矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验研究.pdf

第 6期 2 0 1 2年 6月 广东水利水 电 GUANGDONG W ATER RES 0URCES AND HYDROPOW ER NI ) 6 J u n 2 0 1 2 矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验研究 冰 陈锡 容 ，王立华 ，刘 佳 ( 广东省水if ,4 水电科学研究院，广 东省水if , 1 重点科研基地 ，广 东 广州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要 ：矿渣 和粉 煤灰作为掺合料在 混凝土 中的应 用 日益普及 ，掺 量也不断提 高，尤其在硫 酸盐 、氯 离子和 海水侵蚀环 境的混凝土中，矿渣粉和粉煤灰是不可或缺的重要组分。试验研究表明，延长养护时间有利于减小混凝土碳化深度，提 高混凝 土的抗碳化能 力；掺入矿渣 和粉 煤灰会增 大混凝 土碳 化深度 ，降低其抗碳 化能力。 关键字 ：矿渣 ；粉煤灰 ；混凝 土碳化 中图分 类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8一 O 1 1 2 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 3 6 0 4 通常说 的碳化 ，主要是指混凝土的碳化 ，它是水 泥石 中的水化产物与周 围环境 中的二氧化碳作 用 ，生 成碳 酸盐与其他物质 的现象 。碳化将使混凝土 的内部 结构及组织发生变化 ，是引发水工建筑 物钢筋混凝土 中钢筋锈蚀的重要 因素 ，也是 降低水利 、水 资源工程 混凝 土耐久性的主要因素 J 。 混凝土内部的碱性较高 ，在水泥凝 结硬化 的过程 中，p H值达到 了 1 3 51 3 8 ，硬 化混凝 土 中液相 的 p H值一般在 1 2 5以上 。如此之高的碱性是可 以使其 内部的钢筋表面保持钝化状态的。 但是 ，大气 中 的 C O 、S O ，等酸性 的物质与混 凝 土内的 c a ( O H) ，发生 中和反应后 ，结 果使混凝 土的 p H值 由原来的碱性 ( 液相 1 2 5、固相 1 3 5l 3 8 ) 逐 渐降低到 p H只有 9左右 ，几近中性 的 p H= 7 。 研究表明 ，当混 凝 土 的 p H 值 由 1 2 5以上 降到 l 1 8以下时 ，隐埋在混凝土内的混凝表面钝化薄膜就 被破坏失效 ，使钢筋表面变为活化状态或 者处 于活化 作用之 中。在此情况下 ，当空气 中的 O 、C O 通过混 凝土内的孑 L 隙扩散到钢筋 的表面时 ，就会发 生锈蚀。 钢筋锈蚀后 ，锈蚀产生 的体积 比原来钢筋 的体积要膨 胀 2 4倍 ，从而对钢筋周 围的混凝土产生相应的膨胀 应 力。锈蚀越严重 ，铁锈就越多 ，相应膨胀应 力也 越 大 ，膨胀应力达到和超过混凝土极 限强度时就会导致 混凝土开裂并沿钢筋形成裂缝。裂缝 的产生 已使水和 C O ， 沿缝进入混凝土 内，从而加速 了碳化和钢筋 的锈 蚀。如此恶性循环 ，其结果将带来穿堤建筑物结构外 部混凝土大量剥落及钢筋截面积缩小 ，最终 降低建筑 物承载力与稳定性 ，影响结构物 的安全 。为此 ，抵抗 和防止碳化 ，使 混凝土钢筋 处于钝 化状态 ，或者说 ， 尽量保持混凝 土原本 的碱性而不被 中性。可见 ，混凝 土的抗 碳 化 性 对 混凝 土结 构 的 耐 久性 是 非 常 重 要 的 。 为 了改善混凝土的性 能和利废 等 目的 ，矿渣和粉 煤灰作为掺合料在混凝土 中的应用 日益普及 ，掺量也 不断提高 J ，尤其在硫酸盐 、氯离子和海水侵蚀环境 的混凝土中，掺合料是不可或缺 的重要组分 。 