碳化作用下玻化微珠保温混凝土碳化深度及强度变化试验研究.pdf

2 0 1 4年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEM ENT PRODUCTS 2 01 4 No 6 J u n e 碳化作用下玻化微珠保温混凝土碳化深度及 强度变化试验研究 吕丹丹 ， 刘元珍 ， 李 珠 ， 许 丽 ( 太原理工大学建筑与土木工程学院 ， 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 为研 究玻化微珠保 温混凝土 的碳化性 能， 进行 了不 同碳 化龄期的室 内快速碳化试验。在 保温混凝 土优 化 配合 比的基础上选 定三种不 同的水灰 比设计试验 ， 测定不 同龄期的碳化深度和立方体抗压 强度 并选 定同等条件 下的普 通混凝 土进行 了对比。试验 结果表 明 ， 保温混凝土的抗碳化性能较好 ， 运用回归分析 法建立 了保 温混凝 土的 碳 化深度预 测模 型 确定 了抗压强度与碳化龄期之 间的定量 关系表达式 。 关 键 词 ： 玻 化 微 珠 保 温 混凝 土 ： 室 内快 速 碳 化 ； 碳 化 深度 ； 抗 压 强 度 Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y 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 g l a z e d h o l l o w b e a d s t h e r ma l i n s u l a t i o n c o n c r e t e a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n e x p e r i me n t u n d e r d i f f e r e n t c a r b o n i z a t i o n t i me h a s b e e n c o n d u c t e d T h e t e s t s h a v e b e e n d e s i g n e d c h o o s i n g t h r e e d i f f e r e n t wa t e r c e me n t r a t i o s o n t h e b a s i s o f t h e o p t i mu m mi x t u r e r a t i o T h e c a r b o n a t i o n d e p t h a n d c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h u n d e r d i f f e r e n t c a r b o n i z a t i o n t i me h a v e b e e n d e t e r mi n e d ，a n d t h e n c o mp a r e d wi t h o r d i n a r y c o n c r e t e T e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n s u l a t i o n c o n c r e t e h a s a g o o d c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e Th e c a r b o n a t i o n d e p t h p r e d i c t i o n mo d e l h a s b e e n e s t a b l i s h e d u s i n g t h e r e g r e s s i o n a n a l y s i s me tho d A n d the q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n a l e x p r e s s i o n b e t we e n c o n c r e t e s t r e n g t h a n d c a r b o n a t i o n t i me h a s b e e n d e t e r mi n e d Ke y wo r d s ：Gl a z e d h o l l o w b e a d s t h e r ma l i n s u l a t i o n c o n c r e t e ；A c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n ；C a r b o n a t i o n d e p t h ；C o mp r e s s i v e s t r e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 6 2 8 0 4 0前 言 玻 化 微珠 保 温 混 凝 土是 在普 通 混 凝 土 的基 础 上 用一定量 的矿物掺合料和玻化微珠保温材料替 代混凝土 中部分细骨料 的混凝土 。 