大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究

文/張武良 深圳市天地（集團(tuán)）股份有限公司 廣東深圳 518000

1、混凝土碳化機(jī)理分析

如下式1-1所示，混凝土碳化的本質(zhì)為水泥石（硬化后的水泥漿體）中的水化產(chǎn)物（主要為Ca(OH)2）與空氣中CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽（主要為CaCO3）的過程，該過程的基本特征為混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變且PH值降低，對混凝土性能影響較大?；诨炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，其在諸多大小各異的氣泡、空隙以及毛細(xì)管下表現(xiàn)為一種多孔體，并且整體形成一種固、液、氣三相非均勻體。由于混凝土碳化是從外向內(nèi)逐漸發(fā)展，因此反應(yīng)過程呈現(xiàn)為階梯狀。

對于混凝土的PH值，從理論上講在未碳化時(shí)約為12.5，完全碳化時(shí)趨近于7，而部分碳化則在7～12.5之間。

混凝土碳化影響因素包括CO2濃度、環(huán)境濕度、混凝土孔隙結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部化學(xué)組成等，各因素間既呈相互制約、相互作用的關(guān)系，同時(shí)每一因素又具有高度的隨機(jī)性。實(shí)踐表明，混凝土所處環(huán)境中CO2濃度越高、水泥石中Ca(OH)2含量越小、混凝土孔隙率越大，其碳化程度就越嚴(yán)重；而對于環(huán)境濕度的影響，當(dāng)相對濕度為55%時(shí)，混凝土碳化收縮程度最大。

在環(huán)境濕度相同、CO2濃度一定情況下，混凝土自身孔隙率（反映在實(shí)際施工中即為密實(shí)度）決定了CO2的擴(kuò)散速度，混凝土孔隙率越小，CO2在其內(nèi)部的擴(kuò)散阻礙則越大，從而表現(xiàn)為混凝土的抗碳化能力就越強(qiáng)；反之則越弱。

現(xiàn)假設(shè)：①CO2濃度在混凝土中的分布呈直線下降趨勢；②每立方混凝土吸收并與之發(fā)生反應(yīng)的CO2量為定值。在此情況下，CO2在混凝土中的擴(kuò)散遵循菲克第一定律，而混凝土碳化深度X的理論計(jì)算公式則可表示為下式1-2：

式中：D0為CO2（實(shí)為CO32-）在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；t為碳化時(shí)間；k為擴(kuò)散系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過諸多國家學(xué)者的不斷完善與修正，認(rèn)為混凝土的碳化深度X與之間并非為直線關(guān)系，而是隨著時(shí)間的推移，碳化作用會(huì)呈收斂趨勢，并且X會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值。

2、大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

⑴水泥。28d實(shí)測抗壓強(qiáng)度為50.4MPa的42.5級普通硅酸鹽水泥；

⑵細(xì)集料。細(xì)度模數(shù)為2.7的II區(qū)中砂（河砂），且其含泥量＜0.5%；

⑶粗集料。粒徑為5～20mm的連續(xù)級配碎石；

⑷粉煤灰。經(jīng)磨細(xì)處理的Ⅱ級干排粉煤灰，實(shí)測密度為2.29g/cm3，需水量比為98%，比表面積為550m2/Kg。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

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2.2.1 粉煤灰摻量對混凝土碳化性能的影響

在遵循規(guī)范（GB/T50082-2009）的基礎(chǔ)上，本文對混凝土進(jìn)行人工快速碳化。在對混凝土碳化程度與粉煤灰摻量關(guān)系的研究中，將粉煤灰摻量從10%→60%逐級增加，配合比及試驗(yàn)結(jié)果如上表1所示；此外，將大摻量粉煤混凝土分別養(yǎng)護(hù)28d和60d后進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，所得結(jié)果見表2。

分析表2可知，在10%和20%的粉煤灰摻量下，混凝土基本無碳化現(xiàn)象；在30%的粉煤灰摻量下，養(yǎng)護(hù)28d、快速碳化60d的混凝土碳化深度為3.85mm，表現(xiàn)較??；而在40～60%的粉煤灰摻量下，養(yǎng)護(hù)28d、快速碳化28d的混凝土碳化深度分別為8.55、9.75和14.35（mm），而養(yǎng)護(hù)60d、快速碳化28d的混凝土則為6.85、9.45與11.95（mm）。由此可知，混凝土中粉煤灰摻量越大、養(yǎng)護(hù)齡期越短，其碳化程度越嚴(yán)重，但在摻量較少情況下，粉煤灰混凝土的碳化程度與基準(zhǔn)混凝土（編號A-0）基本一致，碳化速率表現(xiàn)極慢，其原因主要為：①混凝土中水泥用量隨粉煤灰摻量的增加而減少；②在火山灰反應(yīng)反應(yīng)方面，由于粉煤灰表現(xiàn)較弱，故而使混凝土強(qiáng)度增長緩慢。

