大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究.pdf

2 0 1 3 年 第 2期 (总 第 2 8 0 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 。 0 0 2 大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究 汪潇 ，王宇斌 z ，杨 留栓 ，朱新锋 ( 1 河南城建学院 土木与材料工程系 ，河南 平顶山 4 6 7 0 3 6 ； 2 西安建筑科技大学 材料科学与工程博士后流动站，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 ： 通过快速碳化试验 ， 系统研究了水胶 比、 养护龄期和激发剂等因素对掺量为 5 0 N 6 0 的粉煤灰混凝土抗碳化性能 的 影响。 研究结果表明： 水胶比和养护龄期对其抗碳化性能的影响比较明显， 尤其是在长期养护情况下； 而激发剂对其影响并不明 显。 当养护龄期从 2 8 d 增到 3 6 5 d 时， 对掺量为 5 0 、 6 0 的粉煤灰混凝土 ， 其快速碳化 2 8 d的碳化深度从 9 3 、 1 3 7 r m 分别降到 6 7 、 9 0 1 l n l ， 抗碳化性能明显改善 。 关键词 ： 混凝土 ；粉煤灰 ；碳化性能；养护龄期 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 0 5 0 4 Ca r b on a t i o n r e s i s t a n c e o f h i g h v o l u m e f l y a s h c o n c r e t e WANGXi a o ， WANG Yu b i n ， YANGLi u s h u a n ， ZHU Xi n f e n g ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l a n d Ma t e ri a l E n g i n e e r i n g ， H e n a n U n i v e r s i t y o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， P in g d i n g s h a n 4 6 7 0 3 6 ， C h i n a ； 2 P o s t d o c t o r a l R e s e a r c h S t a t i o n s o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Xi an U n i v e r s i ty o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Vi a a n a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n me t h o d ， t h e e f f e c t s o f wa t e r b i n d e r r a t i o ， c u ri n g a g e s a n d a c t i v a t o r o n the c a r b o n a t i o n c h ara c t e r i s t i c s of c o nc r e t e wi t h fly a s h c o n t e nt s of 5 0 a nd 6 0 we r e i n ve s t i g a t e dThe r e s uh s s h o we d t ha t t he wa t e r - bi n d e r r a t i o a n d c u r i n g a g e ha d an o b vi o u s e f f e c t o n t he c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f fly a s h c o n c r e t e， s p e c i fic a l l y f o r l o n g t e r m c u r i ng a g e， b ut a c t i v a t o r a l mos t h a d no e ffe c t Fo r the c o n c r e t e wi t h fly a s h c o n t e n t s o f 50 a n d 6 0 ， whe n t he c ur i ng a g e wa s l e ng t he n f r o m 2 8 t o 3 6 5 d ay s ， the c a r b o n a t i o n d e p t hs o f s a mpl e s c a r b o ni z e d f o r 28 da y s de c r e a s e f r o m 9 3 mm ma d 1 3 7 1 l m t o 6 7 I n l T l a n d 9 0 n l l n r e s p e c t i v e l y， an d i t s c a r bo n a t i o n r e s i s t an c e c o u l d b e i mp r o v e d o b v i o u s l y K e y w o r d s ： c o n c r e t e ； fl y a s h ； c arb o n a t i o n c h ara c t e r i s t i c ； c u r i n g a g e 0 引言 随着环境保护的加强和固体废弃物资源化综合利用 研究的深人 ， 国内外对大掺量粉煤灰混凝2 k ( Hi g h V o l u me F l y A s h C o n c r e t e ， 简称 H V F AC ) 在道路 、 桥梁 、 房屋建筑等 工程 中的应用越来越广 泛 1 - 3 。 