废弃矿物掺合料水工混凝土抗碳化性能试验研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 2 De c e mbe r 废弃矿物掺合料水工混凝土抗碳化性能试验研究 赵井辉 ， 刘福胜 ， 周广发 ， 武义馨 ， 程 明， 刘栋梁 ( 山东农业大学水利土木工程学院 ， 泰安 2 7 1 0 1 8 ) 摘 要 ： 通过加速碳化 方法 ， 研 究 了水工混凝 土单掺 花 岗岩石粉 、 单掺粉煤灰及 双掺 花 岗岩石粉 及粉煤灰 时的 抗碳 化性能。结果表明 ， 水工混凝 土双掺矿 物掺 合料 时的抗碳 化性能优于单掺矿物掺合料 时的抗碳化性 能 且混凝 土抗碳 化性能随着矿物掺合料掺量及 细度 的变化 ， 呈现规律性 变化 。 关键词 ： 花 岗岩石粉 ； 粉 煤灰 ； 掺合料 ； 碳化 ； 水工混凝 土 Ab s t r a c t ： T h e e a r h o n a t i o n r e s i s t a n c e s o f h y d r a u l i c c o n c r e t e mi x e d wi t h g r a n i t i c p o wd e r o r fl y a s h a n d h y d r a u l i c c o n c r e t e d o u b l e mi x e d wi t h g r a n i t i c p o wd e r a n d fl y a s h a r e s t u d i e d t h r o u g h t h e me t h o d o f a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n An d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c c o n c r e t e d o u b l e mi x e d w i t h g r a n i t i c p o w d e r a n d fl y a s h i s b e t t e r t h a n t h a t o f h y d r a u l i c c o n c r e t e s i n e mi x e d w i t h a d m i x t u r e ， a n d t h e c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e i s c h a n g e d r e g u l a r l y w i t h t h e c h a n g e o f c o n t e n t a n d f i n e n e s s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s Ke y wo r d s ： Gr a n i t i c p o w d e r ； F l y a s h ； Ad mi x t u r e ； C a r b o n a t i o n ；Hy d r a u l i c c o n c r e t e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 1 2 9 1 一 O 4 0前 言 在恶劣环境 ( 如碳 化 、 氯离子 渗透等) 条件下 ， 钢筋混凝土结构的耐久性 问题十分突出。侵蚀介质 的侵入造成钢筋脱钝失去保护 ，从而产生锈蚀 ， 并 造成巨大 的经济损失 l 1 。钢筋的锈蚀产物体积是未 锈蚀钢筋体积的 3倍左右 ， 锈蚀产物增大的体积使 钢 筋 四周 的混 凝 土产 生膨 胀 力 ， 当膨 胀 力 大 于混 凝 土 的抗拉强度时 ， 保护层混凝土将会产生顺筋方 向 的裂 缝 随 着钢 筋 的不 断锈 蚀 及锈 蚀 产 物 的不 断增 加 保护层混凝土开始剥落，导致构件截面面积降 低 。另外 ， 锈蚀后 的钢筋截面面积变小、 力学性能下 降， 构件的承载能力降低 ， 严重影 响结构的安全性 。 