水工混凝土抗碳化性能試驗研究

呂春雨

（興城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 興城 125100）

碳化是導(dǎo)致水工混凝土劣化、鋼筋銹蝕甚至結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要因素之一，許多學(xué)者正不斷深化相關(guān)研究。目前，為滿足日益提高的耐久性要求實際工程廣泛使用硅灰、粉煤灰、礦粉等摻合料配制高性能混凝土[1]。在改善骨料界面與孔隙結(jié)構(gòu)的同時，活性摻合料還可以參與水化反應(yīng)增大水泥基體密實性，使水分和CO2的滲入難度提高。對于滲透規(guī)律和碳化機理有關(guān)學(xué)者開展了深入研究，如伏程紅等研究認為大摻量粉煤灰-礦渣混凝土的抗碳化性能明顯較優(yōu)；徐飛等考慮粉煤灰與礦粉復(fù)摻的情況，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)提出定量設(shè)計抗碳化性能的方法；容志剛等認為混凝土復(fù)摻礦粉與粉煤灰及單摻礦粉均可以明顯降低其碳化深度；楊益等采用室內(nèi)試驗探討了再生混凝土碳化深度主次影響因素[2-5]。

在保證漿體流動性的情況下，摻入減水劑可以進一步提高水泥石密實度及抗碳化性能，其作用效果主要取決于減水劑在膠凝材料上的穩(wěn)定能力和吸附效率[6]。另外，摻減水劑可以形成封閉均勻的小氣泡，在外界水分及CO2滲入過程中這些小氣泡發(fā)揮著一定阻礙作用，常用的降水及有脂肪族、萘系和聚羧酸系高效減水劑。趙晶等研究發(fā)現(xiàn)，在高活性摻合料混凝土中摻入聚羧酸減水劑可以增強其抗氯離子滲透和抗碳化性能；張凱等探究了水工混凝土抗碳化性能受聚羧酸減水劑、礦粉和粉煤灰摻量的影響作用，表明摻1.0%減水劑試塊的抗碳化能力最強；彭華娟等探討了摻聚羧酸減水劑和粉煤灰混凝土的抗碳化能力，發(fā)現(xiàn)同時摻1.2%減水劑和30%粉煤灰試塊的抗碳化能力最優(yōu)[7-9]。在保持減水劑摻量不變的情況下，混凝土中礦粉摻量越高且粉煤灰摻量越低則其抗碳化性能越強。鑒于此，文章利用快速碳化試驗，探究了水工混凝土抗碳化性能受膠材用量、水膠比和活性摻合料的影響規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 原材料

1）水泥：遼寧渤海水泥集團生產(chǎn)的 P·O 42.5 級水泥，初、終凝時間165min和240min，標稠用水量26.6%，28d抗折、抗壓強度8.5MPa和50.7MPa。

2）礦物摻合料：大連華能電廠提供的國電II級灰和大連金橋超細粉有限公司生產(chǎn)的S95及礦粉。其中，粉煤灰的燒失量2.35%，含水量0.1%，SO3含量0.56%，細度15.8%，需水量比98%。礦粉的含水量0.1%，流動度比103%，比表面積461m2/kg，密度2.90g/cm3，28d活性指數(shù)105%。

3）粗細骨料：興城市金源砂石場 提供的Ⅱ區(qū)天然中砂和鐵嶺鵬程石料有限公司生產(chǎn)的連續(xù)級配5~31.5mm石灰?guī)r碎石。其中，砂的堆積密度1 480kg/m3，含泥量0.6%。碎石的含泥量0.5%，針片狀含量6.2%，壓碎指標9.1%，堆積密度1 490kg/m3。

4）外加劑：蘇博特SBTJM?-9系列高效減水劑，拌合水用當?shù)刈詠硭?/p>

1.2 試驗方法

參照《水工混凝土試驗規(guī)程》等相關(guān)標準測定水工混凝土的工作性、力學(xué)強度以及抗碳化性能，拌合物坍落度設(shè)計值均為150±30mm。碳化試驗選用100mm×100mm×100mm試塊，每組3個，試驗過程如下：先將標養(yǎng)至28d的試塊取出放入烘箱(溫度60℃)烘干48h，然后保留一個相對面并用加熱的石蠟密封其它兩個相對表面，并將試塊放入CCB-70型碳化箱碳化至3d、7d、14d、28d，碳化箱內(nèi)相對濕度(70±5)%，CO2濃度(20±3)%，達到規(guī)定齡期后取出從中間按劈裂發(fā)破型，隨后立即測定并記錄碳化深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水膠比試驗

試驗保持水泥用量不變，通過調(diào)整用水量設(shè)計0.56、0.53和0.50三種水膠比，并測定拌合物坍落度、不同齡期碳化深度及其28d抗壓強度，探究試塊抗碳化性能受水膠比的影響，方案設(shè)計及結(jié)果見表1。

表1 水膠比試驗方案及測試數(shù)據(jù)

由表1可知，水膠比為0.53、0.50組相較于0.56組混凝土28d碳化深度減少了3.5mm與7.6mm。從小到大各組28d碳化深度排序為S3＜S2＜S1，隨水膠比的減小試塊碳化深度逐漸降低。這是因為混凝土內(nèi)部分布著大小各異的氣孔、孔隙和氣泡等，這種多孔材料具有一定透氣性，其內(nèi)部孔隙率隨著用水量的增加而增大，外界的CO2和水更易滲入內(nèi)部氣孔，在毛細管水溶液中溶解的CO2會與水酸鈣、Ca(OH)2等水化產(chǎn)物生成CaCO3，使得碳化深度增大[10]。同時，混凝土內(nèi)部孔隙率隨水膠比的減小而降低，從而使得CO2的滲入難度增大，相應(yīng)的抗碳化性能得到改善。