对于大掺量粉煤灰混凝土， 粉煤灰的火山灰反应消耗 大量 的氢氧化钙 ， 相对于普通混凝土而言 C a ( O H) 的含量 比较低 ， 使 粉煤灰对混凝 土的抗碳化性能影 响变得 比较显 著 ， 特别是低钙粉煤灰 ， 随粉煤灰含量 的增加 ， 这一 问题变 得更加突出， 逐渐引起广大学者和工程人员的重视 。 钱 觉时 等研究认为 ， 对粉煤 灰掺量为 4 0 5 0 粉煤灰混凝 土 ， 补充石灰 和采用磨细粉煤灰 的方法 ， 可 以提高其抗碳 化性能， 但仍明显低于普通混凝土。 王培铭同 等则研究认 为， 通过掺加高效减水剂既能提高粉煤灰的掺量又不影响 混凝土的抗碳化性能； 若复掺矿渣粉， 可大大改善混凝土 的抗碳化性能。 水中和圈 等研究了膨胀剂对粉煤灰混凝土 收稿 日期 ：2 0 1 2 - -0 8 1 3 基金项目：河南省自然科学基金项目( 0 8 0 6 2 0 3 1 ) 显微结构及抗碳化性能的影响 ， 研究认为膨胀剂虽然增加 了混凝土 内 C a ( O H) ： 的数量 ， 但同时劣化 了混凝土 内部的 孔结构 ， 使 C O 更 易向混凝 土内部渗透 ， 反而加速 了混凝 土的碳化 。 由此可见 ， 对 于大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能的研 究虽然较多， 但由于影响其抗碳化性能的因素较多， 许多 研究结果存在一定的差异， 甚至存在学术争议5 1 。 采用快速 碳化方法对混凝土抗碳化性能进行研究 ， 已被广泛采用8 -0 。 因此 ， 本试 验在 系统研究水胶 比、 激发剂 、 养护龄期等因素 对掺量为 5 0 和 6 0 的粉煤灰混凝 土抗碳化性 能影 响的 基础上， 深入研究了较长龄期( 3 6 5 d ) 下大掺量粉煤灰混凝 土的抗碳化性能。 1试 验 1 1 试验材料 本试验选用平顶山市姚孟电厂静电收尘干排I I 级粉煤 灰， 经机械磨细处理后的粉煤灰， 其化学成分如表 1 所示。 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表1 粉煤灰的化学组成 水泥采用平顶山市天瑞集团汝州水泥有限公司生产 _，_ -_h _ _-_-_- -_-_一 组成 S i O ： A 1 2 0 C a O Mg O F e 2 0 ， S O ， L o s s 的 P 0 4 2 5 级水泥。 其化学成分、 矿物成分及物理力学性能 含量 5 2 5 1 2 5 0 8 4 6 5 1 2 3 6 8 6 检测结果如表 2 、 3 所示 。 表 2 水泥的化学、 矿物成分 粗骨料选用平顶 山青石山石料厂产 的碎石( 青石 ) ， 粒 级 5 2 0 r n n l ， 连续级配 ， 表观密度 为 2 6 7 0 k N m ， 堆积密度 为 1 4 5 0 k N m。 ， 压碎指标为 7 9 ， 含泥量 0 2 ， 针片状颗 粒含量为 1 1 。 细 骨料选用平顶 山市鲁 山河砂 ， 表观密度 和堆积密度分别为 2 6 1 0 、 1 4 8 0 k Nm ， 细度模数为 2 8 ， 含 泥量 1 2 ， 含水率 0 6 。 减水剂采用平顶山市神翔化工厂生产的萘系高效减 水剂( WA N B) ， 实测减水率为 2 3 。 激发剂为硫酸盐。 拌 和与养护用水为 日 常饮用水 。 1 2 试验 配合 比与试样检测 为 了研究大掺量粉煤灰对混凝土抗碳化性能的影 响， 在胶凝材料总量为6 0 0 k m3 , 其他组成不变的情况下， 粉煤 灰的掺量从 1 0 6 0 配制混凝土， 配合比如表4所示。 表 4 不 同掺量粉煤灰混凝土配合比 萼 粉 (水 泥k m 3) 胶 凝(kN材m 3 (k砂 m 3) (碎 石k m ，) E 减 号 ) ) ) ) 试样在养护 2 8 、 6 0 、 3 6 5 d 后进行快速碳化试验。 碳化 试验参照G B J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验方法 进行。 2 结果与讨论 2 1 大掺量粉煤灰对混凝土碳 化性能的影响 由图 1 可知 ， 对于基 准混凝 土( A 0 ) ， 无论是养护 2 8 d 还是 6 0 d ， 其碳化速率均较小。 当粉煤灰掺量为 5 和6 0 时， 其碳化速率明显增加， 且随粉煤灰掺量的增加， 碳化速 率加快； 在碳化初期， 碳化速度较快， 碳化深度迅速增加， 在 快速碳化 2 8 d 后， 碳化速度逐渐减小， 碳化深度增加缓慢。 由此可见， 在粉煤灰品质、 水胶比和胶凝材料用量不变 的情况下， 不同龄期的碳化深度值随粉煤灰掺量的增加而 增大。 在影响混凝土碳化深度的内部化学因素中， C a ( O H) 是主要的反应物， 能与C O 反应以减缓混凝土的碳化进程。 在胶凝材料总用量不变的情况下， 随着粉煤灰掺量的增加， 6 O 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 碳 化时间 d ( a ) 养护2 8 d U 1U 20 30 40 ，U 6 0 碳 化时间 d fb ) 养护6 0 d 图 1 不 同掺量的粉煤灰混凝土碳化深度随碳化时间的变化 混凝土中水泥含量相对降低， 生成的 C a ( O H) 数量也必然 减少； 同时， 粉煤灰的二次反应还将消耗大量 C a ( O H) ， 使 混凝土的碱储备、 液相碱度进一步降低， 从而导致粉煤灰 混凝土 的碳化速度加快 ， 碳化深度增加 ， 抗碳化性能降低。 