本试验 以花 岗岩石粉 、 粉煤灰为掺合料 ， 研究 了不 同矿物掺合料在不 同掺量及不 同细度条件 下 对 混 凝 土抗 碳 化 性 能 的影 响 ， 在 一定 程 度 上 实 现 花 岗岩石粉 、 粉煤灰的再生利用 ， 以节约 自然资源。 1 试 验概 况 1 1 试 验 目的 试 验通 过 水 工混 凝 土 抗 碳化 性 能 试 验 ， 研 究 不 同掺合料在混凝土相同荷载条件下 的碳化机理 ， 探 究混凝土抗碳化性能与掺合料掺量之间 的关系 ， 可 为水 工混凝土结构耐久性设计 、 确定掺合料水工混 凝土的最优配合 比提供试验依据。 基 金 项 目 ： 山东 省 重 大 水 利 科 研 及 技 术 推 广 项 目( S D S L KY2 01 2 0 9) O 1 2 试验 用原 材料 水 泥 ： P 0 4 2 5水 泥 ： 花 岗岩 石 粉 ： 掺 量 1 0 、 2 0 和 3 0 ， 细度 O - 8 0 1x m 和 O 1 5 0 1x m； 粉 煤灰 ： 1 11 级灰 ， 掺量 1 0 、 2 0 和 3 0 ； 砂 ： 河砂 ， 过 4 7 5 mm 孑 L 筛 ， 细度模数 2 6 7 ； 石 ： 粒径 5 2 5 m m连续级配碎 石 ； 减水剂 ： 萘系高效减水剂 ， 掺量为水泥和矿物掺 合料总量 的 0 6 ； 1 酚酞 乙醇溶液( 含 2 0 蒸馏 水 ) 。 1 - 3 配合比设计 本试验设计 了 1 6组配合 比 ， 具体见表 1 ， 其 中 J 0为基 准 组 ，每 组 配合 比制作 l O O mmx 1 0 0 m mX 3 0 0 mm 的试件 3个 。 1 4 试验仪器设备 碳化箱 ， 气体分析仪 ， C O 供气装置 ， 变色硅胶 ， 钢 尺 。 喷 雾器 等 。 1 5 试 验依 据 混 凝 土 碳 化试 验 严 格 按 照 S L 3 5 2 2 0 0 6 水 工 混凝 土 试验 规程 要 求进 行 。 2试 验 结果及 分 析 混 凝 土 碳 化 深 度 与 碳 化 龄 期 之 间 的 关 系 可 用 幂 函数 d =O t 来进行 曲线 回归分析 。其 中： d表示 混 凝 土碳 化深 度 ， m m； 为碳 化 龄期 ， d ； o r 表 示 混 凝 土早期 碳化 性 能影 响系数 ( o 越 大 ， 表示 混凝 土越 易 被 碳 化 ) ； 表 示 混 凝 土 后 期 碳 化 速 率 影 响 系 数 越大 表示混凝土碳化速率越快) 。 一 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 2期 混凝 土 与水 泥制 品 第 2 2 4期 表 1 试验用混凝土配合 比 k g m 。 注 ： J 0为基准组混凝 土配合 比； G代表花 岗岩石粉 ，如 G 1 2 ， 1 代 花 岗岩石 粉掺 量为 1 0 ， 2代 表 花 岗岩石 粉 细度 为 0 1 5 0 m； F代表粉煤灰 ； S代表双掺花 岗岩石粉 和粉 煤灰 ， 如 9 2 1 ， 2代表花 岗岩石粉 和粉 煤灰总掺量 为 2 0 ， 按质量 l ： 1进行 双掺 ， l 代表花岗岩石粉细度为 0 8 0 m。 2 1 花 岗岩 石粉 组 表 2为花 岗岩石 粉 组混凝 土碳 化试 验 结果 。通 过表 2的试 验 数 据 得到 图 1 所 示 的混凝 土碳 化 龄 表 2花 岗 岩 石粉 组 混 凝 土碳 化 试 验 结 果 mm l 蠢 整 龄 期 d 图 1 掺花 岗岩石粉组碳化数据分析折线图 一 9 2一 期与碳化深度之间关系折线 图， 并得到各拟合曲线 公式 d = 及 相关 系数 r ， 公 式及 r 见 表 3 。 表 3 花岗岩石 粉组碳化试验 拟合 曲线 参数 由试验 数据 的拟 合公 式 可 以看 出 ： ( 1 ) 花 岗岩石 粉 组 混凝 土 的抗 碳 化性 能 明显 较 基准组 低 。 ( 2 ) 花 岗岩 石 粉 细 度 为 0 8 0 m 组 的 值 较 细 度为 0 1 5 0 m组的 值大 ， 即在碳化早期 ， 花 岗岩 石粉 细度 越小 ， 越 易被碳 化 。 ( 3 ) 花 岗岩石粉细度为 0 8 O m组 的 值较细 度为 0 1 5 0 m组 的 值大 ， 即在碳化后期 ， 花 岗岩 石粉细度越小 ， 碳化速率越快 。 ( 4 ) a值随水泥取代率( 即花岗岩石粉掺量百分 比) 的增 大而 明显 增 大 ， 说 明在 碳 化早 期 ， 花 岗岩 石 粉的掺量越大 ， 越易被碳化。 值随水泥取代率的增 大而呈整体 减小趋势 ， 说 明碳化后期 ， 在一定范 围 内。 大掺量有利于降低混凝土后期碳化速率。相对 于 值而言 ， JB值 的变化趋势不 明显 ， 从而导致 2 8 d 的碳 化 期 内 花 岗岩 石 粉对 混 凝 土抗 碳 化性 能 的影 响中 值的受影响程度 占据了主导作用。 试 验结 果 说 明 ， 混凝 土 中的部 分 水 泥 被 花 岗岩 石粉取代后 ， 其碱储备明显降低。混凝土碱储备是 衡量 混 凝 土抗 碳 化性 能 的一 个 重 要指 标 当碱 储 备 降低时 ， 混凝 土的抗碳化性 能会 随之 降低 ， 混凝土 越易被碳化。混凝土碳化是与 自身 内部 的碱性物质 C a ( O H) 反应 ， 由于花 岗岩石粉 取代 了一 部 分水 泥 ， 故在相 同荷载作用 下 。 掺加花岗岩石粉的水工混凝 土碳 化深 度 与碳 化速率 都 比基 准试 验组 大 。 在相同水泥取代率条件下 ， 花岗岩石粉细度越 小 ， 其 比表面 积越 大 。当混 凝 土 中掺 入 花 岗 岩石 粉 时 ， 水 泥浆体会包裹在花 岗岩石粉外部 石粉细度 为 0 8 0 m组 与 细度 为 0 1 5 0 v m试 验组 相 比 ， 前者 为 水泥 浆 体提 供 了更 大 的包 裹 面 积 ， 促 进 了水 泥 的 水化速度 ， 因为水泥水化的产物 C a ( O H) 是混凝土 碳 化 的主 要反 应 物 ， 因此 ， 水 泥水 化 速度 越 快 ， 混凝 土碳 化 早 期越 易 被碳 化 ， 这 也 是 花 岗岩 石 粉 细 度 为 O O O O 0 0 O 0 4 2 0 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵井辉 ， 刘福胜 ， 周广发 ， 等 废弃矿物掺合料水工混凝土抗碳化性能试验研究 0 8 0 1 m组 O 值大 于 0 1 5 0 1x m 组 O t 值 的主要 原 因。 硬 化 混 凝 土是 一 种 多孔 非 均 质体 系 ， 混凝 土 中 孔 主要 有 ： 凝胶 孔 、 毛 细孔 和气孔 。凝 胶孔存 在 于水 化硅酸钙凝胶f C S H 1 中 ， 一般在 1 0 n m以内。 毛细 孔主要指未被水化水泥浆固体组分所填充 的空间。 气孔是在新拌 水泥浆 体拌合 操作过程 中陷进去或 通过外加剂引入的非常细小 的气孔。在水化水泥浆 体 中 ， 气孔 可 大到 3 mm， 引入 的气 孔 大致 范 围为 5 0 2 0 0 m t 2 。 故 在试 验 中掺 加质 量相 同而 细度 不 同 的花 岗岩石 粉 时 。细度 为 0 8 0 J ,z m 组对 混凝 土孔 隙的填 充效果较细度 0 1 5 0 v m组差 ， 因为细度为 0 8 0 1z m 的花岗岩石粉对混凝土 中较大 的气孔起不 到填充 作用 。 细度为 0 1 5 0 1x m的花岗岩石粉对混凝土孔隙 的填充相对较均匀 ， 增加了混凝 土的密实性 ， 对 C O 气体在混凝 土内部的扩散起到了一定的阻挡作用 ， 使混凝土碳化早期不易被碳化 ， 后期碳化速率也较 小。 故在单掺条件下 ， 与细度为 0 8 0 m的试验组相 比较 石粉细度越大 。混凝土碳化拟合公式中的 o c 值 与值就 越 小 ， 即混 凝土 抗碳 化性 能越 好 。 随着 混凝 土 中水 泥取 代 率 的增 大 ， 碱储 备 随之 减小 ， 抗碳化性能降低 ， 混凝土越易被碳化 ， 从而导 致碳化拟合公式 中 O 值随水泥取代率 的增大而增 大 。当水泥取代率增大 ( 即花岗岩石粉掺量增 加) 时 。 减小 了混凝土 的孔 隙率 ， 在一定程度上增加 了 混凝土的密实性 ， 导致碳化速率降低 ， 即 值变小 。 由试验数据可看出 ， 这种 由于水泥取代率增大而带 来 的影响 ， O 值 的受影响程度 占据主导作用。 2 2粉 煤灰 组 表 4为粉煤灰组混凝土碳化试验结果。