大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究.pdf

第4 1卷 第 6期 2 0 1 0年 3月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 41 No 6 Ma r 201 0 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 7 4 0 4 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 张 小 艳 ， 许 建 民2， 杜 应 吉 ( 1 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ； 2 杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ) 摘要 ： 采 用快速碳化试验 方法研 究了粉煤灰超量取代 水泥量分 别为 0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 的粉煤灰 混凝土 在不同水胶比情况下的碳化性能。试验研究表明： 粉煤灰掺量和水胶比是大掺量粉煤灰混凝土抗碳化的重要 因素， 其中水胶比是关键因素。在保证低水胶比的情况下， 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能可以满足工程 要求 ； 大掺量粉煤灰混凝土的碳化深度随龄 期的延长而增加 。 关键词 ： 粉煤灰掺 量；水胶比 ； 抗碳化性能 ； 碳化深度 中图分类号： T V 4 2 3 文献标识码：A 混凝土是 当今世界上最主要的建筑材料， 我国是 目前混凝土用量最大的国家。然而 ， 国内外众多实例 表明， 混凝土材料并不像期望的那样耐久 ， 很多工程未 达到设计寿命就出现耐久性劣化的现象 ， 发生严重 的 工程事故 ， 造成巨大的社会 和经济损失 J 。混凝土的 强度和耐久性是混凝土结构质量的两个重要 因素 ， 混 凝土的耐久性劣化主要由两方面原因造成 ： 混凝土 的劣化， 包括热处理 ， 化学和生物反应对性能的影响 ； 钢筋的锈蚀， 混凝土的抗碳化性能是混凝土耐久性 的重要组成部分 J 。特别是对于钢筋混凝土， 其碳化 最不利的影响就是使碱度降低， 并使钢筋的钝化膜遭 到破坏而引起钢筋锈蚀， 最终导致结构破坏 。 用粉煤灰部分代替水泥， 不仅降低了工程造价， 而 且改善和提高了混凝土的性能， 也可节约水泥和处理 电厂废弃物 ， 是高性能混凝土的理想掺和料 。中国 是世界上最丰富的煤资源国家之一 ， 火力发电是我 国 发电厂的主体 ， 随着经济的发展 ， 粉煤灰的排放量 ， 利 用量， 利用率在同步增长。但 目前对粉煤灰掺加到 昆 凝土后对其抗碳化性能的影 响争议颇多 ， 有些试验结 论则是截然相反的， 这对工程中大量使用粉煤灰有很 大影响 J 。本文针对 目前大掺量粉煤灰混凝土的研 究现状 ， 采用快速碳化方法 ， 试验分析大掺量粉煤灰混 凝土的碳化性能。 1 混凝土的碳化机理 混凝土的碳化是指： 水泥石 中的水化产物与环境 中的C O 相互作用， 生成碳酸盐或其他物质， 降低 p H 值 ， 改变混凝土内部组成结构 ， 影响混凝土性能的一个 复杂的物理化学过程。混凝土是一个多孔体 ， 在其内 部存在大小不同的毛细管 、 空隙 、 气泡， 甚至缺陷。形 成了一个含固相、 液相和气相的非均匀体。碳化是一 个由表及里 ， 缓慢向内部发展的过程 ， 所 以碳化反应是 呈阶梯状进行的。混凝土的碳化可以用下列化学方程 式表示； C a ( O H) 2 +C O 2 _ C a C 0 3 +H 2 O C SH +CO2 Ca C03+H2 O 从理论上说 ， 未碳化混凝土的 p H值约为 1 2 5 ， 完 全碳化的混凝土的 p H值为7 ， 而 7 p H1 2 5的为部 分碳化区。 影响混凝土碳化的因素有 ： 外界环境 C O 的浓 度。环境中的 C O 浓度越高 ， 碳化越严重。 环境的 湿度。环境的湿度对混凝土的碳化影响很大， 当相对 湿度为 5 5时， 碳化收缩达到最大值 。 内部的化 学因素。水泥石 中 c a ( O H) 数量越 多， 它与 C O 反 收稿 日期 ： 2 0 0 9 9 2 2 基金项 目： “ 十一五” 国家科技 支撑计划重点项 目( 2 0 0 6 B A D 1 1 B 0 3 ) 作者简介： 张小艳， 女， 硕士研究生， 主要从事水工混凝土材料耐久性研究。