粉煤灰摻量對混凝土碳化特性的試驗(yàn)研究

陳 琨

江西鐵建工程檢測有限公司，江西 南昌 330002

0 引言

混凝土的碳化是指空氣中的CO2等酸性氣體和水與混凝土水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物（主要是Ca（OH）2）發(fā)生反應(yīng)后，生成碳酸鹽和其他物質(zhì)。混凝土是一種堿性材料，鋼筋在堿性環(huán)境里表面可形成一層鈍化膜，免于銹蝕作用。當(dāng)混凝土的堿性持續(xù)降低，鈍化膜遭到破壞，鋼筋失去保護(hù)作用發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展和汽車尾氣排放日益加劇，CO2濃度日益升高引起混凝土碳化程度加深，耐久性下降，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

在施工過程中，不同強(qiáng)度的配合比強(qiáng)度必須滿足要求。為了節(jié)約成本和提高耐久性、工作性，施工單位往往會(huì)選擇較大的粉煤灰摻量。粉煤灰摻入后能改善水泥混凝土中的顆粒級配，減少混凝土中的孔隙，增加致密性；粉煤灰中的活性組份在有水供應(yīng)的條件下，能與堿性物質(zhì)或硫酸鹽發(fā)生作用，生成具有膠凝性質(zhì)的穩(wěn)定化合物，對混凝土的后期抗壓強(qiáng)度有明顯提高。但隨著粉煤灰摻量的增加，減少了水化產(chǎn)物的堿含量儲(chǔ)備，碳化作用使混凝土的堿度下降，在氧氣和水的共同作用下，鋼筋鈍化膜破壞。因此，選擇合適的粉煤灰摻量既可以提高混凝土的工作性，又能保證了混凝土的耐久性。

鐵路工程常用的混凝土碳化檢驗(yàn)方法有碳化試驗(yàn)（GB/T50082-2009），用于測定一定濃度的二氧化碳?xì)怏w介質(zhì)中混凝土試件的碳化程度?；炷撂蓟挠绊懸蛩刂饕形宸N：水膠比、水泥的品種及用量、摻合料的摻量、養(yǎng)護(hù)方法與溫度、空氣中二氧化碳的濃度。筆者選取了工程上常用的配合比，對不同粉煤灰摻量進(jìn)行碳化試驗(yàn)，希望能為各位從事工程檢測工作的同仁們提供參考。

1 試驗(yàn)情況

1.1 原材料

（1）水泥：采用中國建筑材料科學(xué)研究總院公司的基準(zhǔn)水泥，出廠編號：QJ048 20190601，其化學(xué)成分見表1，物理性能見表2。

表1 基準(zhǔn)水泥化學(xué)分析結(jié)果 單位：%

表2 基準(zhǔn)水泥物理性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）骨料：細(xì)骨料采用峽江縣贛江砂場河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。粗骨料采用分宜縣榮春采石場5～20mm 連續(xù)級配碎石。

（3）粉煤灰：采用豐城發(fā)電廠II 級粉煤灰，性能見表3。

表3 粉煤灰性能試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

（4）減水劑：采用山西遠(yuǎn)航建材有限公司YH-HPC 型聚羧酸系減水劑，摻量1.0%，減水率28%。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

碳 化 試 驗(yàn) 采 用GB/T 50082-2009，試 驗(yàn) 采 用100mm×100mm

×400mm 棱柱體混凝土試件，試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，齡期為28d［1］。試件在試驗(yàn)前2d 從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，在60℃下烘48h，留下一個(gè)側(cè)面將其余面用石蠟密封。儀器采用CCB-70A 型混凝土碳化試驗(yàn)箱、HTF 型碳化深度測量儀、SX-2 型體視顯微鏡。

抗 壓 試 驗(yàn) 采 用GB/T 50081-2019，試 驗(yàn) 采 用150mm×150mm

×150mm 立方體混凝土試件，試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，齡期為56d［2］。試件到達(dá)試驗(yàn)齡期時(shí)，從養(yǎng)護(hù)室取出，檢查尺寸及形狀后立刻試驗(yàn)。儀器采用YAW-2000 型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)配合比選定及試驗(yàn)情況

