高温对粉煤灰混凝土抗碳化性能影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 】 Nu mb e r l 1 i n2 0l 1 ( To t a 1 No2 65 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 2 4 高温对粉煤灰混凝土抗碳化性能影噙研究 贾福萍 a ,b 。李奔奔 ( 中国矿业大学 a土木工程环境灾变与结构可靠性实验室；b 力学与建筑工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 研究了高温对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响， 考虑了粉煤灰掺量、 高温温度、 碳化时间等影响因素。 结果表明： 粉煤灰掺量的 增加及温度的升高都导致混凝土抗碳化性能的降低 ， 两因素共同作用起到叠加的效果。 掺量超过 3 0 时， 粉煤灰加速碳化的作用尤其明 显， 而当粉煤灰掺量达到 5 0 时， 混凝土抗碳化性能急剧下降。 温度较高( 达到 4 5 0 ) 时， 即使粉煤灰掺量较低， 混凝土也完全丧失抗碳 化性能。 粉煤灰掺量越低， 高温加速碳化作用越显著。 关键词： 高温；粉煤灰混凝土；碳化 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 1 ) l 1 0 0 8 0 0 3 St udy on t he e ffe c t o f h i g h t empe r a t ur e on t he c ar bon i za t i on r e s i s t a n ce pr ope r t y o f f l y a s h c on cr e t e J I A Fu a ,b LI Be n b e n ( a L a b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n C i v i l E n g i n e e ri n g ； b S c h o o l o f Me c h a n i c s a n dC i v i l E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i tyo f Mi n i n g a n dT e c h n o l o g y， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Eff e c t s o f h i g h t e mp e r a tur e o n t h e c a r b o n i z a t i o n r e s i s t a n c e p r o p e rty of fly a s h c o nc r e t e h a v e be e n s t u d i e d Fl y a s h r e p l a c e me n t s a n d h i g h t e mp e r a t u r e an d c a r b o n i zat i o n t i me we r e c o n s i d e r e d i n the e x p e rime n t Th e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t t he i n c r e a s e o f fly a s h an d t e mpe r a t u r e ris i n g b o t h r e s u l t e d i n l o we r c a r b o ni z a t i o n r e s i s t a n c e p r o p e r t y W h e n t h e tw o f a c t o r s we r e c o n s i d e r e d t o g e the r th e r e s ul t s s h o we d a s u p e r p o s i t i o n F l y a s h h a d an o b v i o u s a c c e l e r a t e d e ffe c t o n c a r b o n i za t i o n wh e n t h e r e p l a c e me n t s we r e m o r e than 3 0 W h e n t h e r e p l a c e m e n t s we r e mo r e t h a n 5 0 t