在满足结构承载 力要求的 同时 ， 也能有效 改善室内热冷 环境 、 节约 建 筑 能耗 实现 结构 混 凝 土材 料 在保 温 隔 热 性 能方 面的突破 该混凝土具有 良好的后续研究价值和可 推 广性 - 2 1 。 在 混 凝 土实 际 应用 中 常 因复 杂 多变 的环 境 而 发 生 耐久 性 破坏 ， 混 凝 土 中 的钢 筋锈 蚀 是 造 成混 凝 土结构耐久性损伤的最主要因素 而在一般大气环 境下 混凝土的碳化则是混凝土 中钢筋锈蚀 的主要 诱 因 因此 ， 研 究混 凝 土碳 化 具 有重 要 的 实 际意 义 。 有关普通混凝 土的碳化性 能研究 国内外进行得 较 为深入1 - 5 1 。 这为玻化微珠保温混凝土的碳化性能研 究提供 了有益思路。 本文 结 合 实 际工 程应 用 ，以 前期 研 究 为 基础 ， 基 金 项 目 ： 教 育 部 高 等 院 校 博 士 点 基 金 资 助 ( 2 0 1 0 1 4 0 2 1 2 0 0 0 7 ) ； 国家 自然科学基金资助 ( 5 1 3 0 8 3 7 1 ) 。 一 28一 展开玻化微珠保温混凝土碳化性能 的试验研究 。 深 入 了解其碳化机理及影响因素 ， 建立保温混凝土 的 碳化深度预测模型 ， 并选用立方体抗压强度作为评 价指标 ，着重探讨其随着碳化龄期 的变化规律 ， 总 结 出相应 的定量关系表达式 ， 为保温混凝 土的安全 耐久性设计提供参考。 1 试验 设计 1 1 试 验原材 料 ( 1 ) 玻 化微 珠 玻 化 微 珠 是新 型 高性 能 无 机 绝热 材 料 ， 在 混 凝 土中作为保温细骨料 其物理化学性 能较稳定 ， 具 有 质轻 、 隔 热 、 耐火 等特 点 ， 并 且 经 过 改 性 处 理 后 ， 在浇筑混凝土的过程中破碎率也较低 。本文试验选 择的玻化微珠有三种粒径 ： 分别为 1 3 m m、 2 - 4 ram、 3 5 m m， 三种粒径的百分 比依次为 5 0 、 3 0 、 2 0 。 ( 2 ) 其 他 材料 水 泥选 用 P O 4 2 5级 普通 硅酸 盐 水 泥 ， 在 本 试 验 中暂不 考 虑水 泥 品种 对 耐 久性 的影 响 ； 石 子 选 用 山西清徐碎石 ， 粒径 5 - 2 0 mm， 堆积密度 1 6 3 0 k m 3 ， 采 用二 级配 ，其 中 5 1 0 mm 占 4 0 ， 1 0 2 0 mm 占 2 0 1 4年 第 6期 混凝 土 与水 泥制 品 总第 2 1 8期 2 2 保 温混 凝土 的碳 化深 度 预测模 型 碳化 作用 后 ，按照 G B F F 5 0 0 8 2 2 0 0 9中规定 的 方法测得保温混凝 土和普通混凝 土在不同碳化龄 期下 的碳化 深度 值 ，见 表 2 。根据 表 2中的碳 化 数 据 ， 可得不 同水灰 比的混凝土平均碳化深度和碳化 龄期 的关 系 曲线 ， 如 图 3所 示 。 表 2 不同碳化龄期的混凝土碳化深度值 注 ： 编 号 l 一 3的 试 样 W C= 0 4 5； 编 号 4 6的试 样 W C= 0 5 O ； 编号的试 样 7 - 9 W C = 0 5 5 ； I C表示保 温混凝土 ， C 表示普通混凝土。 5 g 4 3 账 2 疆 1 O 0 7 l 4 2 l 2 龄期， d 图 3 不 同水灰 比的保 温混凝 土碳化深度 和碳化龄期 的 关系 曲线 由表 2可知 ， 不同水灰 比的保温混凝 土和普通 混凝土的碳化深度均随着碳化龄期 的增加而增大 ， 且当碳化龄期相同时。 保温混凝土 比普通混凝土碳 化深 度 小 。从 图 3曲线 变化 可 以看 出 ， 相 同碳 化 龄 期下 ， W C = 0 5 0的保温混凝土碳化深度最小 ，这说 明 W C = O 5 0的保温混凝土配合 比最佳 。 近 年来 ， 国内外 学 者提 出 了多种 碳 化 深 度预 测 模型 ， 目前 普遍认 可的是 ， 混凝 土碳化深度和与碳 化 龄期 的平 方根 成正 比同 ： d=k 式中， d 一混凝土碳化深度 ， m m； 后 一碳化系数 ，是反 映混凝土碳化速度快慢的综合参数 ； 卜 碳化龄期。 