。本 文就大掺量粉煤灰和矿渣混凝土的碳化性 能进行 了系 统 的研究 。 1 混凝土碳化性能试验方法 在正常的大气 中，C O 即碳酸气与混凝土 中的碱 性物质的相互作用是一个很复杂多相物理化学过程。 由于空气 中 C O ，的浓度很低 ( 一般 情况下 ，其体 积浓度约为 0 0 3 ，在工业 区可 能稍高 ) ，因而 ，混 凝土的碳化的发展常常是一个非常缓慢而 又漫长 的过 程。对密实性 较好 的混凝 土来说 ，其保护层为 2 0 m m 时 ，要完全碳化透 ，常常需要数十年才 能完成 ；而不 密实的混凝土则可 能 12 a ，或几年就 可使 混凝土 的 钢筋保护层 全碳化。因而 ，为了研究 混凝土 的碳化 ， 除了建立 自然曝晒场 ，在大气 中实测混凝 土的碳 化情 况 ，即进行 自然碳化试验外 ，还可 以在实验室 内采用 人工快速碳化 的方法来研究 ，使之能在较短 的时间 内 得到所需要的结果。 国内外采用 的混凝 土快速碳化 的试验 方法很 多 ， 至今 尚没有一个统一 的国际标准 。在我国 ，近 1 0多年 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 31 6；修 回 日期 ：2 0 1 2 0 4 0 5 作者简介：陈锡容( 1 9 8 4一) ，男，本科，助理T程师，从事水工材料检测工作。 基 金项 目：广东 省水 利厅立项资助项 目，项 目编号 2 0 0 61 0 # 。 3 6 2 0 1 2年 6月 第 6期 陈锡 容 ，等 ：矿渣和粉煤灰混凝土抗碳化性 能的试验 研究 N o 6 J u n 2 0 1 2 来 ，对混个凝土快速碳化 的研究较多 ，以前较多利用 高压或高浓度的试验方法 ，即将混凝土试件放在充满 一 定浓度 的 C O ：的高压容器内 ，或 C O 浓度为 5 0 的 常压容器 内进行快 速碳化 。因为高压或高浓度 的快速 试验方法不能正确反映在大气 中混凝土 自然碳化 的规 律 。所以，2 0世 纪 7 0年代 以来 ，很多 国家的学者都 倾 向于采用常压 、低浓度 的快速试验方法 ，即在正常 的气压条件下 ，采用 C O ，的体积浓度为 1 0 左右的方 法来模拟混凝 土的碳 化。按我 国国家标准 普通混凝 土长期性能 和耐久性能试 验方法( G B J 8 38 5) 的规 定 ，混凝土快速试验方法所采用的 C O ： 的浓度为 2 0 3 。 坏境介质的相对湿度直接影响混凝 土的润湿状态 和抗碳化性能。在大气非 常潮湿 时，其相对湿度大于 8 0 或 1 0 0 的情况 ，混 凝土毛细管处相 对的平衡含 水率或饱和度 ，使 其气体渗透性大大降低 ，是混凝土 碳化速度 大 大降 低或 甚至 停止 ；在 相对 湿 度 为 0 4 5 的条件下 ，混凝土处于干燥或含水率非 常低 的状 态 ，空气中的 C O 无法溶解与毛细管水或是溶解量非 常有限 ，使之不能与碱性溶液发生反应 ，因而混凝土 碳化也无法进行 ；试验证明 ，当周 同介质的相对湿度 为 5 0 7 5 时 ，混凝土碳化速度最快。所 以，在我 国 G B J 8 3 8 5标准中，规定混凝土快速碳化 时介质 的 相对湿度控制在 7 05 。因此 ，试验前 试件必需经 过干燥处理 ，使其含水的润湿状态与环境介质的相对 湿 度相 适应 。 环境温度对混凝土的碳化速度的影响也是很大的， 和一般的化学反应一样 ，其碳化 的速度与温度的几次 方成正 比。但对混凝土碳化来说 ，情况却 比一般的化 学反应复杂得 多。这主要是 因为 C O ： 和 c a ( O H) 在 水 中的溶解度是与介质温度成正 比的。所 以说 ，随着 温度 的提高 ，碳化速度加快 ，主要是用 C O 在空气 中 的扩散系数随温度的提高而增加 来解释 。