Em a i l ： z h a n g x l a o y a n 1 9 8 4 9 2 1 6 3 c o m 通讯作者： 杜应吉， 男， 教授， 博士， 主要从事水工材料耐久性研究。Em a i l ： d y j n w s u a f e d u c n 第 6期 张小艳， 等： 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 7 5 应的数量也将越多 ， 但碳化深度则越小 。 混凝土 的 孔结构。混凝土越密实， 混凝土 中的孔越细小 ， 其抗碳 化能力也越强。各因素问相互作用 ， 相互制约 ， 而且各 因素又具有 高度不确定性 即随机性 难 以截然 分 开 一 。 2 碳化试验 2 1 试验材料 ( 1 )水泥。宁夏“ 赛 马” P O 4 2 5水泥( 见表 1 ) 。 ( 2 )粉煤灰 。采用 I级粉煤灰( 见表 2 ) ， 宁夏大 坝电厂生产。 ( 3 )砂。宁夏中砂 ， 细度模数 2 8 ， 砂率为 3 8。 ( 4 )石 。宁夏银川镇北堡碎石 。粒径 51 0 m m 占4 5 ， 1 0 2 0 m m 占5 5。 ( 5 )外加剂。宁夏 N F一5 A。6 1酚酞酒精溶 液( 含 2 0的蒸馏水 ) 。 表1 水泥的主要物理性能 品 种 S i 0 2 A L 2 0 3 C a 0 M s 0 F e 2 0 3 S 0 3 烧失 量 f C 0 细 度 需 水量 比 F A 4 7 6 o 2 1 2 4 9 7 5 5 2 0 7 7 1 l 0 0 O 3 2 O 2 5 4 8 8 9 2 2 试验仪器 试验仪器包括 ： 碳化箱 ； 气体分析仪 ； C O ： 供气装 置( 包括气瓶 、 压力表及流量计 ) ； 万能压力机。 2 3 试验配合 比 混凝土碳化试验配合 比见表 3 。 表 3 混凝 土碳化试验配合 比( 粉煤灰超量系数 6 =1 3) 2 4 快速碳化试验简介 碳化试验采用 1 0 c m X 1 0 c m X 4 0 c m的棱柱体混 凝土试件 ， 以 3块 为 1组。碳化试验的试件采用标准 养护 ， 在 2 8 d龄期( 或设计龄期 ) 后， 从标准养护室取 出然后在( 6 02 ) o C温度下烘 4 8 h 。试验在快速碳化 试验 箱 中 进 行 ， 箱 内 的 二 氧 化 碳 浓 度 保 持 在 ( 2 03) 。在整个试验期间可用去湿装置或放人硅 胶 ， 使箱 内的相对湿度控 制在 ( 7 05) 的范 围内。 碳化试验应在 ( 2 0-4 - 5) 的温度下进行 。碳化至 3、 7 、1 4 d和 2 8 d时 ， 取 出试件 ， 将棱柱体试件在压力试验 机上用劈裂法从一端开始破 型， 将切下试件刷去断面 上的粉末 ， 随即喷上 ( 或滴上 ) 1酚酞乙醇溶液。经 3 0 S 后 ， 测量试验数据 ， 碳化深度测量精确至 1 mm。 3 试验结果及分析讨论 3 1 水泥用量与碳化的关系 由图 1可以看出， 在水泥用量相等的情况下 ， 粉煤 灰掺量为 2 0 、 水胶 比为 0 5 5的试件碳化情况 比粉 煤灰掺量为 4 O 、 水胶 比为 0 4 5试件的严重 ， 可以看 出他们的碳化曲线发展趋势几乎是相同的， 说 明在水 泥用量相等， 水胶 比和粉煤灰掺量共 同作用的影响下， 水胶 比是 比粉煤灰掺量对碳化更重要的影响因素。 1 4 l 2 。 s 6 4 图 1 粉煤灰和 水胶 比不l司时的试 件碳化关系 曲线 3 2 水胶 比与碳 化的关系 由图 2可 以看出 ， 在粉煤灰掺量相 同的情况 ( 均 为 6 0 ) 下 ， 无论在 7 d还是在2 8 d ， 水胶 比越大 ， 碳化 就越严重。混凝土的碱度与渗透性是影响其碳化速度 的两个本质因素 ， 由于它l f -者直接关联 的两个工艺 因素为单位体积水泥用量与水胶 比， 所 以在高掺量粉 煤灰混凝 土中， 水胶 比是个关键 因素。根据 P o w e r 理 论， 降低粉煤灰混凝土的水胶比， 可以使粉煤灰混凝土 中连通孔隙封闭的时问提前 ， 从而达到混凝土抗碳化 的 目的。采用超量取代 的方法掺入 I 级粉煤灰减少用 水量， 可以降低水胶比， 也就符合工程要求 。由表 4可以看出， 粉煤灰掺量为 6 0 、 水胶 比为 0 3 5的试 件 2 8 d的碳化深度仅为 9 2 m m， 低于 1 0 0 m m， 低于 掺量为4 O 、 水胶 比为 0 4 5的试件 的碳化深度 ， 也是 这几组试件中2 8 d 碳化深度最低的， 说明在掺量为6 0 ， 水胶 比为0 3 5粉煤灰混凝土的碳化性能完全可以 满足工程要求。