石灰石粉混凝土抗碳化性能因素分析.pdf

2 0 1 5 年 第 7 期 (总 第 3 0 9 期) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No ． 3 0 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ． AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 5 石灰石粉混凝土抗碳 化性能 因素分析 贾福萍 -一 ，杨柯 红 - 一 ，尚永浩 。 王虹 ，吴卫民 ( 1 ． 中国矿业大学 力学与建筑工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要： 利用正交试验 ， 对影响石灰石粉混凝土抗碳化性能的因素进行分析 ， 并对这些因素的重要性进行判定。 选定碳化时间、 石灰石粉掺量 以及混凝土的水胶比这三个因素进行正交试验 。 结果表明， 石灰石粉的掺量越多、 水胶 比越大 、 碳化时间越长 ， 混 凝土的抗碳化性能越弱 ， 同时石灰石粉混凝土的水胶比对碳化深度的影响较为显著。 关键词 ： 石灰石粉； 抗碳化性能 ； 水胶比； 正交试验 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 — 0 0 6 1 — 0 2 An a l y s i s o f t h e f a c t o r s a ff e c t i n g t h e c a r b o n a t i on r e s i s t a n c e o f l i me s t o n e c o n c r e t e ] I A F u p i n g ，YANG Ke h o n g‘ ，S HANG Yo n g ha o ， WANG Ho n g ， V We i mi n ( 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6， Ch i n a ； 2 ． J i ang s u K e y L a b o r a t o r y f o r E n v i r o n m e n t al I m p a c t and S t r u c tu r a l S a f e t y i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： By o r t h o g o n a l t e s t ， t h e f a c t o r s aff e c ti n g the c a r b o n ati o n r e s i s t a nc e o f l i me s t o n e c o n c r e ~ we r e a n a l yz e d and t h e i mp o r t a n c e o f t h e f a c t o r s wa s j u d g e d ． Ca r b o n ati o n t i me ， c o n t e n t o f l i me s t o n e p o wd e r and wa t e r —b i n d e r r a ti o we r e s e l e c t e d t o d o the o r t h o g o n ~t e s t ． Th e r e s u l t s s ho w wi th t h e c o n t e n t o f l i me s t o n e p o wde r ， wa t e r—c e me nt r a tio a nd the c a r bo n ati o n time i n c r e a s i n g， the c a r bo n a t i o n r e s i s t - a n c e o f l i me s t o n e c on c r e t e r e c e de s s e v e r e l y and the i n f l u e n c e o f the wa t e r—b i n d e r r a t i o o n the c arb o na t i o n d e p t h o f l i me s t o n e c o n c r e t e i s r e mar k a bl e ． Ke y wor ds： l i me s t o n e p o wd e r ； c arb o n a tio n r e s i s t a n c e； wa t e r—c e me n t r a t i o； o r t ho g o n a l t e s t 0 引言 目前 ， 我国正极力 的推进城市 化进程 ， 土木 工程材料 市场迅速发展 。 