另一方面 ， c o 2 在混凝土 中的扩散速度取决于孔 隙结构及 孔隙率 ， 随着粉煤灰掺量增加 ， 在早期 ， 混凝土孑 L 隙率 、 较 粗孔隙数量及透气率比基准混凝土都明显增大， 混凝土的 抗碳化能力降低 ， 已有的研究结果也证实这一点 ， n 。 2 2 水胶 比对大掺量粉煤灰混凝土碳化性能的影响 图2 是粉煤灰掺量为 5 0 、 6 0 不同水胶比条件下 昆 凝土的碳化结果。 由图2 可知， 当水胶比由0 3 0 降到0 2 5 时， 无论粉煤灰掺量为 5 0 还是 6 0 ， 随水胶比的降低， 混凝 土碳化深度明显减小 ； 随养护龄期的延长， 抗碳化能力进 一 步改善。 水胶比对混凝土的碳化影响十分重要 ， 水胶比的变化 直接影响混凝土的孔结构和强度， 孔结构和强度的变化又 会影响 c 0 2 在混凝土中的渗透能力【 1 1 玛 。 由于粉煤灰水化 6 4 2 O 8 6 4 2 目m， 醚 篷 6 4 2 O 8 6 4 2 g ， 隧 谨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 碳 化 时 I 1日 J d ( b ) 养护6 0 d 图 2 不同水胶比粉煤灰混凝土碳化时间对碳化深度的影响 较缓慢， 使混凝土拌合物的初始水灰比实际要大得多， 这时 高活性 水泥的水 化显然要 比纯水泥混凝土 中水泥迅速 而 充分， 产生大量的水化生成物去填充相对较小的空隙， 释放 出的氢氧化钙则提供粉煤灰后续的水化， 使混凝土体随龄 期增长 日益密实 ， 水泥石和骨料的界面得到显著加强( 过 渡区薄弱 的氢氧化钙结 晶大大减少 ) i 3 - 14 ， 特别是大掺量粉 煤灰混凝土 ， 后期强度 的增长快于基准混凝土 ， 因此 ， 低水 胶比有利于大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力进一步提高。 2 3 激发剂对大掺量粉煤灰混凝土碳化性能的影响 由于低水胶比有利于大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力进 一 步提高 ， 因此 ， 对 B 5 、 B 6 试样分别加入 1 的硫酸盐激发 剂( 表示为 B 5 1 、 B 6 1 ) ， 进行碳化试验， 其结果如图 3 所示。 由图 3可知 ， 养 护 2 8 d 龄期 时 ， 掺激 发剂对 大掺量粉 煤灰混凝土的抗碳化性能基本没有改善； 但随养护龄期延 长到 6 0 d时， 掺激发剂粉煤灰混凝土的抗碳化性能有一定 的改善， 但并不明显。 结合图 2 可知， 激发剂对大掺量粉煤 灰混凝土抗碳化性能的影响并不如水胶比对其影响明显。 2 4 养护龄期对大 掺量-粉煤 灰 混凝土碳化性能的影响 由图 1 3可以发现 ， 在其他条件相 同的条件下 ， 养 护 6 0 d的大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能均较养护2 8 d的 有所改善， 为进一步研究养护龄期对其抗碳化性能的影响， 对养护 3 6 5 d的试样进行碳化试验 ， 其结果如图 4 所示。 由图 1 、 4 可知， 对于粉煤灰掺量为 5 0 和 6 0 的混凝 土， 养护龄期从 2 8 d 增到 3 6 5 d时， 其试样碳化 2 8 d的碳 化深度从 9 3 、 1 3 7 m m分别降到 6 7 、 9 0 m m， 即随着养护龄 期的延长， 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力有很大提高 ， 粉煤灰掺量越大 ， 提高越明显。 这表明粉煤灰的火山灰效 应的不断发挥， 提高了混凝土的致密性， 使 C O 气体的渗 入变得更加困难 ， 从而使混凝土的抗碳化能力提高， 这与 碳 化时 间 ， d ( b ) 养护6 0 d 图 3 激发剂对大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的影响 0 I 【 J 20 3 U 40 5 U 60 碳化 时间 d 图 4 养护 3 6 5 d的粉煤灰混凝土碳化时间与碳化深度关系 文献 9 ， 1 1 的研究结果是相一致 的。 通过对粉煤灰掺量 、 水胶 比、 激发剂和养护 龄期对 大 掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能影响的研究可以发现 ， 对于 掺量为 5 0 、 6 0 的大掺量粉煤灰混凝土， 水胶比和养护龄 期对其抗碳化性能的影响更加显著， 而激发剂对其影响相 对较小 。 按照快速碳化 2 8 d 相当于 自 然碳化 5 0 年的碳化深 度推测 ， 对于本试验 中 5 0 、 6 0 的粉煤灰混凝土 ， 自然碳化 1 0 0 年时， 即使不加激发剂， 其碳化深度也不足 1 5 、 1 9 m m， 不会到达钢筋表面的。 因此， 在低水胶比情况下， 适当延长 养护时间， 即使粉煤灰掺量达 5 0 、 6 0 的混凝土， 其抗碳 化能力亦可满足工程应用 的需求 。 3结论 ( 1 ) 对粉煤灰掺量为 5 0 、 6 0 的大掺量粉煤灰混凝土， 水胶比和养护龄期对其抗碳化性能的影响较为显著， 而激 发剂对其影响相对较小。 ( 2 ) 对粉煤灰掺量为 5 0 、 6 0 ,4 的大掺量粉煤灰混凝土， 随粉煤灰掺量的增加， 抗碳化性能降低； 随水胶比的减小， 抗 下转第 1 1 页 7 2 O 8 6 4 2 g眦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 4 ) 冻融循环对单轴抗压强度的影响大于对双轴压和 三轴抗压强度 的影响 ， 如 7 5次冻融循环后 的单轴抗压强 度比冻融循环前的单轴抗压强度降低 3 6 3 6 ， 而在应力 比为 0 1 ： 0 5 ： 1 时 ， 7 5 次冻融循环后的三轴压极 限抗压强度 比冻融循环前降低 9 3 5 ， 说明对多轴压状态的混凝土 强度 ， 应力 比的影 响要大于冻融循环次数的影 响。 