孫 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

粉煤灰高性能混凝土碳化規(guī)律的試驗(yàn)研究

孫 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

模擬研究了季凍地區(qū)粉煤灰高性能混凝土的工作狀態(tài)和工作條件，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的二維回歸分析，建立了季凍地區(qū)粉煤灰高性能混凝土碳化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，得出了碳化程度最小時(shí)的粉煤灰加入量與石灰加入量，為設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)合理的依據(jù)。

粉煤灰高性能混凝土，凍融循環(huán)，碳化規(guī)律

1 概述

碳化會(huì)使混凝土的堿儲(chǔ)量降低，如果碳化深度大于保護(hù)層厚度，則鋼筋表面在初期混凝土中堿的作用下生成的鈍化膜將受到破壞，使混凝土中的鋼筋遭到銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。由于粉煤灰的加入，導(dǎo)致混凝土中的堿儲(chǔ)量不足，從而引發(fā)粉煤灰高性能混凝土碳化速度較普通混凝土而言變快；因此，探索不同條件作用下的粉煤灰高性能混凝土的碳化規(guī)律很有必要。

2 粉煤灰高性能混凝土碳化的特點(diǎn)

混凝土的碳化是混凝土在正常使用階段，空氣中的CO2通過(guò)混凝土中的孔隙侵入混凝土和水泥石內(nèi)，與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成CaCO3與H2O的化學(xué)過(guò)程。混凝土中的Ca(OH)2會(huì)由于混凝土碳化而被大量的消耗，使混凝土的強(qiáng)度降低，同時(shí)引起混凝土體積的減小，使構(gòu)件的承載能力大為降低，為建筑的安全性、可靠性留下重大隱患[3]。在混凝土碳化的不斷發(fā)展過(guò)程中，混凝土的pH值逐漸由堿性變?yōu)樗嵝裕@樣將導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋過(guò)早腐蝕，同樣會(huì)給混凝土構(gòu)件的承載能力帶來(lái)很大損失。

在粉煤灰高性能混凝土中，由于粉煤灰的加入，混凝土中水泥用量將減少，即Ca(OH)2的含量將減少。由于粉煤灰高性能混凝土中堿含量的減少，混凝土碳化的速度將加快。Thomas等人曾針對(duì)粉煤灰高性能混凝土的碳化隨粉煤灰的加入量的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)[4]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是：粉煤灰混凝土的碳化速度將隨著粉煤灰的不斷增加而越來(lái)越快，但是，當(dāng)粉煤灰的加入量不大于50%時(shí)，粉煤灰混凝土的碳化速度的增加比率處在較慢水平[1，2]。

混凝土的碳化雖然主要是由于混凝土的堿儲(chǔ)備被CO2所消耗，但是CO2進(jìn)入混凝土的通道——空隙，也對(duì)混凝土碳化有著重要的影響。在不加入外加劑的情況下，粉煤灰混凝土的抗?jié)B性行程時(shí)間較長(zhǎng)[3]。Torii等人的試驗(yàn)表明：當(dāng)粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入量達(dá)到50%時(shí)，粉煤灰高性能混凝土的滲透性增加的速度將非常快[5]。

3 在同種水泥粉的條件下粉煤灰高性能混凝土碳化規(guī)律的對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料表明，對(duì)于粉煤灰高性能混凝土，其碳化的影響因素主要有：混凝土中的堿儲(chǔ)備、凍融循環(huán)、正常使用時(shí)CO2的濃度、濕度、粉煤灰的細(xì)度、水泥品種等因素。本節(jié)在滿足GB/T 50082-2009的要求下，控制水泥粉用量為50%不變的條件下，著重對(duì)前兩種因素做控制變量試驗(yàn)，得出粉煤灰高性能混凝土碳化的規(guī)律。

3.1 針對(duì)于不同石灰劑量的粉煤灰高性能混凝土碳化試驗(yàn)

混凝土的碳化主要是由于混凝土中堿儲(chǔ)備不足，尤其是粉煤灰高性能混凝土。由于粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入，導(dǎo)致了堿儲(chǔ)備較普通混凝土來(lái)說(shuō)有所減少。若想提高粉煤灰高性能混凝土的堿儲(chǔ)備，最直接經(jīng)濟(jì)的方法就為在其中加入石灰。同時(shí)，伴隨著石灰的加入，粉煤灰混凝土的水化則進(jìn)行的更為徹底，強(qiáng)度也有所提高。

試驗(yàn)中采用蚌埠海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥；粉煤灰采用淮南平圩電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；集料選用5 mm～10 mm單粒級(jí)石灰石碎石。原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 原料的化學(xué)組成 %

1)試驗(yàn)。試驗(yàn)1控制CO2含量為20%，溫度為20 ℃，濕度為70%，并進(jìn)行針對(duì)于石灰加入劑量和類型的碳化試驗(yàn)。試驗(yàn)中摻加熟石灰并控制石灰摻量為0%,5%,10%(占水泥質(zhì)量)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 粉煤灰高性能混凝土碳化深度測(cè)試結(jié)果(石灰摻量為變量)

2)結(jié)論。通過(guò)試驗(yàn)1，可以確定在其他條件不變的前提下，粉煤灰高性能混凝土的碳化能夠隨著石灰加入量的不斷增加而有所改善，因此摻入石灰可以提高粉煤灰高性能混凝土的堿儲(chǔ)量，降低因堿儲(chǔ)量不足而過(guò)早使混凝土發(fā)生嚴(yán)重的碳化的可能。

3.2 針對(duì)于凍融循環(huán)下的粉煤灰高性能混凝土的碳化試驗(yàn)