常用胶凝材料水泥、 粉煤灰等价格上涨 ， 造 成工程预算巨大。 为了节约水泥， 改善混凝土的性能， 混凝 土在拌制时可 以掺人一些掺合料 ， 例 如硅灰 、 石灰石粉 等 。 相关研究表 明石灰石粉能提高混凝土 的早期强 度 ， 改 善新拌混凝土的和易性 、 保水性 ， 以及提高 硬化混凝土抗 渗性等优 良性能 。 ， 被认为是 一种新 型绿色的混凝 土矿 物掺合料。 但石灰石粉作为掺合料， 能否长期使用， 其耐久 本研究利用正交试验 ， 针对影 响石灰石粉混凝 土抗碳 化性能的三个因素 ： 混凝土的水胶 比、 石灰石粉的产量及碳 化时间， 逐一进行分析 ， 并对这三个因素的重要性进行判定。 这为以后混凝土结构耐久．陛的设计、 评定等将有重要意义。 1 原材料及试验方案 1 ． 1 原材料 原材料 ： 水泥采用 P 0 5 2 ． 5级水 泥； 石灰石粉 由石灰 石研磨制成 ， 比表 面积为 3 5 0 m 2 ／ k g ； 砂为河砂 ， 细度 模数 为 2 ． 7 0 ； 粗集料采用碎石 ， 颗粒级配为 5 — 1 6 m i l l ， 含泥量为 性 问题需要得到进一步的研究 。 0 ． 2 ％， 表观密度为 2 7 1 0 k g ／ m 。 原材料的化学组成见表 1 。 表 1 原材料的化学组成 ％ 1 ． 2试 验 方 法 本试验混凝土的水胶比为 0 ． 4 5 ， 且单位立方米用水量 一 定 ， 用石灰石粉等量替代 水泥的方式 ( 石灰石 粉掺量为 1 0 ％、 2 0 ％、 4 0 ％) 进行试块制备 。 根 据 J G J ／ T 1 9 3 --2 0 0 9 《 混 凝 土 耐久 性 检 验评 定 标 准》 ， 混凝土试块采用 1 0 0 mm 1 0 0 mm 3 0 0 F I I l T I 的棱柱 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 0 — 0 6 基金 项 目 ： 中国高校基本科研业务费专项基金资g J J ( 2 0 1 1 Q N B 2 0) ； 中国矿业 大学青 年科研 基金资助项 目( 0 B 0 9 0 1 8 8 ) ； 中国矿业 大学科研创新 训练 计划项 目资助( X Z D 1 0 2 9 0 1 4 1 8 3 ) 61 体， 制备后立即成型， 2 4 h后拆模， 在标准养护环境下养护 2 8 d ， 然后在室 内自然环境静置 1 0 0 d后进行碳化试验。 在 7 、 l 4 、 2 8 d 时测其碳化深度 。 1 ． 3正交试验设计 正交试验设计是 目前优 化试验设计 的主要途径 ， 在混凝 土试验 中得到广泛应用 。 它采取部分试 验来代 替全面试验 的方法 ， 挑选 出有 代表性 的试验 点来进 行试 验 ， 通过对代表性的试验结果分析 ， 了解全面试验 的情况。 具体步骤是 ： 利用正 交试验 表设计 试验方案 ， 根据得到 的 正交试验数据进行分析， 快速找到试验的优化方案。 众所周知 ， 影响混凝土抗碳化性 能的因素较多 ， 而本 文 主要考虑混凝土的水胶 比、 石灰石粉 的产量及碳化时间 这三个影 响因素 ， 其中碳化时间为 7 、 1 4 、 2 8 d ； 石灰石粉掺 量取 1 0 ％、 2 0 ％、 4 0 ％； 水胶 比为O ． 3 2 、 0 ． 3 5 、 0 ． 4 。 如果进行全 面试验 ， 需要测试 2 7组 ； 但如果采 用正交试验 ， 只需要开 展9组试验， 即可分析影响混凝土碳化因素的主次 ， 并对 改善混凝土抗碳化性能提供研究方向。 本试验采用的影响因素为3个， 每个因素的水平为 3 个 ， 因而采用 L 。 ( 3 ) 正交试验 。 正交列表见表 2 。 表 2 L 9 ( 3 ) 石灰石粉混凝土抗碳化性能正交 试验方案及测试结果 2 结果与分析 石灰石粉混凝土 的抗碳化性能正交试验结果见表 2 ， 现将试验结果进行极差分析 ， 见表3 。 表 3 L 。 ( 3 ) 石灰石粉混凝土抗碳化性能正交 试验结果的极差分析 从表 2 、 3的直观分析结果可以得出以下结论 ： ( 1 ) 当水胶 比取 0 ． 3 2 、 0 ． 3 5 、 O ． 4 ， 碳 化时 间取 7 、 l 4 、 2 8 d ， 石灰石粉掺量取 1 0 ％、 2 0 ％、 4 0 ％时， 对于石灰石粉混 凝土碳化深度因素的影 响顺序为 B ( 水胶 比) >C ( 石灰石 粉掺量)> A( 碳化时 间) ， 即混凝土水胶 比的变化对试件 62 的抗碳化性能起决定性作用。 ( 2 ) 当石灰石粉掺 量越多 、 水胶 比越大 、 碳 化时间越 长 ， 碳化深度越大。 这主要是因为 ： ( a ) 混凝土配制时单位立方米用水量一定 ， 当水胶 比 增大时 ， 胶凝材料含量相对减少 ， 这时混凝土 中就会 出现 多余的呈游离状态的水分， 这些水分部分附着在骨料表 面 ， 一旦水分蒸发完毕 ， 骨料周 围就会形成大量 的空隙 ， 即 水胶 比对混凝土 的孔结构起决定性作用 ， 水 胶 比越 大， 混凝土的总孔隙率就越大， 空气中二氧化碳向混凝土 内部扩散的速率就会增大， 碳化深度增大较明显。 ( b ) 石灰石粉等量替代水泥， 石灰石粉具有的填充效 应能够细化混凝土内部孔径 ， 但前提是石灰石粉 的掺量必 须适中 。 如果石灰石粉掺量适 当， 其具有 的填充效应能 够细化混凝土中水泥水化产 物内的孔隙 ， 结 构更为密实 ， 能够阻碍 C O ： 进入混凝土内， 混凝土的抗碳化性能就有所 提升。 如果石灰石粉掺量过多， 水泥掺量相对减小， 则石灰 石粉的填充效应不足 以抵 消水 泥水 化掺量降低对水化产 物孔结构的不利影响， 会导致混凝土孑 L 结构粗化， 孔隙不 密实， 为 C O ： 的扩散提供了有利通道， 混凝土的抗碳化性 能减弱。 同时石灰石粉 的掺人 ， 会导致混凝土碱储备量减 少 ， 促使 C O： 向混凝土内部扩散 ， 石灰石掺量越多 ， 碳化深 度就越深。 ( c ) 空气中的 C O 不断地向混凝土 内部扩散 ， 生成的 碳化产物填充孔 隙， 随着碳化时 间的推移 ， 表层混 凝土孑 L 结构越加密实 ， 阻碍 了 C O 向混凝土 内部扩散的通道 ， 减 缓 了C O 向混凝土内部扩散 的速率 ， 致使碳化后期混凝土 的碳化深度增加并不显著。 3 结 论 ( I ) 通过正交试验 可得 ， 石灰石粉混凝土 的水胶 比对 碳化深度 的影响最大， 石灰石 粉的掺 量、 碳 化时间 的影 响 相对较小 。 ( 2 ) 混凝土的水胶 比越大 ， 混凝 土的碳化深度越大 ； 石 灰石粉的掺量越多， 混凝土的碳化深度也越大 。 ( 3 ) 随着碳化 时间的延长 ， 碳化深度会逐渐增加 ， 在碳 化后期 ， 混凝土碳化深度增量减弱 。 参考文献： [ 1 ]阮炯正0 昆凝土掺合料 应用和生产技术研究[ J ] ． 建筑技术 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 ) ： 1 2 —1 4 ． [ 2 ]熊远柱 ， 万慧文． 石灰石粉对混凝土性能的影响[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ． 8 9— 9 1 ． [ 3 ]T S I V I L I S S ， C H A N I O T A K I S E， K A K A L I G， e t a 1 ． A n a n a l y s i s o f t h e p r o p e r t i e s o f p o r t l a n d l i m e s t o n e c e me n t s a n d c o n c r e t e E J ~ ． C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 7 1 — 3 7 8 ． [ 4 ]刘数华， 王军． 石灰石粉对砂浆孔结构的影响[ J ] ． 建筑材料学 报 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 5 3 2— 5 3 5 ． [ 5 ]郑建岚 ， 黄利频． 大掺量矿物掺合料自密实混凝土抗碳化性能 研究[ J ] ． 建筑材料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 5 ) ： 6 7 8 — 6 8 3 ． 下转第 7 0页 2 ． 2 P V A—E C C弯曲性能 P V A— E C C试 件的荷 载 一挠度 曲线见 图 4 。 P V A纤 维掺量为 1 ％时， 试件破坏呈 明显脆 性 ， 纤维作用效果并不 理想。 当纤维掺量达到 2 ％ 时， 试件的破坏模式得到明显改 善， 纤维起到一定的阻裂作用 ， 破坏呈延性趋势。 砂胶比为 0 ． 4组试件荷载 一 挠度曲线总体更为饱满， 下降段更为平 缓 ， 可见 ， 较低的砂胶比可让纤维充分均匀分布 ， 有利于延 性发挥 ， 但较低的砂胶 比使得试件的破坏极限荷载明显 降 低。 随着粉煤灰的掺量增加， 试件破坏的极限荷载也有所 降低， 但挠度变大， 上升段呈明显的双线性， 廷陛效果增加。 3 结论 挠度／ ram 图 4 四点弯曲梁荷载 一 挠度曲线 0 ( 1 ) 国产P V A纤维制备高性能水泥基复合材料( P V A— E C C) 弯曲性能得 到明显 改善， 纤维掺量增加 可明显改善 P V A— E C C脆性破坏， 抗压强度有所降低。 ( 2 ) 较低的砂胶比可改善搅拌的流动性， 有利于纤维 的分散， 提高 P V A— E C C延性， 配合比设计中低砂胶比不 易过高。 ( 3 ) 粉煤灰掺 量的增加使得 P V A— E C C的极限承载 力下降， 但极限挠度提高， 上升段呈明显的双线性。 参考文献： [ 1 ]王铁梦． 工程结构裂缝控制[ M] ． 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7． [ 2 - 1沈荣熹， 崔琪， 李青海． 