粉煤灰摻量對混凝土碳化過程的影響試驗研究

李斌 文佳 趙博

(中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

0 引言

混凝土的碳化是混凝土受到的一種化學(xué)腐蝕。正常環(huán)境中的混凝土?xí)嬖谝欢〝?shù)量的縫隙，大氣中的CO2氣體便會通過這些縫隙慢慢進入到混凝土中，與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致pH值下降，這個過程就是混凝土碳化。碳化會使混凝土的堿度降低，但是對混凝土不會造成直接性的危害。當碳化的深度到達或者超過鋼筋表面時，會讓鋼筋在堿性環(huán)境中形成的鈍化膜遭到破壞，鋼筋失去了鈍化膜的保護后，一旦空氣接觸到鋼筋，就會導(dǎo)致鋼筋銹蝕[1]。銹蝕會引起鋼筋的體積變大，體積的變大將會導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫數(shù)量的增加，保護層也隨之掉落，使得鋼筋的截面面積減小，截面承載力降低，最終將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或者失效[2]。據(jù)調(diào)查，2015年大氣中的CO2體積分數(shù)的近似值為390 mL/m3,到2056年，預(yù)估CO2體積分數(shù)的近似值將會達到556 mL/m3[3]。大氣中CO2濃度的升高，會加大混凝土碳化的程度，嚴重影響到混凝土的耐久性，造成的經(jīng)濟損失是巨大的，因此我們不能忽視混凝土碳化在工程上造成的影響[4]。

在粉煤灰混凝土中，粉煤灰發(fā)揮著一定的作用，它不僅改善了新拌混凝土的工作性，而且還可以代替水泥，節(jié)省混凝土中水泥的用量，使成本降低[5]。在經(jīng)濟上，粉煤灰混凝土擁有的經(jīng)濟效益非常不錯，因此它在工程項目里被廣泛應(yīng)用。針對粉煤灰對混凝土影響的相關(guān)問題，已經(jīng)有學(xué)者做了大量的試驗研究以及理論分析。杜晉軍[6]做了快速碳化試驗，在低水膠比的條件下對粉煤灰混凝土進行碳化研究，結(jié)果表明，小于30%的粉煤灰摻量對混凝土的抗碳化能力有提高的作用，大于30%的粉煤灰摻量對混凝土的抗碳化能力有降低的作用。文獻[7]認為，摻入一定比例的粉煤灰可以節(jié)省水泥的用量，使水泥水化反應(yīng)生成的堿性物質(zhì)Ca(OH)2變少，并且還提到二次水化生成的產(chǎn)物填充混凝土的內(nèi)部孔洞里，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓混凝土更加密實。張揚[8]通過碳化試驗研究了水膠比、水泥用量以及粉煤灰摻量三個變量分別對混凝土碳化的影響，結(jié)果表明，它們對混凝土碳化都有比較大的影響，而影響最大的是粉煤灰摻量。選擇一個合適的粉煤灰摻量，不但可以節(jié)省水泥用量，降低成本，而且還能提高混凝土的綜合性能，粉煤灰具有重要的實際意義[9]。因此，本文主要在標準養(yǎng)護齡期以及水膠比相同的條件下，研究不同摻量的粉煤灰對混凝土碳化的影響。

1 試驗

1.1 實驗材料及配合比

水泥用的是寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥；石子采用太陽山石料廠，它的最大粒徑為20 mm；砂子是陜西武功砂廠生產(chǎn)的細度模數(shù)為2.82的砂子；拌合水是自來水；粉煤灰是華電寧夏靈武發(fā)電有限公司生產(chǎn)的粉煤灰；外加劑用的是北京世紀佳邦建材有限公司生產(chǎn)的減水劑。試驗中混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土的配合比

1.2 試件制備及養(yǎng)護

本試驗的試件是按照表1中的配合比制成的6組試件，每一組中有三塊試件，每一塊試件的尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。等待試件成型，拆模之后將其放入標準養(yǎng)護室里進行養(yǎng)護，26 d后將試件取出，放入干燥箱內(nèi)，在60 ℃下烘48 h，然后將烘干后的試件用加熱的石蠟密封，只密封五個面另外一個面不做密封處理。沒做密封處理的那個面用鉛筆沿著長度方向畫參考線，參考線之間的間距為10 mm，這些參考線用來作為之后測量碳化深度的輔助線(見圖1)。