粉煤灰掺量为 8 0、 水胶 比为 0 3 5 7 6 人 民 长 江 的试件 3 d的碳化深度仅为5 7 mm， 然而在 2 8 d时碳 化深度达到 1 3 3 m m ， 是 3 d 碳化深度的 1 3 倍多， 碳化速度很快 ， 在工程应用 中需谨慎考虑 。 卜W B = O 3 5 】 4 l 2 1 0 重 趣 8 雕 6 箱 4 图 2 粉煤灰掺量相同时水胶 比对碳化深度的影响 3 3 粉煤灰掺量与碳化 的关 系 由图 3可以看 出， 在相 同的水胶 比( 均为 0 3 5 ) 下， 无论在 7 d还是在 2 8 d ， 粉煤灰掺量越大， 碳化就 越严重 ， 尤其在后期由于水泥的碱储备降低 ， 碳化 中和 作用的过程缩短， 也就导致粉煤灰混凝土抗碳化性能 降低 ， 粉煤灰掺量越大 ， 碳化越严重 。 碳化时间 d 图3 水胶比相同时粉煤灰掺量对碳化深度的影晌 3 4 碳化时间与碳化深度的关系 由试验数据和图 4可知 ， 随时问的延长， 碳化越来 越严重， 早期碳 化增长较快 。一些研究结果显示 ， 在 2 0 C O 浓度的加速碳化情况下 ， 2 8 d的碳化深度大 约相当于 5 0 a的 自然碳化深度 ， 粉煤灰掺量为6 0 、 水胶比为 0 3 5的试 件在 2 8 d的碳化深 度仅为 9 2 mm， 后期碳化发展 比较缓慢 ， 是 3 d碳化深度 的 0 7 倍 。粉煤灰掺量为 8 0 、 水胶 比为 0 3 5时的试件 后期碳化速度很快， 需谨慎考虑使用。 3 5 水胶比和粉煤灰掺量与碳化深度的关系 对所测数据进行多元非线性 回归 ， 建立的粉煤灰 混凝土碳化深度 与粉煤灰等量取代率 F、 水灰 比 w c、 试验龄期 t 之间的关系模型如下 ： T ： 9 51 8 5 +4 5 9 8 3F +0 21 3 Ot 表 4 混凝土抗碳化试 验结 果 F 2 0 W B ： O 5 5 F 4 0 W B ： O 4 5 I 6 O W B = O 4 O F 6 0 W B = O 3 5 F 8 O W 8 = 0 3 5 碳化时间 d 图4 粉煤灰掺量和水胶比对碳化深度的影响 4 结 论 ( 1 )水胶 比、 粉煤灰掺量、 水泥的用量对粉煤灰混 凝土的碳化都有一定的影响。 ( 2 )粉煤灰 的掺量越大 ， 混凝土 的碳化越严重。 粉煤灰超量取代量为 8 O时仍需要谨慎使用。 ( 3 )水胶比是大掺量粉煤灰 昆 凝土抗碳化性能的 关键 ， 高掺量粉煤灰混凝土要保证工程耐久性的要求 ， 水胶 比应低于 0 4 。粉煤灰掺 量为 6 0 ， 水胶 比为 0 3 5 时粉煤灰混凝土的碳化性能完全可 以满足工程要 求。 ( 4 )粉煤灰混凝土的碳化深度随龄期的延长而增 加。 ( 5 )试件的底面比侧面或表面的碳化要严重。 参考文献 ： 1 胡曙光， 钟珞 ， 吕林女 混凝土安全性专家系统 M 北京 ： 科学 出 版 社 2 0 0 7 2 刘斌 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能 J 混凝土， 2 0 0 3 ， 1 1 ( 3 ) ： 4 4 4 7 4 2 BM B m加 B B 4 87 4 0 2 2 9 O 3 9 4 8 2 9 m m & 戤 2 9 1 8 2 9 6 5 3 5 2 9 O 6 3 3 4 5 & 口： 班 0 0 6 5 4 3 3 4 7 1 5 4 3 7 8 O 8 5 4 2 0 8 6 4 搭 第6期 张小艳， 等： 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 7 7 3 4 5 6 钱 觉时， 孟 志 良， 张 兴元 大掺 量粉 煤灰混 凝土抗碳 化 性能研 究 J 重庆建筑大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 ( 2 1 ) ： 5 9 李成河 大掺量粉煤灰高性能混凝土的应用分析 J 黑龙江工程 学院学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 5， 1 9 ( 1 ) ： 1 93 3 朱艳芳 ， 王培铭 大掺 量粉煤灰混凝 土的抗碳化 性能的研 究 J 建筑材料学报 ， 1 9 9 9 ， 1 2 ( 4 ) ： 3 1 9 3 2 3 何智 海 混凝土碳化研 究进展 J 材料 导报 ， 2 0 0 8 ， 5 ( 2 2 )： 3 5 3 35 7 7 8 9 徐子芳， 宋文国， 徐国财 粉煤灰混凝土的碳化性能 J 粉煤灰综 合利用 ， 2 0 0 5， ( 2 ) ： 