新型纤维增强水泥基复合材料E M] ． 北 京 ： 中国建材工业出版社， 2 0 0 4 ． 上接第 6 2页 [ 6 ]严军伟， 邢婕， 李杰， 等． 石灰石粉混凝土及其硫酸盐侵蚀特性 综述[ J ] ． 混凝土， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 7 9— 8 1 ． [ 7 ]P O I T E V I N P ． L i m e s t o n e a g g r e g a t e c o n c r e t e ， u s e f u l n e s s a n d d u r a — b i l i t y ~ J ] ． C e m e n t and C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 2 ) ： 8 9— 9 7． [ 8 ]宋少民， 杨柳， 徐国强． 石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝 土耐久性能的影响[ J ] ． 土木工程学报， 2 0 1 0 ( $ 2 ) ： 3 6 8 — 3 7 2 ． r 9 ] MOHA MME D M K， DAWS O N AR， T H OM N H． Ca r b o n a t i o n o f t fl l e rt y pe d s e l f— - c o mp a c t i n g c o n c r e t eandi t si mp a c t o nt h emi c r o — s t r u c t u r e b y u t il i z a t i o n o f 1 0 0 ％C O 2 a c c e l e r a ti n g t e c h n i q u e s [ J ] ． Co ns t r u c tio n an d Bu i l d i n g Ma t e ria l s ， 2 0 1 4， 5 0： 5 0 8—51 6． [ 1 O ] 刘瑞江， 张业旺， 闻崇炜， 等． 正交试验设计和分析方法研究[ J ] ． 试验技术与管理 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 9 ) ： 5 2 — 5 5 ． [ 1 1 ] 何世钦 ， 王海超． 高性能混凝土配合比设计的正交试验研究[ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 8 ) ： 8 — 1 O ． 7 0 [ 3 ]L I V C ． E n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s — t a i l o r e d c o m p o s i t e s t h r o u 曲 m i c r o m e c h a n i c a l mo d e l i n g [ c] ． B ant h i a N， B e n t u r A， Mu f t i A． F i be r Re i n f o r c e d Co n c r e t e： P r e s e n t an d t h e Fu t u r e ．M o n t - r e a l ： Ca n a d i a n S o c i e t y f o r Ci v i l En g i ne e rin g， 1 9 9 8： 6 4—6 7． [ 4 3 L I V C， WA N G S ， WU C． T e n s i l e s t r a i n —h ar d e n i n g b e h a v i o r of P V A— E C C [ J ] ． A C I Ma t e ri a l s J o u r n al， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 6 ) ： 4 8 3 — 4 9 2 ． [ 5 ]u V C ， L E U N G c K Y． S t e a d y s t a t e and m u l ti p l e c r a c k i n g o f s h o r t r and o m f i b e r c o m p o s i t e s [ J ~ ． A S C E J o u r n al o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 2 ， 1 8 8 ( 1 1 ) ： 2 2 4 6— 2 2 6 4 ． [ 6 ]L I V C ． 高翅性 纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[ J ] ． 