粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響

齊繼民，王相國，李興坤

（臨沂中聯混凝土混凝土有限公司，山東 臨沂 276000）

0 前言

混凝土的碳化通常指的是空氣中的二氧化碳氣體通過混凝土毛細孔擴散到其內部，再與水泥的水化產物發生相應的物理化學反應，最終形成穩定化合物碳酸鈣的過程[1]。碳化改變了混凝土內部的酸堿環境，導致堿性降低，酸性增強，因此破壞了起保護作用的鋼筋表面的鈍化膜，進而加快了對鋼筋的腐蝕，所以對混凝土抗碳化性能的研究具有重要意義。

粉煤灰是一種具有火山灰活性的材料，被廣泛應用于混凝土工程中。在 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[2]將粉煤灰劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三個等級，GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應用技術規范》[3]中規定Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰可用于鋼筋混凝土，Ⅲ 級粉煤灰主要應用于無筋混凝土。

不同等級品質粉煤灰的化學成分和物理結構的不同導致其對混凝土抗碳化性能的影響也有所差異。本文以C30 強度等級的混凝土為例，對比研究了Ⅰ、Ⅱ級兩種不同品質的粉煤灰以及粉煤灰摻量等因素對混凝土抗碳化性能的影響，從而為混凝土抗碳化性能的研究提供理論參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥選用臨沂中聯水泥有限公司生產的 P·O42.5 水泥，主要性能指標見表 1；粉煤灰選用費縣發電廠的Ⅰ、Ⅱ級灰，主要化學成分及性能指標見表 2、表 3；礦粉選用臨沂中聯水泥有限公司生產粒化高爐礦渣粉S95，比表面積為 420m2/kg。

表1 水泥的主要物理性能

表2 粉煤灰的化學成分 %

表3 粉煤灰的主要物理性能 %

1.2 試驗方法

混凝土的碳化試驗按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[4]和 JG/T 247—2009《混凝土碳化試驗箱》[5]進行，試驗過程中控制碳化試驗箱內二氧化碳濃度保持在 (20±3)%、濕度控制在 (70±5)%、溫度控制在 (20±2)℃的范圍內。

2 試驗結果與分析

2.1 粉煤灰品質對混凝土抗碳化性能的影響

試驗選用Ⅰ、Ⅱ級兩種品質的粉煤灰，粉煤灰的摻入量為水泥質量的 20%，與不摻入粉煤灰的混凝土試塊做對比試驗，試驗試塊編號分別為 P1、P2、P3，具體配合比見表 4，測定混凝土試塊在 3d、7d、14d、28d時的碳化深度，探究粉煤灰品質對混凝土抗碳化性能的影響，試驗結果見表 5 和圖 1。

表4 不同品質粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

從表 5 和圖 1 可以看出，摻入Ⅰ級粉煤灰的混凝土試塊 P2 和摻入Ⅱ級粉煤灰的混凝土試塊 P3 在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值都要比不摻粉煤灰的混凝土試塊 P1 大，試塊 P3 的碳化深度值略大于試塊 P2，說明了粉煤灰的摻入加大了混凝土的碳化深度值，Ⅱ級粉煤灰混凝土的抗碳化性能略低于Ⅰ級粉煤灰混凝土。其中主要的原因：一是，相比較于Ⅱ級粉煤灰，Ⅰ級粉煤灰的細度較小、顆粒較細，具有較大的比表面積，能夠更好地填充于混凝土結構中[6]；二是，Ⅰ級粉煤灰的需水量比小，即在水灰比不變的條件下，更多的水分參與水泥的水化，使得水泥的水化更徹底，混凝土內部結構相對密實，所以，Ⅰ級粉煤灰混凝土的碳化深度值略小，抗碳化性能略強于Ⅱ級粉煤灰。

圖1 粉煤灰品質對混凝土碳化深度的影響

表5 粉煤灰品質對混凝土碳化深度的影響

2.2 粉煤灰摻量對混凝土抗碳化性能的影響

試驗選用Ⅱ級品質的粉煤灰，將粉煤灰替代不同水泥質量作為變量因素，替代水泥的質量分別為 0%、10%、20%、30%，試驗試塊編號分別為 T1、T2、T3、T4，具體配合比見表 6，測定混凝土試塊在 3d、7d、14d、28d 時的碳化深度，探究粉煤灰摻量對混凝土抗碳化性能的影響，試驗結果見表 7 和圖 2。

表6 不同粉煤灰摻量混凝土配合比 kg/m3

從表 7 和圖 2 可以看出，摻入粉煤灰的混凝土試塊 T2、T3、T4 較不摻粉煤灰的混凝土試塊 T1 的碳化深度值大，T2、T3、T4 的碳化深度值大小為：T4＞T3＞T2，即隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試塊在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值呈現變大的趨勢，粉煤灰替代水泥質量 30% 時，28 天的碳化深度值是不摻粉煤灰混凝土的 1.5 倍。說明了粉煤灰摻入的越多，其混凝土的抗碳化性能越弱。其中主要的原因是，粉煤灰是一種活性混合材料[7-8]，替代部分水泥加入到混凝土中后，在水泥水化的早期不發生化學反應，隨著水泥水化進一步的進行，激發了粉煤灰的活性，粉煤灰中的 Al2O3與 SiO2和水泥水化的堿性物質 Ca(OH)2發生反應，造成了混凝土堿性的降低，抗碳化性能的減弱。

表7 粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響

圖2 粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響

3 結論

（1）在粉煤灰的摻入量為水泥質量的 20% 下，Ⅰ級粉煤灰略低于Ⅱ級粉煤灰混凝土的碳化深度值，其混凝土抗碳化性能相對更優。

（2）與不摻粉煤灰混凝土相比，摻入粉煤灰混凝土的碳化深度值更大，說明了粉煤灰的摻入，降低了混凝土抗碳化性能。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試塊在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值呈現變大的趨勢，粉煤灰替代水泥質量 30% 時，28 天的碳化深度值是不摻粉煤灰混凝土的 1.5 倍。