1 71 9 李成 勇， 张涛 ， 任 秀琪 混凝 土 中掺 用粉 煤灰 的作 用 J 黑龙 江 水利科技 ， 2 0 0 4 ， ( 1 )： 1 2 61 4 5 余建初 ， 李卓球 ， 宋显辉 钢 筋锈蚀 导致混凝土结构失效的机理 与 检 测技 术 J 武汉理工 大学 学报 ( 信 息与管理 工程 版) ， 2 0 0 4， 2 6 ( 3 ) ： 4 l一 4 4 ( 编辑 ： 刘忠清) S t ud y o n a nt i c a r bo n a t i o n pr o p e r t i e s o f h i g h v o l ume fly a s h c o nc r e t e Z H A N G X i a o y a n ， X U J i a n m i n ， D U Y i n g j i ( 1 C o l l e g e o f W a t e r R e s o u r c e a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h w e s t A & F U n i v e r s i t y ， Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0 ， C h i n a ； 2 Y a n g l i n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n t e s t ，we s t u d i e d c a r b o n a t i o n p r o p e r t i e s o f fl ya s h c o n c r e t e wi t h mi x i n g r a t i o s o f 0 ， 2 0 ， 4 0 ，6 0 a n d 8 0 u n d e r d i f f e r e n t w a t e rc e me n t r a t i o s T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t e n t o f fl ya s h a n d wa t e r c e me n t r a t i o a r e ma i n f a c t o r s i n fl u e n c i n g a n t i c a r b o n a t i o n p r o p e r t i e s o f h i g h v o l u me fl y a s ha n d w a t e rc e me n t r a t i o i s k e y f a c t o r ；f o r l o w w a t e rc e me n t r a t i o ，a n t i c a r b o n a t i o n p r o p e rt i e s o f h i g h v o l u me fl y a s h c o n c r e t e c a n me e t e n g i n e e r i n g d e ma n d ；t h e c a r b o n a t i o n d e p t h o f h i g h v o l u me fl ya s h c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h a g e Ke y wo r ds： mi xi n g r a t i o o f fly a s h；wa t e rc e me nt r a t i o；a nt ic a r b o na t i on p r o pe rty；c a r b o na t i o n d e p t h 一】H ， 】 一】 】 H】 】h】H ( 上接第 7 3页) 土的强度越高， 因此在现场控制干密度时 ， 最好控制为 改性土的最大干密度。 ( 4 )龄期在 1 4 d之 内， 强度增加 明显 ， 最 大增 幅 达 4 3 ， 因此最佳龄期控制在 1 4 d 。 ( 5 )当土样含水率小于最优含水率时 ， C B R值和 无侧限抗压强度值 随着含水率的增加而增加 ， 当超过 最优含水率时 ， 强度值随之减小 ， 在大于最优含水率约 2 一 3 时 ， 减小幅度较小 ， 因此在工程应用 中压实含 水率应按照大于最优含水率的2 3 来控制。当 石灰掺量超过 6 时， 含水率对强度值的影响较小， 改 性土的水稳定性较好 ， 因此最佳掺灰量为 6 。 