針對(duì)于溫度的試驗(yàn)著重將進(jìn)行凍融循環(huán)作用下粉煤灰高性能混凝土的碳化探究。粉煤灰高性能混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后的碳化是非常特殊的，由于混凝土在凍融循環(huán)的過(guò)程中孔隙率的增加，使得混凝土更容易發(fā)生碳化[6]。本文通過(guò)四組試件來(lái)表明在相同的凍融殘余強(qiáng)度比(相對(duì)動(dòng)彈性模量殘余百分比，本文采用50%時(shí)的試件)的情況下粉煤灰高性能混凝土碳化的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果中，部分試件主要是在內(nèi)部發(fā)生碳化而外部無(wú)明顯碳化跡象；而其他試件則是在外部發(fā)生明顯碳化而內(nèi)部并無(wú)碳化跡象。因此通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)試方法已經(jīng)不能很好地表現(xiàn)出粉煤灰高性能混凝土的碳化程度，本文將采用碳化面積法來(lái)進(jìn)行測(cè)控。

1)試驗(yàn)。試驗(yàn)2控制CO2含量為20%，濕度為70%，并針對(duì)凍融循環(huán)和堿儲(chǔ)量變化下的碳化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)，凍融次數(shù)為40次，采用快凍法試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 凍融循環(huán)下粉煤灰高性能混凝土碳化面積試驗(yàn)結(jié)果

2)結(jié)論。通過(guò)對(duì)不同粉煤灰摻量粉煤灰高性能混凝土的凍融循環(huán)下的碳化面積試驗(yàn)，可以確定，隨著凍融殘余強(qiáng)度比的減小，由于粉煤灰高性能混凝土表面出現(xiàn)裂縫，CO2進(jìn)入試件的通道將進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致試件的碳化程度加劇(見(jiàn)圖1,圖2)。

4 粉煤灰高性能混凝土的碳化規(guī)律模型

通過(guò)上述兩個(gè)試驗(yàn)，初步確定粉煤灰高性能混凝土在堿儲(chǔ)備有所提高的情況下，碳化程度隨堿儲(chǔ)備的提高而減少。而試驗(yàn)2著重針對(duì)相同的凍融條件下，堿儲(chǔ)備的不同對(duì)粉煤灰高性能混凝土碳化的影響。充分模擬了季凍地區(qū)的粉煤灰高性能混凝土的使用狀態(tài)，并通過(guò)試驗(yàn)得出依據(jù)碳化面積為指標(biāo)的回歸方程如下：

δ=-3×10-6x3+4×10-4x2-8×10-3x+0.445。

其中，δ為混凝土的碳化面積百分率，即碳化面積與粉煤灰高性能混凝土截面面積的比值；x為粉煤灰的摻入量，則石灰摻入量為50%-x。通過(guò)三次多項(xiàng)式回歸曲線的模擬，初步建立了在季凍地區(qū)粉煤灰高性能混凝土的碳化規(guī)律模型，直觀的對(duì)設(shè)計(jì)和施工中如何提高粉煤灰高性能混凝土的性能提出了指導(dǎo)性建議。通過(guò)回歸方程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰的摻入量為11.5%時(shí)，碳化程度最小。因此，在進(jìn)行粉煤灰高性能混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，可將混凝土中的粉煤灰含量控制在11.5%左右，并加入38.5%左右的熟石灰提高堿儲(chǔ)量，則可以大幅改善粉煤灰高性能混凝土的碳化情況。

5 結(jié)語(yǔ)

粉煤灰高性能混凝土以其優(yōu)良的流動(dòng)性、粘聚性和保水性在工程中被廣泛的使用。同時(shí)粉煤灰高性能混凝土由于水化熱降低，裂縫出現(xiàn)的幾率也將有所減少，對(duì)混凝土后期的強(qiáng)度起到了保證。然而粉煤灰高性能混凝土的堿儲(chǔ)量由于粉煤灰的加入而被削減，從而導(dǎo)致粉煤灰高性能混凝土抗碳化能力降低，使其耐久性減弱。本文通過(guò)模擬季凍地區(qū)的粉煤灰高性能混凝土的工作狀態(tài)和工作條件進(jìn)行了針對(duì)性試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的二維回歸分析建立了季凍地區(qū)粉煤灰高性能混凝土碳化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型給出了碳化程度最小時(shí)的粉煤灰加入量與石灰加入量，為設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)合理的依據(jù)。

[1] Kazusuke Kobayashi and Yuichi Uno.Cement and Concrete Research,2012.

[2] 劉 伯.上海市粉煤灰應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1995.

[3] 沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1989.

[4] M.D.A.Thomas, J.D.Matthews,Magazine of Concrete Research,1992,44(160):217-228.

[5] K.Torii,K.Taniguchi，M.Kawamura.Cement and Concrete Research,2010.

[6] 陳樹東,孫 偉,余紅發(fā),等.凍融循環(huán)作用下粉煤灰混凝土碳化規(guī)律研究[J].工業(yè)建筑,2012,42(1):133-136.

Experimental research on carbonization law of high-performance fly ash concrete

SUN Shu-bin

(AnhuiHydraulicMinistry·HuaiweiHydraulicScienceAcademy,Bengbu233000,China)

The paper simulates the working conditions of high-performance fly ash concrete in frozen region, establishes the mathematical model of high-performance fly ash concrete carbonization law in frozen region with bi-dimensional regression of the experimental results, and finds out minimum fly ash amount and lime amount of the carbonization, which has provided scientific basis for design and construction.

high-performance fly ash concrete, freeze-thaw cycle, carbonization law

1009-6825(2014)22-0115-02

2014-05-12

孫述彬(1975- )，男，工程師

TU528

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