但 从 目前 国 内外的资料看来 ，温度对混凝土碳化速度的影响研究 较少 ，尚给不 出具体量 的概念。根 据苏联 c H _阿列 克西耶夫的资料说明 ，当空气相对湿度为 7 5 、温度 从 2 2 ( 2 提高 到 4 4 时，碳化 大大加速 ，若 温度再提 高 ，则整个碳化过程将至为剧烈 。温度与压力周期性 的变化 ，也将加速混凝 土的碳化 。所 以，与 国外 的有 关标准一样 ，我 国国家标准规定 ，混凝土快 速碳化应 在 2 03 条件下进行。 C O ， 浓度对混凝土碳化深度的影 响这早 就被国 内 外有关资料所肯定 的。一般认为 ，混凝土的碳化深 度 ( D) 与 C O 浓度 ( C) 的平方根成正比，即： Dl cl t 1 D2 式中D为混凝土的碳化深度 ；C为 C O 2的浓度；t 为 碳化时间。 为了便于 比较和计算 ，我同国家标准规定 ，混凝 土快速碳化试验时 C O ，的体积浓度为 2 03 C。这样 ， 可 以较方便地得知 ，在正常大气 条件下混凝土存放龄 期为 5 0 a的 自然碳化深度 ，相当于按 国家标准方法快 速碳化 2 8 d的碳化深度。 2 试 验 用原材 料 采用广东省梅州市塔牌集 团有限公 司生产 的 P I l 型硅酸盐水泥( 转窑 ) ，强度等级为 4 2 5 R，物理力学 性能见表 1 ，化学成份见表 2 ；石英质河砂 ，物理性 能 见表 3 ；5 2 0 m m和 2 0 4 0 ra m 2种规格花岗石碎石 ， 物理性能见表 4 ；减水剂为 T L一4 0 0高效缓凝减水剂 ； 黄埔电厂 级粉煤灰 ，物理性能见表 5 ；韶钢嘉羊公 司生产的 $ 9 5级矿渣粉 ，物理性能见表 6 。 表 1 水 泥物理 -陛能检验 结果 L o s s S i O2 AI 2 O3 F e 2 O3 C a O Mg O S O3 K2 O Na 2 O 2 O 2 0 7 8 6 5 5l 5 5 2 3 2 7l 2 5 4 0 7 0 0 2 8 表观 饱和面 堆积 规格 密度 干表观 密度 吸水率 ram ( k g 密度 ( k g in一 ) ( k g in 一 )m ) 含泥量 碎 指 标 烧失三氧氯离含水4 5 u m密度 量 化硫 子 量 筛余 ( k g ， ， 呵 c 7 ， m。 、 、 比表 面 积 ( m k ) 4 8 3 活性 系数 流动 度 比 3 7 2 0 1 2年 6月 第 6期 广 东水利水电 3 试验配合 比设计及养护制度 粗细集料按风十状态为基准 ，矿渣掺量为 3 0 和 6 0 ，粉煤灰掺量为 1 5 和 3 0 ，均等量取代水泥 。 粗骨料组成 ：2 0 4 0 m m和 2 0 4 0 mm 2种规格碎 石的 质量百分 数分别 为 4 0 和 6 0 。混凝 土配合 比见 表 7 ，其 中0 配合比为不掺掺合料的基准混凝土 ，K组掺 矿渣 粉 ，F组 掺 粉煤 灰。水 胶 比均 为 0 4 6，砂 率 为 3 4 ，坍落度为 5 7 c m，水 、胶凝材料及砂 、碎石 的 质量 固定 ，通过调整外加剂 的掺量控制混凝土的坍落 度。碳化试验按照国家行业标准 S L 3 5 2 2 0 0 6 水工混 凝 土试验规程 中的有关规定进行。 表 7混 凝 土 配 合 比 每 m 砼材料J q k g 夕 水 水 泥 砂 砉 为保证不同养护方式 的试件在快速碳化试验时的 含水量相 同 ( 处 于干燥 状态 ) ，设 定试验龄 期为 4 5 d ， 养护制度分为如下 4种 ，A：标准养护为 2 8 d 、干缩室 为 1 7 d ；B ：标准养护为 1 4 d 、干缩室为 3 l d ；C：标准 养护为 3 d、十缩 室为 4 2 d ；D：标准养护为 0 d 、十缩 室为 4 5 d 。标 准 养 护 温 度 为 2 02 C，湿 度 不 小 于 9 5 ；干缩室温度为 2 0 2 ，湿度为 6 0 5 。