（1）選擇工程最常用的墩臺身配合比，粉煤灰摻量分別為20%、30%、40%、50%，見表4、表5。

表4 各配合比每立方米的材料用量 單位：kg/m3

表5 各配合比的工作性及56d 抗壓強(qiáng)度

（2）通過28d 碳化試驗(yàn)，處理結(jié)果見表6

表6 各配合比的齡期及碳化深度

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)成型的抗壓強(qiáng)度試件可以得知，56d 抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而下降，當(dāng)粉煤灰摻量大于40%時(shí)，強(qiáng)度明顯降低，無法滿足試配強(qiáng)度的要求。

根據(jù)碳化試驗(yàn)可以得知，混凝土碳化現(xiàn)象隨著粉煤灰摻量的增加而加劇，煤灰摻量越大，碳化深度越深，并且粉煤灰摻量越大，碳化速度也越快。這是因?yàn)樵谂浜媳仍O(shè)計(jì)中，采用等量替代法設(shè)計(jì)配合比時(shí)，粉煤灰摻量越大則取代水泥用量越多，減少了混凝土抵抗碳化的能力；并且高粉煤灰摻量的混凝土相比低粉煤灰摻量的混凝土，早期強(qiáng)度和56d 抗壓強(qiáng)度較低，使得碳化深度加深。當(dāng)粉煤灰摻量大于40%時(shí)，碳化深度呈明顯的增加（見圖1）。

圖1 粉煤灰摻量與碳化深度關(guān)系

2.3 體式顯微鏡下各配合比的結(jié)構(gòu)分析

（1）當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，由于粉煤灰的二次水化反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，水泥石機(jī)體內(nèi)部存有一定比例的孔隙，在孔隙內(nèi)填充著細(xì)密的水化硅酸鈣產(chǎn)物。漿體有少量碳酸鹽，氫氧化鈣晶體已被碳化，其表面較為疏松且空隙相對較多。

（2）當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加，呈網(wǎng)狀形貌。漿體碳酸鹽開始增多，混凝土微觀形貌稍有不同。與普混凝土相似，碳化反應(yīng)改變了粉煤灰混凝土的微觀形貌，說明隨著粉煤灰摻量的增加，更多的粉煤灰顆粒參與了二次水化反應(yīng)，同時(shí)填充了凝膠之間的孔隙，聚合度有所提高，使得混凝土擁有了更為密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)［3］。但由于氫氧化鈣含量降低，使得毛細(xì)管發(fā)生堵塞，臨界孔徑增多。

（3）當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度繼續(xù)增加。漿體碳酸鹽進(jìn)一步增多。雖然使得混凝土總孔隙率的下降，但臨界孔徑持續(xù)增大使得混凝土原有過濾機(jī)制發(fā)生了變化，混凝土的碳化程度開始呈直線上升。

（4）當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度開始下降，孔洞數(shù)量開始增多，片層狀沉淀和凝膠變?yōu)榱庑蚊婢w，晶體之間存在較多的連通孔隙。這時(shí)混凝土碳化程度急劇上升，碳化速率明顯增快。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)粉煤灰摻量超過40%時(shí)，對鋼筋混凝土的抗碳化性能明顯不利，摻入大量粉煤灰后，碳化作用使得粉煤灰的堿性下降，在氧氣和水的共同作用下，鋼筋的鈍化膜發(fā)生會(huì)形成破壞，保護(hù)層減少，甚至徹底消失。

（2）CO2在混凝土中的傳輸主要依靠混凝土孔隙率和內(nèi)部連通孔道，孔隙率越大、內(nèi)部連通孔道體積越大，混凝土越容易被碳化。不同粉煤灰摻量的混凝土在加速碳化后微結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，孔隙率減少但臨界孔徑持續(xù)增大。

（3）為了提高鋼筋混凝土的抗碳化性能，粉煤灰摻量以不超過40%為宜，在設(shè)計(jì)配合比時(shí)應(yīng)摻入適當(dāng)?shù)臏p水劑，提高混凝土的早期強(qiáng)度。在滿足耐久性的前提下降低水膠比，使水泥用量有所提高，保證混凝土有足夠的堿度。

（4）不同產(chǎn)地的粉煤灰性能不盡完全相同，應(yīng)視具體情況而定，本文結(jié)果僅供參考。