不同粉煤灰摻量的混凝土碳化試驗及研究分析

成詩君

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000）

0 引言

混凝土因其施工方便、性能優(yōu)越等特點，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中，已成為當(dāng)今用量最大的建筑材料。混凝土構(gòu)件的耐久性方面如果出現(xiàn)問題，將會影響建筑物的安全以及使用壽命，而鋼筋混凝土的碳化將會直接影響其耐久性[1]。1998年吳中偉院士提出了綠色高性能混凝土的概念，綠色高性能混凝土是指在原有的混凝土中通過添加一些材料的方式，以提升混凝土各方面的性能[2]。從試驗以及實踐的情況來看，通過在混凝土中添加適量的粉煤灰，可以在一定程度上提高混凝土的耐久性與抗裂性[3]。因此，本文通過不同粉煤灰摻量的混凝土碳化試驗，研究并分析了不同摻量的粉煤灰對混凝土碳化的影響程度及其原因。

1 混凝土碳化的機(jī)理

硅酸鹽水泥在水化反應(yīng)過程中會生成堿性產(chǎn)物氫氧化鈣，這些堿性產(chǎn)物溶于水中產(chǎn)生氫氧化鈣溶液，其堿性很強(qiáng)，pH值能夠達(dá)到12～13。這些堿性物質(zhì)會附著在鋼筋表面，在鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4的鈍化膜，對鋼筋起到很好的防腐蝕保護(hù)作用。鋼筋混凝土在澆筑完成之后，隨著時間的推移，其毛細(xì)孔內(nèi)的部分液體會自然蒸發(fā)，隨之空氣中的二氧化碳變會滲入這些毛細(xì)孔，與孔隙中的可碳化物質(zhì)相互作用，形成酸性產(chǎn)物，破壞掉原本的堿性環(huán)境，將使混凝土內(nèi)部的鋼筋面臨著被腐蝕的風(fēng)險，從而嚴(yán)重影響鋼筋混凝土的耐久性[4]。

2 影響混凝土碳化的因素

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性特點。按照目前的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求來看，一般建筑的合理使用年限為五十年，能否正常使用五十年，和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有很大關(guān)系。鋼筋混凝土的碳化是影響其耐久性的關(guān)鍵因素之一，而材料、環(huán)境和施工條件則是影響鋼筋混凝土碳化的三個主要因素。

2.1 材料因素

材料對于鋼筋混凝土的碳化程度將會起到直接的影響，并與水泥摻量和礦物摻合料的比例有直接的關(guān)聯(lián)。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，水灰比越高，鋼筋混凝土的碳化速度越快，碳化反應(yīng)越明顯，即隨著鋼筋混凝土中水灰比的增大，其碳化問題會越來越嚴(yán)重。究其原因，主要是由于混凝土內(nèi)部的水分越多，在養(yǎng)護(hù)時蒸發(fā)掉后，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多的孔隙，如此就極大地削弱了混凝土自身的密實度，進(jìn)而為更多的二氧化碳的滲入創(chuàng)造了條件。而礦物摻合料的摻入，會一定程度上增加鋼筋混凝土的酸度。但部分研究人員認(rèn)為，如粉煤灰、硅灰等摻合料與混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)發(fā)生一系列反應(yīng)的產(chǎn)物，可以很好地填充孔隙，有效阻止二氧化碳進(jìn)入，使鋼筋免受其侵蝕。此外，目前市面上多見的外加劑有引氣劑和減水劑,前者能夠有效阻礙鋼筋混凝土孔隙的貫通與擴(kuò)張，而后者則能夠提升鋼筋混凝土內(nèi)部的密實度。

2.2 環(huán)境因素

就環(huán)境因素而言，主要是二氧化碳濃度、外界溫度、濕度等對鋼筋混凝土碳化所產(chǎn)生的影響。如果環(huán)境中水分較多，濕度較大，那么鋼筋混凝土里的孔隙會受到水分的作用而飽和，由于水填充了孔隙，就可以很好的抑制二氧化碳?xì)怏w的滲入，使碳化反應(yīng)幾乎不能發(fā)生。而在濕度較低的環(huán)境中，二氧化碳?xì)怏w也較難溶解于水中，所以鋼筋混凝土的碳化也很難發(fā)生。但當(dāng)外部氣溫過高，空氣中的物質(zhì)與氣體活動會更加頻繁，便為二氧化碳?xì)怏w的滲入創(chuàng)造了極為有利的環(huán)境，會加劇鋼筋混凝土碳化反應(yīng)的進(jìn)程。當(dāng)二氧化碳濃度變大，就會向混凝土內(nèi)孔隙擴(kuò)散，碳化作用便隨著氣體的滲入而發(fā)生。

2.3 施工因素

施工因素也是鋼筋混凝土碳化的重要因素之一。澆筑混凝土?xí)r，如果振搗力度不足或是不均勻，將使鋼筋混凝土的密實度得不到足夠的保障，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙會大大增加，進(jìn)而給后期二氧化碳的滲入創(chuàng)造了有利條件。此外，鋼筋混凝土澆筑后，良好的養(yǎng)護(hù)也會促使水泥水化反應(yīng)充分，可很好地提高混凝土的密實度，進(jìn)而降低后期碳化的概率。

3 不同摻量的粉煤灰對混凝土碳化影響的試驗

3.1 試驗方法

一般可以通過CEN測定法、滲透法和快速碳化法等方法進(jìn)行碳化試驗。其中第一種方法具有耗能高、時間久等缺點，不僅如此，還不能保證最終測試結(jié)果的精準(zhǔn)性，因而該方法在工程試驗中應(yīng)用十分有限。而第二種方法則具有要求嚴(yán)格、技術(shù)水準(zhǔn)要求高的特點，因而也在工程試驗中很少見。