运用 回归 分析法 可分别 得 到水灰 比为 0 4 5 、 0 5 O 、 0 5 5的保 温 混 凝 土 和普 通 混 凝 土 不 同碳 化 龄 期 的碳 化深 度模 型 。 如表 3所 示 。 一 3 0一 表 3 不 同水灰 比的混凝土碳化深度模型 水灰 比 保温混凝土 普通 混凝 土 W C ： 0 4 5 d = O 7 7 、 ， R 2 = 0 9 9 8 2 d = 1 6 3 ， R 2 = 1 0 0 0 0 W C= 0 5 0 d = 0 6 8 厂 ， R 2 = 0 9 9 9 1 d ： 1 4 3 、 酬_ ， R 2 = _ 0 9 9 9 9 W C = 【 ) _ 5 5 d =0 8 8 、 ， R 2 = 0 9 9 8 5 d ： 1 7 9 、 I_ ， R 2 = 0 9 9 9 8 碳化 系数是 反映混凝 土碳化速度快慢 的综合 参 数 ， 碳 化 系数越 小 ， 表 明碳化 反应 的速 度越 慢 。从 上 述公 式 中可 知 ， W C = 0 5 0的保 温 混凝 土碳 化 系数 为 0 6 8 ， W C = 0 4 5为 0 7 7 ， W C = 0 5 5为 0 8 8 ，表 明 W C = 0 5 0的保温混凝土碳化速度较慢 ， 其配合 比最 佳 ； W C = 0 5 0的普 通混 凝 土碳 化系 数 为 1 4 3 。说 明 保温混凝土 的碳化速度相 比普通混凝土来说较慢 ， 其 抗碳 化性 能较 好 ， 可 以广 泛用 于 _T程 实践 中 。 2 3 碳化作用后的立方体抗压强度值 不 同 碳 化 龄 期 后 的 玻 化 微 珠 保 温 混 凝 土试 件 的立方体抗压强度值如表 4所示 。0 4 5 、 0 5 0 、 0 5 5 三种 不 同水 灰 比下 的保 温 混 凝 土相 对 平 均 抗 压 强 度和碳 化龄 期 的关 系 曲线 ， 如 图 4所示 。 不 同水灰 比的保温混凝土立方体抗 压强度随 着碳化龄期 的增加而提高 ， 这是 因为随着碳化龄期 的增加 ， 保温混凝土中的氢氧化钙逐渐变为不溶于 水 的碳 酸钙 ， 使保温混凝土 的孔隙率降低 ， 密实度 增加 ， 形成包裹试件 的硬壳 ， 从而提高了保温混凝 土试 件 的抗 压 强度 。从 图 4可 以看 出 ，水 灰 比为 0 5 0的保温混凝土 的强度增长程度 明显 比其它水 灰比的小 ， 说 明水灰 比为 0 5 0的保温混凝土抗碳化 性 能要 比其它 水灰 比优 越 ， 0 5 0为最 佳水 灰 比。 根据试验数据 ，对图 4中的曲线进行拟合 ， 采 用最小二乘法可得碳化作用后保温混凝 土 的相对 抗压强度 与碳化龄期 T之间的关系式 ： ：0 0 25 2V - T -+ j c u ：0 0 22 3v - T -+ 1 c u ： 0 0 2 9 7 -T + 0 O 0 0 0 0 R = 0 99 9 7 R = 0 99 81 R = 0 9 9 9 6 W C=0 4 5 W C=O 5 O W C= 0- 5 5 式 中 一碳化 龄期为 T时保温混凝土的立方 体抗压强度 ， MP a o 一未碳化时保 温混凝土的立方 体抗压强度 ， MP a 。 将w， ( 二 ： 0 5 0的保 温混 凝 土 的相 对 抗 压强 度 吕丹丹 ， 刘元珍 ， 李珠 ， 等碳化作用下玻化微珠保温混凝土碳化深度及强度变化试验研究 注 ： 表 中数据均 为经过处理的立方体抗压强度代 表值 ， 编号 1 3的试样 W C = 0 4 5 ； 编号 4 - 6的试 样 W C = 0 5 0 ； 编 号 7 - 9的 试样 W C = 0 5 5 。 憩 靛 O 7 1 4 21 2 8 龄期 d 图 4不 l司水 灰 比 的保 温 混 凝 土相 对 抗 压 强 度 和 碳化龄期的关系 与碳化龄期T 之间的关系式变换成 ： x 0 0 2 2 3 、 丁 ： = 0 8 7 7 9 、 丁+ 3 9 4 ，而钢纤维体积率为 2 0 时的钢纤维混凝土抗压强度和碳化龄期 的关 系为 ： = 0 9 2 1 5 x T+ 3 6 0 5 【7 j 。 比较 这 两个 公 式 可 知 ， 玻 化 微 珠 保 温 混 凝 土 的系 数 为 0 8 7 7 9 ， 小 于 钢 纤 维混 凝 土 的 系数 0 9 2 1 5 ，表 明经 过 碳 化作 用 后 ， 保 温 混凝 土 的强 度增 加 比较 缓 慢 这 在一 定 程 度上 也说明了保温混凝土的碳化作用比较缓慢 ， 其可以 应用 于大气污染较严重的工程实践 中。 