通过对 表 4试验数据 ， 得 出图 2所示 的混凝 土碳化龄期与 碳化深度之间的关系折线 图， 并得到各 曲线 的拟合 公式及相关系数 r ， 公式及 r 见表 5 。 由试 验数 据 的拟合 公 式 可 以看 出 ， 在养 护 条 件 及 荷 载作 用 均相 同 的条 件 下 ， 混 凝 土 抗碳 化 性 能 随 粉煤灰掺量的增加而降低 ， 在碳化深度拟合公式 中 表现在 O L 和3数值的规律性变化 。由表 4可见 ， 与 基准组相 比 掺粉煤灰的混凝土在碳化早期抗碳化 表 4粉煤灰组 混凝 土碳 化试验结果 mm 吕 鲁 逃 谨 龄期， d 图 2粉煤灰组碳化数据分析折线图 表 5粉煤 灰组 碳化试验拟合曲线参数 性 能 降低 近 基准 组 的一 半 ，但在 不 同掺 量条 件 下 ， 由 O 值 可 以看 出 掺 加 粉煤 灰 组混 凝 土 在碳 化早 期 碳 化 难 易 程 度 相 差 不 大 ； 在 碳 化 后 期 ， 当粉 煤灰 掺 量 由 1 0 增 加到 2 0 时 ， 3值 有 明显增 大 ， 即当粉 煤 灰 掺 量 由 1 0 增 加 到 2 0 时 ， 混 凝 土后 期碳 化 速率 明显增大 ， 当粉煤灰掺量为 2 0 增加到 3 0 时 ， 3值 变化不明显 ， 即碳化速率并未因掺量的进一步增加 而发 生 明显 变 化 。从混 过 凝 土碳化 深 度 以及 O t 和 3 的整体数据来看 ， 当粉煤灰掺量 由 2 0 增加到 3 0 时 ， 均未发生较大变化 。可见 ， 粉煤灰掺量在 2 O 3 0 时 ， 抗 碳 化性 能 比较稳 定 。 掺入 粉煤 灰会 使混 凝 土抗碳化性 能降低 ， 不利于防止钢筋锈蚀【 3 J ， 但由于 钢筋 混 凝土 保 护层 厚度 一 般 为 3 0 mm N ， 当粉 煤 灰掺 量低 于 3 0 时 ， 混 凝 土最 大碳 化 深 度 为保 护 层 的 1 3 ， 且 本 试 验方 法 为 加速 碳 化试 验 ， 在实 际 工 程 应用 中，由于 C O ： 浓度及空气温湿度等诸多因素影响 ， 粉 煤 灰 掺 量 在 3 0 以 下 时 的 水 工 混凝 土 对 结 构抗 碳 化性 能影 响不 大 。 粉 煤 灰 取 代 水 泥 后 ，混 凝 土 中水 泥熟 料 减 少 了 ， 释 放 出 来 的 C a ( O H) ： 必 然 减 少 ， 特 别 是 高 掺 量 粉煤灰混凝土的二次反应将消耗大量的 C a ( O H) ， 使 C a ( O H) 降低 【5 。粉煤 灰虽 具有 一定 的活 性 ， 但 无 法 弥补 胶凝 材料 减 少带 来 的负 面效应 。胶 凝材 料 的减少 ， 一方面降低 了混凝土 自身的密实性 ， 使 C O 气体更易侵入混凝土内部 ， 与水化产物 C a ( O H) ： 等 反应 ， 使早期 的混凝 土更 易被碳化 ， 这也是拟合 曲 线中掺加粉煤灰组 O 值 比基准组偏大的原因。另一 方面 ， 混凝土碱储备降低 ， 以及粉煤灰掺量 的增加 ， 一 93 0 O O 0 O O O O 0 O O O 9 8 7 6 5 4 3 2O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 l 2期 混 凝土 与水 泥制 品 总 第 2 2 4期 加速 了混凝 土 二次 水 化 反应 速率 ， 使碳 化 中和 过程 缩短 ，这也是造成粉煤灰掺量 由 1 O 增加到 2 0 时 ， 混凝土后期碳化速率 明显增大的原因。当粉煤 灰掺量由 2 0 增加到 3 0 时 ， 虽然混凝土胶凝材料 减少 ， 但混凝土密实性得到提高 ， 使得试验 过程中 混凝土碳化拟合曲线的 O L 和 数值相差不大。 2 I 3 双掺组 表 6为 花 岗岩 石 粉 与 粉 煤 灰 双 掺 组 混 凝 土碳 化试 验 结果 。