参考文献 ： 1 崔伟 ，李华銮 ，穆 乃敏 石灰 改性膨胀 土 工程性 质的试 验研 究 【 J 岩 土力学， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 增) ： 6 0 6 6 0 9 2 王雁然， 曹定胜 改性膨胀土 C B R值的试验研 究 J 岩石力学 与工程学报 2 0 0 4， 2 3 ( 增) ： 4 3 9 6 4 3 9 9 La b o r a t o r y s t u dy o n s t r e n g t h o f e x p a ns i v e s o i l i mpr o v e d 、 t h l i me ( 编辑 ： 郑 毅) WANG Mi n g f u C HENG Yu ( 1 C o l l e g e o f W a t e r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i nee r i n g， N o r t h w e s t A & F U n i v e r s i t y ， Y a n g l n i g 7 1 2 1 0 0， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e of R o c k a n d S o i l M e c h a n i c s ， C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n c e s ， Wu h a n 4 3 0 0 7 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W e s t u d y t h e i n fl u e n c e o f d i f f e r e n t w a t e r c o n t e n t s ，l i me c o n t e n t s ，d r y d e n s i t i e s a n d a g e s t o t h e CB R v a l u e a n d a n c o n fi n e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h v a l u e o f e x p a n s i v e s o i l Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s ：d i f f e r e n t c o n d i t i o n s h a v e s i mi l a r i nfl u e n c e o n t h e CB R v a l u e a n d t h e u n c o n f i n e d c o mp r e s s i v e s t r e n gth v a l u e ；CB R v a l u e a n d u n c o n fi n e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h v a l u e i n c r e a s e w i t h i n c r e me n t o f l i me c o n t e n t ，d ry d e n s i t y a n d a g e ；t h e o p t i ma l l i me c o n t e n t i s 6 ，o p t i mu m a g e i s 1 4 d；t h e o p t i ma l i ns i t e d ry d e n s i t y i s t h e ma x i mu m d ry d e n s i t y：wa t e r c o n t e n t o f c o mp a c t e d s o i l s h o u l d b e 2 3 l a r g e r t h a n o p t i ma l w a t e r c o n t e n t Ke y wo r d s ： l i m e m o d i fi c a t i o n ； C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o( C B R) ；u n c o n fi n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ； e x p a n s i v e s o i l s ；