溫濕度對油菜秸稈混凝土抗碳化性影響試驗研究

劉巧玲 張文俊

（1.湖南農業大學東方科技學院,湖南 長沙 410128；2.湖南省郵電規劃設計院有限公司,湖南 長沙 410125）

目前，國內外對纖維增強混凝土的研究主要有涉及鋼纖維增強混凝土[1-3]，合成纖維增強混凝土[4-5]，植物纖維增強混凝土[6-10]方面，前兩類研究理論較為成熟，而植物纖維增強混凝土研究起步較晚，部分學者對油菜秸稈混凝土進行了力學性能、保溫性能等方面的深入研究，但對其耐久性研究較淺[7-10]。耐久性是評價混凝土使用壽命的重要指標，而碳化是影響混凝土耐久性的重要因素。碳化會降低混凝土堿度，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，最終使混凝土對鋼筋的保護作用減弱甚至消失，致使混凝土構件在工程長期服役過程中失效[11-13]。

以環境溫濕度為變量設計試驗，通過測試油菜秸稈纖維混凝土試件的碳化深度，探究溫濕度對混凝土抗碳化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 油菜秸稈纖維的前期處理

采用湖南某大學耘園油菜基地距地表200 mm以上的油菜秸稈，洗凈后放烘箱以85 ℃烘4 h，冷卻后去掉秸稈海綿狀芯體，再將秸稈表皮纖維處理成15～20 mm的長度，并用2%的NaOH溶液浸泡處理[14-15]，洗凈后烘干制得秸稈纖維（表觀密度為0.34 g/cm3）。

1.2 試件制作及試驗

試驗采用強度等級為42.5 MPa的世立牌快硬硫鋁酸鹽水泥，細度模數為2.47的河砂；粗骨料為不同單粒徑卵石、碎石混合使用[16]，其粒徑范圍介于9.50～16.00 mm、20.00～26.50 mm的為碎石，粒徑范圍介于2.36～4.75 mm、4.75～10 mm的為卵石（如表1所示）；減水率為20%的萘系減水劑，硅灰（四川朗天牌）等量替代水泥。按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）要求，制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體非標準油菜秸稈混凝土試件（如圖1所示），置于CCB-70W混凝土碳化試驗箱（如圖2所示）進行快速碳化試驗。密封碳化箱，設定CO2濃度為20%，同時按試驗設計調節相對濕度和溫度，開動氣體對流裝置，充入CO2，逐步調節CO2流量，使箱內CO2濃度達到設定條件并處于穩定狀態，然后開始計時。用游標卡尺（測量精度為0.1 mm）測量混凝土試件養護3d后的碳化深度，取組內平均碳化深度作為本組的代表值。

表1 粗骨料級配表

圖1 畫線和封蠟處理后的試件

圖2 CCB-70W混凝土碳化試驗箱

1.3 碳化試驗

設計完全試驗，在水灰比為0.45，秸稈纖維體積摻量為0.5%，秸稈纖維長度區間為15～20 mm的條件下，以溫度和相對濕度為變量，探究環境因素對油菜秸稈基纖維混凝土抗碳化性能的影響。溫度分別設置10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃，相對濕度分別設置40%、50%、60%、70%。試驗設計16組試件，每組3個尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體非標準試件，共48個，用于測試試件碳化深度。設計試件編號為“E-R-S”，“E”表示環境（Environment），“R”代表相對濕度條件編號（4、5、6、7），“S”代表溫度條件編號（1、2、3、4），具體如表2所示。混凝土材料用量計算結果詳如表3所示。

表2 試驗組編號

表3 混凝土材料用量信息

2 試驗結果與分析

測得各試驗條件下，3天碳化深度值如表4所示，由表4可知，在CO2濃度一定的條件下，不同的溫度和相對濕度組合對油菜秸稈基纖維混凝土的碳化深度有不同的影響。其中，相對濕度對碳化深度的影響如圖3所示，溫度對碳化深度的影響如圖4所示。

表4 各試驗條件下3天碳化深度值

由圖3可以看出，相對濕度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著相對濕度的不斷上升，碳化深度呈線性增長。由圖4可以看出，溫度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著溫度的不斷上升，碳化深度亦呈線性增長。

對比圖3和圖4可知，當相對濕度保持40%，溫度從10℃上升到40℃時，碳化深度加深了約155.75%；當溫度保持在10℃，相對濕度從40%上升到70%時，碳化深度加深了約97.64%。由此可以看出，溫度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響大于相對濕度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響。

圖3 相對濕度對碳化深度的影響

圖4 溫度對碳化深度的影響

已有研究表明，對于普通混凝土來說，溫度和相對濕度對碳化深度的影響較大，碳化深度隨著溫度的上升而加深，隨著相對濕度的增大而降低。此次試驗結果與普通混凝土研究結果相比，溫度對碳化深度的影響趨勢相同，而相對濕度對碳化深度的影響規律與普通混凝土有所不同。原因在于，溫度對混凝土碳化深度的影響主要體現在環境溫度的升高加速了CO2的擴散，可碳化物質的遷移速度也相應提高，混凝土碳化的化學反應速率提高，油菜秸稈基纖維混凝土也一樣。對相對濕度來說，碳化結果主要受兩方面影響。一方面，相對濕度增大，混凝土內部的孔隙水飽和度增大，且混凝土碳化過程中會釋放水，混凝土內部孔隙水增多阻礙了CO2的擴散，使混凝土碳化速度降低；另一方面，秸稈纖維吸濕性能很強，能吸收漿體中部分水分，使混凝土內部的孔隙水飽和度降低，孔隙率增大，同時秸稈纖維自身存在較多孔洞縫隙，漿體硬化過程中的水化產物會進行流動填充，致使混凝土漿體孔隙率增大，促進了CO2的擴散，且該促進作用大于前面所述的阻礙作用，故總體呈現出混凝土碳化速度隨相對濕度增大而加快的規律。

3 結論與展望

試驗結果表明，相對濕度和溫度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響較大，隨著相對濕度和溫度的上升，油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度呈線性增長，且溫度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響大于相對濕度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響。

本次試驗研究結果中溫度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響，與溫度對普通混凝土碳化深度的影響趨勢相同，而相對濕度對油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的影響規律與對普通混凝土不同，但鑒于本課題組前期已有研究，油菜秸稈混凝土的保溫性明顯優于普通混凝土，故可考慮在低溫干燥地區使用該材料建造建筑物外圍護結構。

上述試驗中，溫度和相對濕度設定條件分別為10 ℃、20℃、30 ℃、40 ℃和40%、50%、60%、70%，若要得出更精準的試驗結果，還需將溫度與相對濕度條件的梯度縮小、范圍擴大，探究油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度與溫度、相對濕度是否滿足線性關系。且針對基準條件水灰比、秸稈纖維長度及摻量不同時，溫度和相對濕度對碳化深度的影響是否會呈現不同的變化趨勢，還有待進一步研究。另外，影響油菜秸稈基纖維混凝土碳化深度的因素有很多，除本試驗設計中的溫度、相對濕度因素外，還有水泥品種、骨料質量、骨料級配、外加劑品種應力、CO2濃度等，后續可在本試驗研究成果的基礎上，繼續完善油菜秸稈基纖維混凝土的抗碳化性能研究。