1.3 碳化試驗步驟

將經(jīng)過處理的試件全部有序的放入碳化箱內(nèi)，試件與試件之間的距離應(yīng)該保持在50 mm以上，碳化箱內(nèi)的二氧化碳濃度控制在20%±5%，相對濕度控制在70%±5%，溫度控制在20 ℃±2 ℃。到3 d,7 d,14 d,28 d時，需要測試件的碳化深度，每次破型所切下的厚度都應(yīng)該是當前試件寬度的1/2。試件被切成大小相同的兩塊，將其中的一塊斷面清理干凈，加熱后用石蠟將斷面密封，然后放入碳化箱里繼續(xù)進行碳化，另外一塊試件也要將其斷面清理干凈，然后將酚酞酒精溶液用滴管均勻的滴在試件的斷面上。等到試件表面顏色變化后，根據(jù)之前做好的參考線，用比較精準的鋼尺測出碳化的深度，所測得值的精確度0.5 mm，然后再算出每一組所測得的所有值的平均值，該平均值的精確度為0.1 mm，該值作為最終的碳化深度(見圖2)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

為研究不同粉煤灰摻量對混凝土碳化的影響，設(shè)計了6組不同粉煤灰摻量的試件，每一組試件的水膠比和標準養(yǎng)護時間都相同，來進行相應(yīng)的試驗研究。將6組不同試件進行碳化，得到的每一組試件在不同碳化時間的碳化深度見表2，以及各組試件的深度與時間的關(guān)系曲線見圖3。

表2 混凝土碳化深度

2.2 結(jié)果分析

由表2可以看出，在相同的碳化時間，粉煤灰摻量大的組比摻量小的組碳化深度明顯要大很多。并且由圖3可以比較直觀的看到，粉煤灰摻量越大，曲線的斜率越大，曲線斜率代表著碳化速度，換言之就是速度越快。這主要是因為摻入粉煤灰后，粉煤灰會作為原料代替部分水泥，水泥水化作用生成的堿性物質(zhì)Ca(OH)2會因為水泥的用量減少而減少。同時，對于粉煤灰來說，粉煤灰是一種具有一定活性的摻合料，它的活性主要是來自自身組成成分里的活性玻璃體SiO2和Al2O3，這兩種玻璃體在水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境中極不穩(wěn)定，會被其激活，然后發(fā)生一系列的反應(yīng)，與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H。因此摻入越多的粉煤灰，就越容易導(dǎo)致混凝土中的堿性物質(zhì)被消耗，使堿度降低，讓混凝土的抗碳化能力變得越弱，使得碳化深度增加，碳化加快。

從圖3中還能看到，在混凝土碳化的結(jié)果中，10%～50%的粉煤灰摻量的碳化曲線，即摻入了粉煤灰的混凝土碳化曲線，這些曲線的斜率都會隨著碳化時間的增加逐漸下降。分析其原因，粉煤灰混凝土在早期的時候，孔結(jié)構(gòu)不是很好，并且二次水化填充效應(yīng)未能較好的發(fā)揮，使得內(nèi)部空隙較多，二氧化碳容易在混凝土中擴散，使得碳化速度加快[7]。粉煤灰里的活性玻璃體SiO2和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物C-S-H，有的會附在粉煤灰的表面上，另外的則會填充在水泥水化生成物(如：Ca(OH)2粗晶體)與C-S-H間的孔洞中，這種填充作用一定程度阻礙了CO2的滲透，因此隨著時間的延續(xù)，這種填充作用的效果變得較為明顯[10]，這就使得混凝土抗碳化的能力相比初期有所提高。

3 結(jié)論

本文通過對混凝土進行快速 碳化試驗，研究了在標準養(yǎng)護時間相同以及水膠比相同的條件下不同粉煤灰摻量對混凝土碳化的影響，根據(jù)試驗結(jié)果得出了以下結(jié)論：

1)隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土碳化的深度也越來越大，而且由于粉煤灰摻量增大，混凝土碳化的速度也變得越快。

2)摻入粉煤灰的混凝土碳化深度的增長趨勢隨著時間的增加變得越來越平緩。

3)10%粉煤灰摻量與無粉煤灰摻量的混凝土，它們的碳化程度比較相似，并且抗碳化能力都比較好。