對于混凝土抗壓強(qiáng)度與碳化程度的分析，在將混凝土養(yǎng)護(hù)28d并做快速碳化試驗(yàn)后進(jìn)行綜合考量，試驗(yàn)結(jié)果顯示（見表1），在10%、20%和30%的粉煤灰摻量下，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為69.2、62.6與61.0（MPa），與基準(zhǔn)混凝土的67.2MPa相差不大，其原因主要是由于小摻量的粉煤灰對Ca(OH)2消耗較少，粉煤灰混凝土的碳化程度與基準(zhǔn)混凝土基本相同；而在40%、50%和60%的粉煤灰摻量下，混凝土的抗壓強(qiáng)度則分別為53.2、46.7和42.9（MPa），相比于基準(zhǔn)混凝土降幅明顯，此時(shí)主要是由于隨著粉煤灰摻量的增大，對Ca(OH)2消耗隨著增加，使混凝土碳化程度加深。此外，在養(yǎng)護(hù)60d進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)后，隨著齡期的增長，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度隨之增大，此時(shí)由于CO2在混凝土中的擴(kuò)散阻礙增大，混凝土的碳化程度呈減小趨勢。

綜上可知，在其他條件一定情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力隨之減弱。研究顯示，在粉煤灰摻量增加初期，相比于基準(zhǔn)混凝土，粉煤灰混凝土的孔隙率、透氣性以及粗孔數(shù)量增幅明顯，故而隨著粉煤灰摻量的增加，CO2在早期硬化的混凝土中擴(kuò)散速度與滲透系數(shù)相對較大，各齡期混凝土的抗碳化能力隨之減弱，但是在齡期延長情況下，粉煤灰混凝土的抗碳化能力又會(huì)一定程度的提升。

2.2.2 水膠比對混凝土碳化性能的影響

從本質(zhì)上講，水膠比對混凝土抗碳化能力的影響是通過對強(qiáng)度的影響而所引發(fā)的一種間接作用。隨著粉煤灰混凝土齡期的增長，其強(qiáng)度得到不斷提升，尤其是在大摻量情況下，粉煤灰混凝土強(qiáng)度的后期增長率比基準(zhǔn)混凝土還快。此外，由于混凝土中可碳化物質(zhì)的數(shù)量取決于水泥的水化反應(yīng)，而混凝土強(qiáng)度又反映了其自身密實(shí)度（決定了CO2的擴(kuò)散），故而在分析抗碳化能力時(shí)，應(yīng)對水泥用量與混凝土強(qiáng)度的發(fā)展實(shí)施綜合考慮，

在對比試驗(yàn)中，分別將粉煤灰摻量為50%和60%的混凝土水膠比由0.30下調(diào)至0.25后進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，所得抗強(qiáng)度結(jié)果如表1所示；其后分別對養(yǎng)護(hù)28d與60d混凝土進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，所得結(jié)果見表2。

由此可知，對于大摻量粉煤灰混凝土而言，水膠比由0.30下調(diào)至0.25并在養(yǎng)護(hù)28d情況下，50%與60%摻量的混凝土碳化深度分別由9.75與14.35下降至8.25和10.15（mm），降幅較為明顯。而在養(yǎng)護(hù)齡期為60d時(shí)，50%與60%摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度分別由57.2與53.3增長至59.9和58.7（MPa），漲幅一般，對應(yīng)抗碳化能力改善也不明顯，由此表明：大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力與其抗壓強(qiáng)度的發(fā)展密切相關(guān)。降低水膠比，提高粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度是提高粉煤灰混凝土抗碳化能力的有效措施?；炷了z比的增大之所以會(huì)使碳化程度增加，其原因?yàn)椋孩購?qiáng)度降低，從而導(dǎo)致混凝土碳化深度值增大；②混凝土中Ca2+濃度降低，為了維持平衡，Ca(OH)2就會(huì)不斷溶解，結(jié)果使液相堿度及堿儲備降低，當(dāng)pH值或Ca(OH)2降低到一定程度時(shí)，周圍其它含鈣水化產(chǎn)物還會(huì)分解、碳化，導(dǎo)致混凝土碳化深度值增大，抗碳化能力降低。

結(jié)論：

⑴隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力隨之減弱，且當(dāng)粉煤灰摻量控制20%以內(nèi)時(shí)，其對混凝土的抗碳化性能影響不大；

⑵水膠比的降低可在一定程度上提升大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化能力。