h e c a r b o n i za t i o n r e s i s t a nc e p r o p e r t y s h o we d a s h a r pl y d e g r a d a t i o n Th e c o n c r e t e l o s t c arb o n i z a t i o n r e s i s t a n c e a b s o l u t e l y u n d e r q ui t e h i g h t e mp e r a ture ( 4 5 0 ) e v e n wh e n t h e r e p l a c e me n t s we re l o w T h e l o we r t h e r e p l a c e me n t s o f fl y a s h w e r e t h e mo re o b v i o u s a c c e l e r a t e d e ff e c t o f h i g h t e m pe r a t u r e o n c arbo n i z a t i o n wa s o b s e r v e d K e y wo r d s ： h i 曲 t e mp e r a t u r e ； fl y a s h c o n c r e t e ； c a r b o n i z a ti o n 0 引言 近年来， 建筑物火灾频发， 给人类带来生命威胁及经济损 失 ， 如 2 0 1 0年 1 1月 1 5日上海市静安区胶州路住宅楼发生的 重大火灾事故造成 5 8 人伤亡的严重后果。 经受火灾高温后的 建筑物也将受到一定程度的损伤。 建筑物的主体材料为混凝 土， 目前国内外对于灾后混凝土性能的研究主要集中在强度、 弹性模量、 本构关系等力学性能_ l _ 2 _ 及钢筋与混凝土黏结性能 方面。 文献 4 】 分析了高温后混凝土内部微观结构的变化 ， 对于 高强混凝土， 进行了高温爆裂机理的探讨5 1 。 耐久性也是评价混 凝土性能的重要指标。 姜福香等学者从吸水性嘲、 渗透性_7 j 、 抗氯 离子侵蚀性 8 - 9 1等方面， 进行了灾后混凝土耐久性的研究 。 张奕 提出火灾中产生的酸性气体引起混凝土的中性化【 引 。 火灾引起 的中性化降低混凝土的碱度， 影响混凝土的抗碳化性能。 抗碳化 性能是耐久性研究的一个极其重要的内容。 大气中的C O ： 与水 泥水化产物( 主要为 C a ( O H) ： ) 的中和反应降低混凝土的p H值， 使钢筋失去碱性保护， 更易锈蚀。 而目 前国内尚没有高温后混凝 土抗碳化性能的研究成果。 近年来， 粉煤灰作为一种电厂废弃物， 变废为宝， 掺入到混凝土中， 不仅降低了生产成本， 而且提高了 混凝土的和易性、 流动性、 泵送性 ， 改善了混凝土的泌水性， 降 低了混凝土水化热，在混凝土工程中得到广泛应用。 随着粉煤 灰混凝土的快速发展， 对粉煤灰混凝土的灾后耐久性研究显得 迫切而重要。 本文通过试验研究了粉煤灰混凝土经历不同高温 后的抗碳化性能变化规律， 分析了粉煤灰掺量、 温度、 碳化时间 等因素对混凝土抗碳化性能的影响， 并得出相应结论。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料与试件制作 水泥： 淮海水泥厂生产的 P O4 2 5 R级水泥； 粉煤灰 ： I I 级； 水泥和粉煤灰化学组成见表 1 。 粗骨料： 最大粒径为 1 6 mm的碎石； 细骨料 ： 河砂( 中砂 ) ， 细度模数为2 - 3 ； 水： 自来水。 配合比为 m胶 凝 ： m水 ： m砂 ： m ： 1 ： 0 4 9 ： 1 3 ： 2 3 。 混凝土试件尺寸为 1 0 0 m mx l O 0 mmx l O 0 。 粉煤灰掺量 分别为 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 ， 6 0 ； 每级粉煤灰掺量下浇筑 多组试块， 以满足不同温度( 常温、 1 5 0 、 2 5 0 、 3 5 0 、 4 5 0 、 6 5 0) 及 收稿日期： 2 0 1 1 _ J 0 5 1 6 基金项目：中国矿业大学青年科研基金资助项目( 0 9 0 1 8 8 ) ； 国家大学生创新试验计划项目资助( O 9 1 O 2 9 0 0 6 ) ； 中国矿业大学大学生实践创新训练计 q ( 0 9 0 2 0 7 ) 80 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 P O 4 2 5 F I 级水 泥及粉煤灰成分 碳化时间( 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d ) 的需要。 