十燥 状态的混凝土试件从干缩室取出直接进行试验。 4试 验结 果及 分 析 南图 1 可见 ，着 随养护 时间的延长 ，掺 与不掺矿 渣的混凝土快速碳化深度均减小。与养护制度 D的混 凝土碳化深度相比，养护制度 A的不掺矿渣混凝土碳 化深度减小 2 2 0 ；养护制度 A的 K 3 0矿渣混凝土碳 化深度减小 2 4 8 ；养护制度 A的 K 6 0矿渣混凝土碳 化深度减小 2 3 0 。水泥水化 ，矿渣 的二次水化均需 要水的参与 ，否则就会停止 。延 长养护时 间，水泥水 化程度提高 ，矿渣二 次水化得 以进行 ，从而可降低混 凝土的孑 L 隙率 ，提高密实性 ，改善孑 L 隙结构 ，改善气 密性 ，从而提高混凝土 的抗碳化 能力 。可见 ，延 长养 护时问有利于提高混凝土的抗碳化能力。 38 目 宙 3 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 养护 时 间 d _ 一0 仁 卜K 3 0 广 -K 6 0 图 1 矿渣混凝 土快 速碳 化深度一 养护 时间的关 系 随着矿渣粉掺量的增加 ，混凝土快速碳化深度亦 增加 。当采用养护制度 A时 ，K 6 0矿渣混凝 土碳 化深 度较空 白混凝土增大 8 9 1 ，这主要 是由于矿渣取代 水泥后 ，混凝土中的 C a ( O H) ， 储备大幅度减小 ，同时 矿渣二次水化导致 C a ( O H) ， 储备进一步减小 ，因此碳 化速度加快 ，碳化深度增 大。但是 由于二 次水化 ，混 凝土的孔 隙率将 会减小 ，密实度 提高 ，孑 L 结构改 善 ， 混凝土抗气体渗透能力提高，抗碳化性能将会提高 。 由图 2可见 ，随着养护时问的延长 ，掺与不掺粉 煤灰的混凝土快速碳化深度均减小 。与养护制度 D的 混凝土碳化深度相 比，养护制度 A的 K 3 0矿渣混凝土 碳化深度减小 2 4 5 ；养护制度 A的 K 6 0矿渣混凝土 碳 化深 度减 小 2 2 7 。可 见 ，延 长 养 护 时 间 有 利 于 提 高混凝土的抗碳化能力 ，改善混凝土的护筋性能。 吕 皇 O 1 0 2O 3O 养 护 时间 d _ 0 口_ F1 5 F3 0 图 2 粉煤灰混凝土快 速碳 化浓度一养护 时间的关 系 随着粉煤灰掺量增加 ，混凝土快速碳化深度增加 。 当采用养护制度 A时，K 3 0矿渣混凝 土碳化深度较 空 白混凝土增大 9 7 1 ，这主要也是 由于粉煤灰取代水 泥后 ，混凝土 巾的 C a ( O H) ， 储备大幅度减小 ，同时粉 煤灰二次水化导致 C a ( O H) ， 储备进一步减小 ，因此碳 化速度加快 ，碳化深度增大 。但 是 由于二次水化 ，混 凝土的孑 L 隙率将会 减小 ，密实度提 高 ，孑 L 结构改 善 ， 嘴 度 量 嫩 比 祭 2 0 1 2年 6月 第 6期 广 东水 利水电 N o 6 J u n 2 0 1 2 混凝土抗气体渗透能力提高，抗碳化性能将会提高。 总体上看 ，掺人矿渣和粉煤灰增大混凝土碳化深 度 ，降低其抗碳化能力。 5 减 少混 凝 土碳化 的措 施 在正常的非侵蚀大气 巾，混凝土 的碳化会使其碱 度降低 ，使之失去对钢筋的保 护作 用 ，从而影响其结 构 的耐久性。在混凝土碳化影响因素的讨论 中，还可 清楚地 了解到 ，周 同介质 、施工 条件和原材料等因素 都对混凝土碳化有 明显影 响。但 归根结 蒂，若混凝土 具有较好 的密实性 ，则可 能获得 较好 的抗 碳化性能 。 因此 ，为了减少混凝土的碳化一般可采取如下措施 ： 1 )合理设计混凝土配合比。