通过 对 表 6试 验数 据 ， 得 到 图 3所示 的混 凝 土碳 化 龄期 与 碳 化深 度之 间 的关 系折 线 图 以及 各 拟 合 曲线 公 式及 相 关 系 数 r ，公 式 及 r 见 表 7 表 6双掺组混凝土碳化试 验结果 m m 黧 簦 龄期 d 图 3双 掺组 碳 化 数据 分析 折 线 图 表 7双 掺 组 碳 化 试 验 拟 合 曲线 参 数 由图 3可 以看 出 ， 在 双 掺 条 件 下 花 岗岩 石 粉 与 粉煤 灰 按质 量 1 ： 1取代 水 泥时 ，混 凝 土碳 化 拟合 公 式 中 ， 在其 他条 件 均相 同时 ， 细度 为 0 8 0 1 m 的花 一 9 4 一 岗 岩 石 粉 与 粉 煤 灰 双 掺 组 的 O 值 比 细 度 为 0 1 5 0 m 的花 岗岩 石粉 与粉 煤 灰双 掺 组 的 O t 值 要 大 ， 且与单掺组相 比， 双掺组 O 值的整体变化 幅度与单 掺花 岗岩石粉时 O L 值 的整体变化幅度相近 ， 即双掺 组 中花 岗岩 石 粉对 混凝 土 碳化 早 期 影 响较 大 且 细 度 越 小 ， 混 凝 土 在 早 期 更 易 被 碳 化 ， 其 原 因是 在 质 量 相 同 的条 件 下 细 度 小 的花 岗岩 石 粉 比表 面积 大， 使水泥浆体更好地分散 ， 促进了水泥水化。由于 双 掺组 掺加 0 8 0 1 m花 岗岩石 粉 的混凝 土碳 化 早期 更 易 被碳 化 ，且 粉 煤灰 能 较快 进 行 二 次水 化 反 应 。 造 成 碳 化 后 期 混 凝 土 密 实 度 较 双 掺 组 中 掺 加 0 1 5 0 m 花 岗岩 石 粉 的混 凝 土 大 ： 另 一 方 面 ， 由 于 双 掺 组掺 加 0 8 0 1,z m 花 岗岩 石 粉 的混 凝 土碳化 深 度要 比掺 加 0 1 5 0 1x m 花 岗岩 石 粉 组 的碳 化 深 度 大 ， 使 C O ： 侵蚀路径变长 ， 降低 了混凝土后期碳化速率 ， 故 前 者 在碳 化 后期 ，由于密 实度 和 碳 化 深度 的增 加 ， 其 碳 化 速率 在 一定 程度 上 较后 者 有 所 降低 ， 表 现存 前者 值较后者的减小。 3结论 ( 1 ) 掺合料混凝土碳化深度较基准组混凝 土碳 化 深 度 有 所 增 加 。 且 随 着 掺 量 的 增 加 ， 碳 化 深 度 也 随之增大。因此 ， 掺合料混凝土的抗碳化性能较差 。 ( 2 ) 双掺条件下的掺合料混凝土抗碳化性能优 于单掺条件 的掺合料混凝土抗碳化性能 。 参 考文 献 ： 1 】 杨 跃， 袁杰， 王晓博 粉煤灰 高性 能混凝土 氯离子渗 透性研 究 低温建筑技术， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 3 1 5 2 】 刘伟， 邢锋， 谢友均 水灰 比、 矿物掺合 料对 混凝 土于 L 隙率的 影 n N J 低温建筑技术 2 0 0 6 ( 1 ) ： 9 1 1 3 】 李宏斌 ， 任 淑霞 土木工 程材料 M 北 京： 中国水 利水 电 ； 版 社 2 0 1 0 ： 1 0 9 【 4 】 朱红英 ， 杜应吉， 刘明珍， 等 粉煤 灰不 同掺量对混凝 土碳化 的影响 J 中国农 村水 利水 电， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 1 5 0 1 5 6 【 5 刘巽伯 上海 市粉煤灰 应用技 术手1 t t M 上海 ： 同济 大学 出版 社 1 9 9 5 6 谷章昭， 周 保卫， 乐美龙 ， 等 粉煤灰 的火 山活性指 数I J 1 混 凝土 1 9 9 1 ( 2 ) ： 1 1 2 一 l 1 7 7 】 林聪， 刘福胜， 任 淑霞， 等 废弃矿 物掺合料混凝土 收缩抗 裂 性能影响研究 J 混凝 土与水 泥制品， 2 0 1 4 ( 6 ) ： 9 0 9 3 收稿 日期 ： 2 01 4 0 9 2 5 作者简介 ： 赵井辉 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕 士研 究生 。 通讯作者 ： 刘福胜 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 博 士生 导师。 通讯 地址 ： 泰安市岱宗大街 6 1 号 联 系 电话 ： 1 5 21 5 4 8 0 3 8 9 E ma i l ： z h a o j i n g h u i 1 1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m