硅酸盐学报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 3 1 — 5 3 6 ． [ 7 ]徐世娘 ， 李贺东． 超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工 程应用[ J ] ． 土木工程学报， 2 0 0 8 ， 4 ( 6 ) ： 4 5 — 6 0 ． [ 8 ]徐世煨 ， 蔡向荣． 超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力 学性能[ J ] ． 水利学报， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 9 ) ： 1 0 5 5 —1 0 6 3 ． [ 9 ]高淑玲， 徐世 ． P V A纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验 研究[ J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 0 7 ， 4 7 ( 2 ) ： 2 3 3— 2 3 9 ． [ 1 O ] 张君， 公成旭， 居贤春， 等． 延性纤维增强水泥基复合材料的抗 弯性能[ J ] ． 工程力学， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 1 2— 1 1 5 ． [ 1 1 ] 张君 ， 公成旭 ， 居贤春． 高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材 料特性及应用[ J ] ． 水利学报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 1 4 5 2—1 4 6 1 ． [ 1 2 ] 邓宗才， 薛会青， 李朋远， 等． 高韧性纤维增强水泥基复合材料 的单轴拉伸力学性能[ J ] ． 北京工业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 9 ) ： 1 2 O 4—1 2 0 8． [ 1 3 ] 田砾 ， 朱桂红 ， 郭平功， 等． P V A纤维增强应变硬化水泥基材料 韧性性能研究[ J ] ． 建筑科学 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 5 ) ： 4 7— 5 1 ． [ 1 4 ] 詹炳根， 林兴胜， 陈婷． P V A纤维增强高性能水泥基材料的韧 I性[ J ] ． 合肥工业大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 9 ) ： 1 1 7 8— 1 1 8 2． [ 1 5 ] 李艳 ， 梁兴文， 刘泽军． 高性能生态型建筑材料 P V A—E C C的 试验研究[ J ] ． 工业建筑， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 4 ) ： 9 7—1 0 2 ． 第一作者： 联系地址： 联系电话： 刘界鑫( 1 9 8 7一 ) ， 男， 硕士研究生， 从事混凝土加固理 论研究。 山东省青岛市崂山区松岭路 2 3 8号 中国海洋大学工 程学院( 2 6 6 1 0 0 ) 1 58 6 55 1 1 0 2 5 [ 1 2 ] 梁作巧， 孙道胜， 王爱国， 等． 水胶比对复合水泥浆体干燥收 缩、 抗压强度及孔结构的影响[ J ] ． 安徽建筑工业学院学报 ： 自 然科学版 ， 2 0 1 2 ， 2 0 ( 3 ) ： 2 2— 2 4 ． [ 1 3 ] 陈伟， 田亚坡， 周紫晨． 粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬度 分析[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 4 8 — 5 1 ． [ 1 4 ] 刘数华， 阎培渝． 石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构 的影响[ J ] ． 硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 6 9— 7 2 ． 第一作者： 联 系地址 ： 联系电话 ： 通讯作者： 联 系电话 ： 贾福萍( 1 9 7 3一) ， 女， 副教授 ， 硕士生导师， 主要从事 特殊环境下混凝土材料的性能研究 。 江苏省徐 州市 中国矿业大 学力学与 建筑 工程学院 ( 2 2 1 1 1 6 ) 1 3 9 5 2 2 6 5 6 7 6 杨柯红( 1 9 9 0一) ， 女 ， 研究方向： 混凝土耐久性o 】 5 95 2 26 0 7 5 4