选择抗碳化性能较好 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 ，并有足够的水泥用 量 ( 一般不少于 3 0 0 k g m ) ；同时应尽量降低水灰 比或 掺入减水剂 ，尽可能在满足施工和易性要求的前提下 ， 降低其用水量 ，在必要掺入合乎 国标要求的优质粉煤 灰时 ，采用超量取代法设计混凝土配合 比。 2 )在混凝土施工时，应采用机械震捣 ，以保证混 凝土的密实性。同时 ，应尽可能避免采用加热养护以 加速混凝土硬化 ，l当采用 自然养护时 ，应按有关规程 的要求 ，经常喷水养护 ，使混凝土表面保持潮湿状态 ， 或覆盖塑料薄膜 ，或喷涂养护液 ，以减少水 份蒸发和 表 面裂 缝 。 3 )采用表面涂层或表面覆盖层的方法 ，隔绝混凝 土与大气的直接接触 ，对减少或 防止混凝土的碳 化有 明显效 果 。 实践表 明，无机或有机的各 种外墙涂料 ，各种砂 浆抹灰层都会不 同程度地减少混凝土 的碳化深度。若 采用抗 渗 性能 良好 的防水 水 泥砂 浆抹 面 层 ( 约 1 1 5 c m) ，可以完全隔绝 C 0 2的渗透 ，保护混凝土表面 不受碳化。 若采用低分子聚乙烯或石蜡浸渍混凝土表面 ，可 完全隔绝 C 0 2渗透的毛细管孑 L 道 ，使混凝土不遭受碳 化 。 4 )考虑钢筋混凝土结构有足够的保护层厚度 ，这 是最常用的保护钢筋不遭锈蚀 的一种方法。在一般情 况下 ，虽然混凝土遭受碳化 、但尚未透过保护层厚度， 对钢筋仍有很好的保护作用。但若周 同介质的相对湿 度较大 ，或是共他酸性气体含量较高时，特别是氯气 的含量较高时 ，则可能效果较差 。 6 结论 1 )延长养护时间减小混凝土碳化深度，可提高混 凝土的抗碳化能力。 2 )掺人矿渣和粉煤灰增大混凝土碳化深度 ，可降 低其抗碳化能力。 参考文献 ： 1 王建强地铁隧道衬砌结构 钢筋锈蚀 及耐 久性研究 D 两安 ：长安大学 ， 2 0 0 9 2 冯乃谦高性能混凝土 M 北京：中国建筑T业 版 礼 ，1 9 9 6 3 王立华 ，陈理 达 ，刘佳 矿 渣 和粉煤灰 对胶 砂力学 性能 的影响研究 J 广 东水利水 电 ，2 0 1 2 ，( 3 ) ：l 9 2 2 4 杨 医博 ，梁 松 ，莫海 虹 ，等抗 氯盐高 性能 混凝土 技术 手册 M 北京 ：中国水利水电 版社 ，2 0 0 6 5 工立华 ，陈理 达 ，李 红彦 ，等 养 护制 度及掺 合料掺 量 对混凝 土 力 学 性 能 的 影 响研 究 j 广 东 水 利 水 电 ， 2 0 1 1 ，( 1 1 )：3 53 8 6 S L 3 5 2 2 0 0 6水 工混 凝土试验规 程 S 北京 ：中国水利 水电 出版社 ，2 0 0 6 ( 本文责任编辑马克俊 ) 芾 尔 综 尔。 每 场 衣 蝽 匆 i 尔 尔 笨 尔 夺 尔 当 岛 j 譬 笔 尔 i 尔 皇 筇 场 i ( 上接第 3 1页) 从长期来看 ，矿渣混凝土抗裂性优于空白混凝土 ， 而粉煤灰混凝土与空 白混凝土大致相当 ，或稍优。 延长养护时 问，可减小混凝土 的脆性系数 ，提高 极 限拉伸值。 参考文献 ： 1 杨医博，梁松，莫海虹，等抗氯盐高性能混凝土技术 手册 M 北京 ：中围水利水 电f 版社 ，2 0 0 6 2 王立华 ，陈理 达 ，刘佳 矿渣 和粉 煤灰 对胶砂 力学 性能 的影响研究 J 广 东水利水 电，2 0 1 2 ，( 3 ) ：1 9 2 2 3 工立华 ，陈理 达 ，李 红彦 ，等养 护制度 及掺 合料掺 量 对混 凝 土 力 学 性 能 的 影 响 研 究 J 广 东 水 利 水 电， 2 01 1 ， ( 1 1 )：3 53 8 4 张 誉 ，蒋 利 学 ，张 伟 平 ，等 ，混凝 土 结 构 耐久 性 概论 M 海 ：上海科学技术 版社，2 0 0 3 5 沈旦申，张萌济粉煤灰效应的探讨 J 硅酸盐学报， 1 9 8 1 ，( 6 ) ： 5 8 6 3 ( 本文责任编辑马克俊) 3 9