1 2 加 热 系统及碳 化试 验 方 法 本次试验通过对混凝土试块的高温处理模拟火灾对混凝 土的破坏作用。 试验采用中国矿业大学自主研发的G WD 0 5型不 加载梁节能试验电炉， 其功率为 3 0 k W， 最高温度可达 1 1 0 0 ， 内部净空间尺寸为 2 0 0 0 mmx 6 0 0 mmx 4 0 0 11 1 r n ，温度由配套使用 的温度控制柜进行控制。 混凝土试件加热方法参考 G B T 9 9 7 8 1 9 9 9 ( 建筑构件耐火试验方法 并根据本试验实际情况， 采用线 性升温方式 ， 设定加热速率为 1 0 C mi n 。 试块在标准条件下养 护 ， 在达到 2 8 d的前一晚取出， 在自然环境下放置一夜使其表 面干燥后置于炉内进行高温试验。 高温后在常温静置 1 0 d后按 照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标准 ， 对高温处理后的试块进行快速碳化试验。 为研究对 比 高温前后粉煤灰混凝土碳化规律 ， 对常温( 2 0) ， 2 5 0的试 块进行 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d的碳化，其他温度的试块碳化时间如表 2 所示。 表 2 粉煤灰混凝土试块碳化试验分组 注： 表内为测试时的碳化时间， 单位： d 。 2 试验结果与分析 2 1 粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响 2 5 0下混凝土碳化深度随粉煤灰掺量的变化如图 1 ( a ) 所示。 由图 1 ( a ) 可知， 2 5 0高温处理后的试块无论在 3 、 7 d还 是 1 4 、 2 8 d ， 碳化深度随粉煤灰掺量的增加而加深。 粉煤灰掺量为 3 0 的混凝土7 d碳化深度为 2 7 3 l l l i n ， 比不掺量粉煤灰混凝土增 长 7 0 mi l l ； 掺有 4 O 粉噪灰的混凝土 7 d 碳化深度达4 9 7 n L r n ， 比 掺有 3 0 粉煤灰的混凝土碳化深度增加 2 2 4 n l n l 。 由此数据并 结合图中曲线走势可知， 粉煤灰掺量为 1 0 - 3 0 时， 粉煤灰混 凝土与普通混凝土相比碳化深度只是稍有增长。 粉煤灰掺量超 过 3 0 时， 碳化深度增长速率加快 ， 加入粉煤灰对高温后混凝 土的加速碳化作用特别明显。 当粉煤灰掺量达到 5 0 时，碳化 深度曲线水平， 试块完全碳化。 昌 曼 醛 O 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 粉煤灰掺量 ， f a ) 2 5 0 2 0 星 1 5 1 0 s 0 粉煤灰掺量 ( b ) 常温 图 1 粉煤灰掺量对混凝土碳化深度影响曲线 混凝土中加入粉煤灰后， 一方面混凝土中C a ( O H) ： 减少， 可碳化物质含量降低 ， 促进碳化； 另一方面粉煤灰的火山灰反 应在一定程度上改善混凝土内部孔结构， 提高混凝土的密实性； 混凝土抗碳化性能受两方面因素的共同影ll 1 o - -” 。 当粉煤灰掺 量较低时， 粉煤灰二次水化反应产物 C S H胶凝体对毛细孔的填 充作用， 弥补了粉煤灰水化过程中对 C a ( OH) ： 的消耗作用 ， 碳 化深度稍有增长。 当粉煤灰掺量较高时， 随粉煤灰掺量的增加， 水泥的含量明显减少 ， 导致水化生成的 C a ( O H) 大量减少 ， 进 一 步导致火山灰反应的速率降低， C S H胶凝体的数量减少。 碱 含量的降低加速碳化的作用大大超过了C S H胶凝体对孔结构 的改善效果， 混凝土抗碳化能力显著降低。 由图 l ( b ) 可知， 常温下混凝土的碳化深度随粉煤灰掺量的 变化也呈现出相同的特点 ， 即随粉煤灰掺量的增加碳化深度加 深。 当粉煤灰取代量超过 3 0 时， 促进作用尤其明显。 当粉煤灰 掺量达到 5 0 时， 混凝土抗碳化性能急剧下降。 2 2 温度对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响 各温度及粉煤灰掺量下的混凝土碳化深度见图 2 。 由图 2 可以看出， 当温度低于 4 5 0时， 高温处理显著增加混凝土的 碳化深度； 温度越高， 混凝土碳化深度越深。 温度达到4 5 0后， 混凝土完全碳化， 碳化深度不再随温度发生变化。 5 O 蕈 4 o 3 0 2 o 楼 l 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水分减少 ， 水泥的水化反应及粉煤灰的火山灰反应不能正常进 行 ， 生成的 C a ( O H) 及 C S H等可碳化物质减少。 