相比之下，快速碳化法在很多工程試驗當(dāng)中十分常用，該方法主要是利用100mm×l00mm×400mm的棱柱體來進(jìn)行試驗，且環(huán)境與常溫相差不大，濕度要求也不高，在70%±5%的濕度環(huán)境下就可以進(jìn)行試驗，另外二氧化碳的含量在20%±3%即可。在快速碳化法正式測試前，一定要對混凝土展開封蠟操作，并把試驗對象的三個側(cè)面和兩個底面同步密封，只需留有一個側(cè)面不作處理，直接暴露于外界。另外要把試驗的試件進(jìn)行畫線分段，畫出四條分界線，用來做3d、7d、14d以及28d的齡期試驗，在每一次操作完成后都需要重新封蠟密封，在測試面應(yīng)等距離測量。快速碳化法應(yīng)用比較普遍，與其可操作性高、可信度好、周期短、環(huán)境要求不高等有直接關(guān)系，因而本次試驗就選用該試驗方法。

3.2 試驗步驟

此次試驗釆用上海雷韻試驗儀器制造有限公司生產(chǎn)的BBC-70型混凝土碳化試驗箱。試驗選用不同粉煤灰摻量下（0、10%、20%、30%、35%）的混凝土，具體配合比如表1 所示。試件的尺寸為100mm×l00mm×400mm，脫模在24h后進(jìn)行，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。

表1 不同粉煤灰摻量混凝土試件的配合比

此次試驗完全按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50082-2009）中規(guī)定的步驟和要求完成[5]。

（1）將養(yǎng)護(hù)到齡期的試件取出，將其放置在烘干箱中進(jìn)行烘干，一般情況下需要對其進(jìn)行48h的烘干操作，溫度控制在60°C。

（2）在上一步驟結(jié)束后，需要把棱柱體混凝土試件予以封蠟，具體操作為除留下一個側(cè)面不作密封處理外，其他所有的面都要進(jìn)行封蠟；并且需要在未處理的表面上每隔1cm，用鉛筆畫一條直線，此舉是為了能夠更好地明確碳化位置和深度。

（3）接下來需要按照編號對所有的棱柱體進(jìn)行排序并放置，等所有試件全部放進(jìn)去之后，關(guān)閉碳化箱并密封，再開啟二氧化碳?xì)忾y，且將其濃度控制于20%±3%范圍內(nèi)并持續(xù)輸入，最終將內(nèi)部溫度和濕度調(diào)整為試驗標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的數(shù)值。

3.3 試驗結(jié)果及分析

不同粉煤灰摻量的混凝土試件各齡期碳化試驗結(jié)果如表2所示，表中混凝土碳化深度值為試件在各試驗齡期時的平均碳化深度值，精確到0.1mm。

表2 不同粉煤灰摻量混凝土試件各齡期碳化試驗結(jié)果

從表2可看出，此次試驗中，隨著粉煤灰摻量的增加和碳化時間的增長，試件的碳化深度值是不斷在增加。當(dāng)粉煤灰摻量超過30%（T5試件）時，混凝土試件的碳化深度值（28d）從8.3mm急劇增加到19.6mm，抗碳化能力顯著下降。當(dāng)粉灰煤的摻加量控制在10%和20%的時候，混凝土碳化深度（28d）分別增長了18.75%和30%，增長速率較緩。

粉煤灰屬于礦物摻合料，粉煤灰的加入，直接取代了部分水泥用量，使得配合比中水泥用量減少。粉煤灰中含有較多活性的SiO2和Al2O3，會和水泥水化作用的堿性產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H產(chǎn)物。一方面，隨著水泥用量的減少，水化作用產(chǎn)生的堿性產(chǎn)物也會減少，并且由于粉煤灰的加入，還會消耗部分堿性產(chǎn)物，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部堿度降低，加快了碳化速率，導(dǎo)致了抗碳化性能下降[6]。但另一方面，生成的C-S-H能夠較好地改善混凝土內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，填充在微小孔隙中，進(jìn)而增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，阻礙二氧化碳的滲透，達(dá)到增強(qiáng)混凝土抗碳化能力的目的。因此，當(dāng)粉煤灰摻量在20%以下時，其對混凝土密實度提高的作用占主導(dǎo)，故其抗碳化的能力下降得較慢；而當(dāng)粉煤灰摻量在30%以上時，混凝土的碳化明顯加快，碳化深度顯著增加，抗碳化性能大大降低，主要原因是：隨著水泥用量減少和粉煤灰用量增加，此時混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)含量減少過快，其堿度降低的速度已經(jīng)遠(yuǎn)高于混凝土內(nèi)部密實度增強(qiáng)的速度[7]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文闡述了混凝土碳化的機(jī)理，從材料、環(huán)境、施工等三個方面分析了影響混凝土碳化的因素，并根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50082-2009），對不同粉煤灰摻量混凝土試件各齡期碳化情況進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量在20%以下時，混凝土試件抗碳化的能力下降較慢，主要得益于混凝土密實度的提高占主導(dǎo)；而當(dāng)粉煤灰摻量在30%以上時，混凝土的碳化明顯加快，碳化深度顯著增加，抗碳化性能大大降低，究其原因，主要是隨著水泥用量減少和粉煤灰用量增加，混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)含量減少過快，其堿度降低的速度已經(jīng)遠(yuǎn)高于混凝土內(nèi)部密實度增強(qiáng)的速度。