2.2 膠凝材料試驗

試驗固定水膠比0.53不變，通過調(diào)整膠材用量，測定3d、7d、14d、28d齡期碳化深度以及28d抗壓強度，探究試塊抗碳化性能受膠凝材料用量的影響，方案設(shè)計及結(jié)果，見表2。

表2 水膠比試驗方案及測試數(shù)據(jù)

由表2可知，S4、S5組相較于S2組混凝土28d碳化深度雖然減少，但是其減小幅度隨膠材用量的增加而下降。因此，相同水膠比情況下，增大膠材用量并不能明顯降低混凝土碳化深度。這是因為保持水膠比不變時，增大膠材用量對改變水泥基體內(nèi)部孔隙率的作用并不大，因而其改善效果相對較差。

2.3 粉煤灰摻量試驗

試驗固定用水量不變，通過調(diào)整粉煤灰摻量為15%、20%和25%，測定3d、7d、14d、28d齡期碳化深度以及28d抗壓強度，探究試塊抗碳化性能 受粉煤灰摻量的影響，方案設(shè)計及結(jié)果見表3。

由表3可知，S6基準對照組明顯小于摻粉煤灰組碳化深度，這表明摻入粉煤灰會使抗碳化能力下降。究其原因是粉煤灰的摻入能夠減少基體內(nèi)的堿含量，從而使得抗碳化性能有所下降，并且其摻量越高其減弱效應(yīng)越明顯。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量從15%增大到20%時S2組與S7組碳化深度相差不大。因此，雖然粉煤灰的摻入會降低抗碳化能力，但控制摻量不超過20%并不會使碳化深度明顯增加[11-13]。

2.4 礦粉摻量試驗

試驗固定水膠比不變，通過調(diào)整礦粉摻量為15%、20%和25%，測定3d、7d、14d、28d齡期碳化深度以及28d抗壓強度，探究試塊抗碳化性能受礦粉摻量的影響，方案設(shè)計及結(jié)果見表4。

表4 水膠比試驗方案及測試數(shù)據(jù)

由表4可知，S6組混凝土3d、7d和14d齡期碳化深度均低于S9、S10、S11組，碳化深度總體隨礦粉摻量的增加而增大，這是因為摻入礦粉相當于降低了單位體積內(nèi)的水泥量，相應(yīng)的Ca(OH)2、C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物含量隨之減少，所以礦粉摻量越高則碳化深度越大。S6組混凝土28d齡期碳化深度高于S9、S10、S11組，碳化深度隨礦粉摻量的增加而減小，這是因為隨著齡期的延長礦粉逐漸參與二次水化，由此生成的產(chǎn)物填充了混凝土內(nèi)部孔隙，使得水泥基體孔隙結(jié)構(gòu)得以改善，孔隙率減小，基體變得更加密實，CO2向內(nèi)部的滲入難度提高，從而增強了抗碳化能力。

2.5 礦物摻合料雙摻試驗

試驗固定用水量不變，通過調(diào)整粉煤灰和礦粉摻量，并測定拌合物坍落度、不同齡期碳化深度及28d抗壓強度，探究試塊抗碳化性能受粉煤灰與礦粉雙摻摻量的影響，方案設(shè)計及結(jié)果見表5。

表5 水膠比試驗方案及測試數(shù)據(jù)

由表5可知，S12組混凝土28d齡期碳化深度最小為14.4mm。通過與單摻試驗數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)，雙摻10%礦粉與10%粉煤灰組相比于單摻20%礦粉粉煤灰組的碳化深度低，表明混凝土雙摻條件下的抗碳化水平更高。究其原因是水泥顆粒與礦粉、粉煤灰顆粒可以形成連續(xù)級配梯度發(fā)揮一定的微集料效應(yīng)，不同粒徑顆粒能夠更好地相互填充，整個體系堆積更加緊密，進一步減小內(nèi)部孔隙，提高整體密實度；另外，活性摻合料的火山灰效應(yīng)可以激化水化反應(yīng)，使水泥基體孔隙率減少變得更加致密，增大CO2侵入難度，減少碳化深度。所以，礦粉與粉煤灰雙摻時的抗碳化性能更優(yōu)。在不改變雙摻總量35%的條件下，隨礦粉摻量的增加基體抗碳化能力逐漸增強，摻20%礦粉與15%粉煤灰的抗碳化性能最好。

3 結(jié) 論

1）減小水膠比可以有效增強水工混凝土抗碳化能力，固定水膠比不變時，碳化深度隨膠材用量的增加并未發(fā)生明顯改變，對改善水泥基體內(nèi)部孔隙率和抗碳化性能的作用不大。

2）摻入粉煤灰會使水工混凝土抗碳化能力下降，但控制摻量不超過20%并不會使碳化深度明顯增加。水工混凝土3d、7d、14d齡期碳化深度總體隨礦粉摻量的增加而增大，而28d齡期碳化深度隨礦粉摻量的增加而減小。

3）水工混凝土雙摻礦粉與粉煤灰時的抗碳化性能更好，并且總摻量為35%時，隨著礦粉摻量的增加整體抗碳化能力逐漸增強。