随温度的进一 步升高， 水化产物逐渐脱水分解。 温度越高， 混凝土中脱水分解 的物质越多， 分解的数量越大 ， 对混凝土结构的损伤越大。 水 化产物的分解使水泥中的可碳化物质大量减少， 碳化中和作用 的过程缩短， 混凝土抗碳化性能降低。 同时 C S H凝胶体在高温 下由均匀致密变得疏松多孔， 网状结构中的连结点大量减少 ， 整 个结构酥松， 孑 L 隙增大， 界面临界力被大大削弱， 导致细微裂缝 的产生。 此外， 水化水泥的多相化学组分在高温下表现出的变形 性能有很大的差别， 这些差别很大的不协调的变形使混凝土内 部产生内应力， 当应力达到一定程度时， 导致裂缝的产生。 高温 下， 水泥石收缩而骨料膨胀， 水泥石层受到拉应力， 骨料受到压 应力， 这种反差将产生很多的界面裂缝。 由此可知， 高温不仅使粉煤灰混凝土中水分 、 可碳化物质 减少， 同时使结构的孔隙 、 裂缝增多， 结构疏松多孑 L ， C O ： 渗透 阻力减小， 渗透速度增加， 从而使高温后的混凝土抗碳化能力 显著降低。 不同粉煤灰掺量下， 高温加速碳化的程度有所不同据图 2 分析： 粉煤灰掺量为 1 0 时， 2 5 0及 4 5 0高温后的碳化深度 与常温相比分别增加 1 1 6倍、 1 6 6 倍； 粉煤灰掺量为 3 0 时 ， 相 应高温后的碳化深度增长 6 7 倍、 8 4倍； 粉煤灰掺量为 5 0 时， 相应数据分别为 2 1 倍 、 2 1 倍。 粉煤灰掺量越低， 高温加速碳化 作用越显著。 粉煤灰混凝土的密实性比普通混凝土高1 3 ， 具体表 现为： 粉煤灰颗粒较致密， 吸水少， 减少用水量， 降低孔隙率 ； 填充于水泥颗粒间， 提高混凝土的密实度； 火山灰生成物 填充于原有孑 L 隙， 起到进一步密实作用； 多种微小颗粒的叠 加效应 ， 更好的改善了胶凝材料的级配， 增加反应表面积 ， 有 利于水化反应。 在共同作用下， 混凝土孔隙率大幅度降低 ， 结构 更均匀 、 密实， 浆体与骨料之间有更强的黏结力 I4 。 混凝土内 部的密实化 、 均质化改善了混凝土受力时的应力分布状况 ， 提 高了混凝土的强度和高温下的抗裂性【5 ， 使高温下的混凝土裂 缝开展得以减少， 对混凝土抗碳化性能的降低起到一定回升 作 用 。 温度达到 4 5 0后 ，混凝土完全碳化。 此时粉煤灰对裂缝 开展的补偿作用虽已发挥至极致， 但强烈的高温作用使水化产 物大量分解 ， 内部结构受到严重损害， 混凝土完全丧失抗碳化 能力。 当粉煤灰掺量为 4 0 时， 混凝土在 2 5 0高温下经 1 4 d 即 可完全碳化。 粉煤灰掺量达 5 0 、 6 0 时混凝土 3 d 便完全碳化。 同零掺量粉煤灰混凝土在常温条件下相比， 大掺量粉煤灰混凝 土经高温处理后的抗碳化性能显著降低。 粉煤灰使混凝土碱储 备降低， 高温使可碳化物质分解 ， 裂缝增长， 两种因素的叠加作 用使碳化深度加深， 碳化速率加快， 完全碳化时间缩短。 2 3碳化时间对粉煤灰混凝土抗碳化 陆能的影响 由图 1 可以看出， 粉煤灰掺量低于 3 0 时， 碳化深度随碳 化时间的增长而增长， 同时增长速率随时间的推移而降低。 随 碳化时间的增长， C O 逐渐入侵 ， 碳化深度随之加深； 一定时间 之后粉煤灰的火山灰效应充分发挥， 混凝土内 部结构变得致密， C O ， 入侵阻力增大， 混凝土后期碳化深度增长速率的降低。 粉煤灰 掺量达到 4 0 后， 后期碳化深度随时间的增长变化并不显著。 粉煤灰掺量为 5 0 、 6 0 时粉煤灰混凝土 自3 d完全碳化后， 碳 化深度不再随时间发生变化。 混凝土在高温后， 抗碳化性能降低， C O ： 更易侵入。 为延缓 8 2 C O ： 的侵蚀作用， 延长建筑物火灾后的使用寿命 ， 可在混凝土 表面涂覆各种保护层， 使? 昆 凝土与C O 、 H O、 O ： 隔离。 覆盖层内部 为找平层， 一般为混合砂浆或者水泥砂浆， 外部装饰可采用粉刷、 油漆、 面砖等形式， 其中面砖对混凝土的保护作用最为显著【 】 。 3结论 ( 1 ) 粉煤灰掺量的增加及温度的升高都导致混凝土抗碳化 性能的降低， 两因素共同作用起到叠加的效果。 ( 2 ) 掺量超过 3 0 时， 粉煤灰加速碳化的作用尤其明显 ； 粉 煤灰掺量达到 5 0 时 ， 混凝土抗碳化性能急剧下降。 ( 3 ) 温度较高( 达到4 5 0) 时， 即使粉煤灰掺量较低 ， ? 昆 凝 土也完全丧失抗碳化性能。 ( 4 ) 粉煤灰掺量越低， 高温加速碳化的作用越显著 ； 碳化时 间越长， 碳化增长速率越低。 