凝土中的擴散阻礙增大，混凝土的碳化程度呈減小趨勢。

綜上可知，在其他條件一定情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力隨之減弱。研究顯示，在粉煤灰摻量增加初期，相比于基準混凝土，粉煤灰混凝土的孔隙率、透氣性以及粗孔數量增幅明顯，故而隨著粉煤灰摻量的增加，CO2在早期硬化的混凝土中擴散速度與滲透系數相對較大，各齡期混凝土的抗碳化能力隨之減弱，但是在齡期延長情況下，粉煤灰混凝土的抗碳化能力又會一定程度的提升。

2.2.2 水膠比對混凝土碳化性能的影響

從本質上講，水膠比對混凝土抗碳化能力的影響是通過對強度的影響而所引發的一種間接作用。隨著粉煤灰混凝土齡期的增長，其強度得到不斷提升，尤其是在大摻量情況下，粉煤灰混凝土強度的后期增長率比基準混凝土還快。此外，由于混凝土中可碳化物質的數量取決于水泥的水化反應，而混凝土強度又反映了其自身密實度（決定了CO2的擴散），故而在分析抗碳化能力時，應對水泥用量與混凝土強度的發展實施綜合考慮，

在對比試驗中，分別將粉煤灰摻量為50%和60%的混凝土水膠比由0.30下調至0.25后進行快速碳化試驗，所得抗強度結果如表1所示；其后分別對養護28d與60d混凝土進行快速碳化試驗，所得結果見表2。

由此可知，對于大摻量粉煤灰混凝土而言，水膠比由0.30下調至0.25并在養護28d情況下，50%與60%摻量的混凝土碳化深度分別由9.75與14.35下降至8.25和10.15（mm），降幅較為明顯。而在養護齡期為60d時，50%與60%摻量的混凝土抗壓強度分別由57.2與53.3增長至59.9和58.7（MPa），漲幅一般，對應抗碳化能力改善也不明顯，由此表明：大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力與其抗壓強度的發展密切相關。降低水膠比，提高粉煤灰混凝土抗壓強度是提高粉煤灰混凝土抗碳化能力的有效措施。混凝土水膠比的增大之所以會使碳化程度增加，其原因為：①強度降低，從而導致混凝土碳化深度值增大；②混凝土中Ca2+濃度降低，為了維持平衡，Ca(OH)2就會不斷溶解，結果使液相堿度及堿儲備降低，當pH值或Ca(OH)2降低到一定程度時，周圍其它含鈣水化產物還會分解、碳化，導致混凝土碳化深度值增大，抗碳化能力降低。

結論：

⑴隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力隨之減弱，且當粉煤灰摻量控制20%以內時，其對混凝土的抗碳化性能影響不大；

⑵水膠比的降低可在一定程度上提升大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化能力。