3结论 ( 1 ) 碳 化龄期相 同时 ， 不 同水灰 比的玻化微珠 保温混凝土的碳化深度小于对应水灰 比的普通混 凝 土 ， 说 明保 温混凝 土 的抗碳 化性 能较 为优越 。 ( 2 ) 运用 回归分析法得到了水灰比为 0 4 5 、 0 5 0 、 0 5 5的保温混凝土和普通混凝土的碳化深度预测模 型 ， 其中水灰 比为 0 5 0的保温混凝土碳化反应较为 缓慢 ， 其配合比为最佳配合比。 ( 3 ) 经过碳化作用后 ， 保 温混凝土 的立方体抗 压强度值会有一定程度 的提高 ，随着碳化龄期增 加 ，立方体抗压强度值提高 的幅度越来越缓和 ， 碳 化 2 8 d后 ，水灰 比为 0 4 5 、 0 5 O 、 0 5 5的保温混凝土 立方 体 抗压 强 度 分 别 提 高为 初 始 值 的 1 1 1 7 、 1 1 3 3 、 l 1 6 0 其中水灰 比为 0 5 0的保温混凝土 强度增加速度最为缓慢。采用最小二乘法得到了不 同水灰 比下保 温混凝 土的相对抗压强度 和碳化 龄 期 的定量关系表达式 ， 可为理论研究 和工程实践提 供一定参考 。 参考文献 ： 【 1 张泽平 玻化微珠 保温混凝 土及其 结构 的基 本性能 试验 与理论 分 析研 究 D 】 太 原： 太 原理 工 大学 博士 学位 论 文， 20 0 9 2 】 L i u y u a n z h e n S t u d y o n P e r f o r m a n c e O p t i m i z a t i o n o f T h e r - ma l I n s u l a t i o n G l a z e d Ho l l o w B e a d a n d C e r a mi s i t e C o n c r e t e C 2 0 1 1 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n El e c t r i c T e c h n o l o g y a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， I C E T CE 2 01 1 - P r o c e e d i n g s ： 3 5 1 8 - 3 5 2 2 3 S a e t t a A V ， S c h r e fl e r B A V i t a l i a n i R V T h e c a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e a n d t h e me c h a n i s m o f mo i s t u r e ， h e a t a n d c a r b o n d i o x 。 i d e fl o w t h r o u g h P o r o u s m a t e ri a l s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a c h ， 1 9 9 3 ( 2 3 ) ： 7 6 1 7 7 2 【 4 谢晓鹏 ， 高丹盈 ， 赵军 碳化作 用下 钢纤维混 凝土力学 性 能的试验研究 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 4 4 6 【 5 】 李永贤 混凝 土碳 化的危害 、 原 因及 防治【 J 】 交通标准化， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 9 9 - 2 0 2 【 6 】肖佳， 勾成福 混凝 土碳化研究综述 J 混凝 土， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 47 51 【 7 】 谢晓鹏 钢纤维 混凝土冻融 和碳化性能试 验研究 【 D 】 郑 州： 郑州大学硕士学位论文 2 O 0 4 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 9 作者简介 ： 吕丹丹 ( 1 9 8 9 一 ) ， 女 ， 硕士研究 生。 通讯作者 ： 刘元珍 ( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 博士 、 副教授 。 通 讯地址 ： 太原市万柏林区迎泽西大街 7 9号 联 系电话 ： 1 5 3 8 3 5 1 5 3 0 3 E ma i l ： 8 2 5 4 2 8 6 1 8q qc o m 一 3】一 m 措