養護齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能影響研究

王云峰

(中鐵十六局集團第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

隨著國家建材資源逐漸緊缺，混凝土制備技術也在不斷進步，粉煤灰以其可改善混凝土和易性等優異性能成為混凝土的主要成分之一[1]。粉煤灰二次水化會降低混凝土的堿性，弱化其抗碳化性能，進而導致內部鋼筋銹蝕開裂，嚴重影響其耐久性能。故而，對于較高摻量的粉煤灰混凝土，如何有效提高其抗碳化性能，延長結構使用壽命具有主導性意義。

混凝土抗碳化性能的強弱跟其早期養護時間成正比關系[2]。Sulapha P[3]、阿茹罕[4]、朱紅英[5]等研究混凝土標養3 d、7 d、14 d、28 d后的碳化性能，結果表明，延長早期養護時間可使混凝土抗碳化性能增強；但當粉煤灰摻量過多時，這種增強作用并不明顯。Hobbs D W[6]、Sisomphon[7]等通過對比不同養護齡期混凝土的快速碳化深度發現:經標準養護28 d的混凝土碳化深度約為養護3 d的42.5%。何小軍[8]通過研究長期濕養護條件下的粉煤灰混凝土抗碳化性能發現:對于粉煤灰摻量和水膠比一高一低情況下，長期濕養護可顯著提高其抗碳化性能。上述學者在進行混凝土抗碳化性能的研究中著重分析標準養護3 d、7 d、14 d 和28 d 的混凝土[9－10]，但當混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰在混凝土養護28～90 d期間會發生二次水化反應，導致混凝土堿度降低，對其抗碳化性能會產生一定影響[11－12]。

基于以上分析，本文研究水膠比為0.35、0.42、0.50 且經標準養護28 d、56 d、90 d(分別記為 A、B、C條件)的混凝土試件碳化規律，試件中粉煤灰摻量分別為0%、30%和60%。標準養護56 d和90 d不僅達到了常規混凝土抗碳化性能標準養護28 d的要求，而且使粉煤灰二次水化作用更為充分，降低了其對混凝土抗碳化性能產生的不確定性影響。根據水泥－粉煤灰體系非蒸發水含量以及SEM對混凝土粗骨料界面過渡區密實程度的觀測結果，分析其作用機理。

2 試驗內容設計

2.1 原材料

試驗用膠凝材料采用上思華潤P.O42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰產地為北海鐵山港電廠，指標為Ⅱ級，其主要化學組成和比表面積見表1。粗骨料粒徑為5～31.5 mm，含泥量<0.2%，細骨料取Ⅱ區中砂，級配良好，減水劑為聚羧酸系。

表1 試驗用膠凝材料化學成分和比表面積

2.2 試驗方法

(1)試件制備

根據表2所列配合比，100×100×400 mm的試件成型后置于標準養護箱進行養護，達到預設的齡期后停止養護并參照標準規定的方法進行快速碳化試驗。

表2 混凝土配合比

(2)水泥－粉煤灰體系非蒸發水含量測定

通過燒失量法將三種條件下的水泥－粉煤灰體系非蒸發水含量進行測定，據此對體系中水化產物量值進行表征。

(3)粗骨料界面過渡區SEM試驗

依據文獻[13]所述，采用壓力破碎法將各條件下試件破碎，利用SEM觀測水泥石和骨料的界面過渡區。

3 試驗結果與分析

3.1 養護齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響

水膠比分別為0.35、0.42、0.50時，各階段混凝土碳化深度如圖1所示(注:圖中A表示A養護條件；B表示B養護條件；C表示C養護條件)。

圖1 不同水膠比條件下混凝土碳化深度隨齡期變化曲線

對比圖1中粉煤灰摻量為0%和30%的幾條曲線可以發現:養護時間延長，混凝土碳化深度逐漸降低；當粉煤灰摻量增加到60%，養護90 d反而導致混凝土碳化深度最大，究其原因大概率因為較長的早期養護時間激發了粉煤灰的二次水化作用，消耗了體系中的Ca(OH)2所致。

對比圖2a和圖2b，當水膠比為0.35和0.42且粉煤灰含量相同時，B、C條件下混凝土的碳化深度增加值相對于A條件要更小，表明混凝土標準養護時間的延長可適當增強其抗碳化性能；延長早期養護時間對于水膠比為0.50的純水泥混凝土其碳化性能表現為逆增長；當粉煤灰含量為60%時，延長早期養護時間對其影響較小。

圖2 三種條件下碳化深度增加值

3.2 養護齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能影響的定量分析

定義系數K1、K2(以下稱為K1、K2值)，K值越接近于1，表明養護齡期對混凝土抗碳化作用越不明顯。

式中:M3、M1、M2分別為 A、B、C 養護條件下混凝土28 d碳化深度增加值，mm。

根據圖1各齡期碳化數據，通過計算得到各組混凝土試塊的K1、K2值，見表3。

表3 各組試塊K1/K2值

對比表3中粉煤灰含量為0%和30%的兩組數據，B、C兩種養護條件下的K1、K2值較為接近，這表明當混凝土中粉煤灰含量較低時，較長的養護齡期仍然不會使其抗碳化性能顯著提高；當摻入較大量的粉煤灰(60%)時，水膠比為0.35和0.42的試塊K1、K2值均較低，這表明在此條件下延長早期養護齡期會顯著提高其抗碳化性能；當水膠比為0.35時，B、C條件下混凝土28 d碳化深度增加值僅分別為A條件下的66%和38%。

4 機理分析

4.1 非蒸發水含量分析

三種條件下水泥－粉煤灰體系的非蒸發水含量結果如圖3所示。

圖3 三種條件下體系非蒸發水含量

對比圖3數據可知:總體而言，水泥－粉煤灰體系的非蒸發水含量隨著水膠比的增大而逐漸增加；B、C兩種條件下的數據均高于A條件，但相差較小，這表明較長的早期濕養護時間并不能繼續促進水泥及粉煤灰的水化；當含有30%粉煤灰時，各養護條件下非蒸發水含量相差較小，密實效應占主導地位，在延長養護齡期時抗碳化性能得以增強；當粉煤灰含量為60%，延長養護齡期雖能使結構變的更為致密但粉煤灰的二次水化消耗體系中Ca(OH)2也會相應降低混凝土堿度，進而影響其耐久性。

4.2 養護齡期對混凝土粗骨料界面過渡區的影響

粉煤灰摻量為60%，三種條件下混凝土粗骨料界面過渡區的形貌特征如圖4所示(注:圖片中A為集料；M為水泥石)。

圖4 三種條件下的SEM圖

對比圖4中各SEM圖像，同一養護條件下，粗骨料界面過渡區密實程度隨水膠比的增大而逐漸變差；同一水膠比下隨著養護齡期的延長而變得更為密實；當水膠比為0.50且粉煤灰含量為60%時，三種養護條件下混凝土界面過渡區密實程度相差不大，這表明對于較高的水膠比和粉煤灰摻量，即使延長早期養護時間，對粉煤灰混凝土抗碳化性能提高作用仍不明顯。

5 結束語

(1)粉煤灰摻量和水膠比一高一低時，過渡區密實效應占主導地位，延長養護齡期可使得粉煤灰混凝土的抗碳化性能明顯提高。

(2)粉煤灰摻量和水膠比均較高或較低時，延長養護齡期對其界面過渡區的改善作用并不明顯，早期養護56 d或90 d均不能有效提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

(3)對于含摻合料混凝土，當水膠比較高時，無論摻合料摻量大小，即使延長養護時間至90 d亦不能使其抗碳化性能明顯提高。