参考文献 ： 1 董香军， 丁一亍， 王岳华 高温条件下混凝土的力学性能与抗爆裂l J I 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 增T O ) ： 7 0 3 7 0 4 2 阎继红， 林志伸， 胡云昌 高温作用后混凝土抗压强度的试验研究l J l_ 土木工程学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 5 ) ： 1 7 1 9 【 3 肖建庄， 黄均亮， 赵勇 高温后高性能混凝土和细晶粒钢筋间黏结性 能 J 同济大学学报： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 0 ) ： 1 2 9 6 1 3 0 0 【 4 】 金祖权， 孙伟， 侯保荣 ， 等 混凝土的高温变形与微结构演化【J J 东南 大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 6 1 9 6 2 3 5 谢伟锋， 李丽娟， 陈智泽 ， 等 高强混凝土高温下爆裂机理探讨I J J 新 型建筑材料， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 7 0 7 1 6 姜福香， 于奎峰， 赵铁军， 等 高温后混凝土耐久性能试验研究l J I 四 川建筑科学研究， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 2 ) ： 3 2 3 3 【 7 】 李敏， 钱春香 高强混凝土受火后抗渗透性能衰减规律 J 东南大学 学报 ： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 5 ) ： 8 2 5 8 2 6 ( 8 张奕， 金伟良 火灾后混凝土结构耐久性的若干研究l J 1 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 8 ) ： 9 3 9 4 9 姜福香， 赵铁军 ， 而卿， 等 火灾后混凝土抗氯离子侵蚀性及表面防 水效果研究l J 1 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 4 0 4 1 【 l o U 斌 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能【 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 4 6 4 7 【 1 1 肖佳， 勾成福混凝士碳化研究综述 昆 凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 4 1 4 2 1 2 李固华 ， 郑盛娥， 杨彦克 高温后砾石混凝土性能试验研究 混凝土 与水泥制品， 1 9 9 1 ( 6 ) ： 1 6 1 7 1 3 杜水锋， 杨凤霞 磨细粉煤灰对高性能混凝土抗碳化性能的影响l J 1 煤炭工程 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 6 0 6 1 1 4 1 L O T Y， N A D E E M A， T AN G W C P T h e e f f e c t o f h i g h t e m p e r a t u r e c u rin g o n t h e s t r e n g t h a n d c a r b o n a t i o n o f p o z z o l a n i c s t r u c t u r a l l i g h t - w e i g h t c o n c r e t e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9( 2 3 )： 1 3 0 6 1 3 1 0 1 5 王凤池 ， 王磊， 李木， 等j 昆 凝土建筑物碳化深度的模型预测【 沈阳 建筑大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 6 ) ： 9 1 4 9 1 6 作者简 介 联系地址 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 境下混凝土结构及材料性能研究。 江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区竹 4 B 7 0 6 1 ( 2 2 1 1 1 6 ) 1 5 1 5 2 1 1 2 8 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m