因此 ， 设 计 中考虑冻融循 环后多轴压混凝土较单轴压混凝土 强度 的增长 ， 可大大节省材料。 参考文献： 1 】J A C O B S E N S ， M A R C H A N D J ， H I M A I N H S E M o b s e r v a t i o n s o f t h e mi c r o s t r u e t u r e o f f r o s t d e t e rio r a t e d a n d s e l f - h e ale d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 7 8 1 1 7 9 0 2 程红 强 ， 等 冻融对混 凝土强度 的影响 河南科 学 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 2 1 4 2 1 6 3 】 李金玉， 等 混凝土冻融破坏机理的研究【 J 1 水利学报， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 41 49 4 】施士升 冻融循环对混凝土力学性能的影响J J 土木工程学报， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 4 ) ： 3 5 4 2 5 5 蔡昊， 覃维祖， 刘西拉冻融循环作用下混凝土力学l生 能的损失叨 工程力学， 1 9 9 6 ( 增T U ) ： 2 9 3 3 6 】V E R B E C K G， L A N D G R E N R I n fl u e n c e o f p h y s s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a g g r e g a t e s o n f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e J P r o c AS T M， 1 9 6 0： 1 0 6 3-1 0 79 7 】B O U R N A Z E L J P ， M O R A N V I L L E M D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e t h e c r o s s r o a d b e t w e e n c h e m i s t r y a n d m e c h a n i c s J C e m e n t a n d C o n c r e t e 上接第 7页 碳化能力增强； 但激发剂对抗碳化性能并没有明显改善。 ( 3 ) 在其他条件相同的条件下 ， 随养护龄期 的延长 ， 大 掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能均较养护 2 8 d的有明显 改善 ； 当养护龄期从 2 8 d增到 3 6 5 d 时 ， 其 试样碳化 2 8 d 的碳化深度从 9 - 3 、 1 3 7 mm分别降到 6 7 、 9 0 m m。 参考文献 ： 1 付兆岗 高速铁路耐久性混凝土的配制与施工 J _ 混凝土， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 1 0 5 1 1 0 【 2 Z H A O F Q ， Z H A O J ， L I U H J A u t o c l a v e d b ri c k f r o m l o w s i l i c o n t a i l i n g s J C o n s t r B u i l d M a t e r ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 5 3 8 - 5 4 1 3 】Z I MME R A， B E RGMANN C P F l y a s h o f mi n e r a l c o al a s c e r a mi c t i l e s r a w m a t e r i a l J Wa s t e M ana g e m e n t ， 2 0 0 7 ( 2 7 ) ： 5 9 - 6 8 f 4 1 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 重庆建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 - 9 【 5 朱艳芳， 王培铭 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 J 建 筑材料学报， 1 9 9 9 ， 2 ( 4 ) ： 3 1 9 3 2 3 6 】 水中和， 屠柳青， 马军涛， 等 膨Jg IU 对粉煤灰混凝土显微结构 及抗碳化性能的影响 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 6 2 6 8 7 】程云虹， 闰俊， 刘斌， 等 粉煤灰混凝土碳化性能试验研究f J 公 路， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 1 6 0 1 6 2 8 张令茂， 江文辉 混凝土自然碳化及其与人工加速碳化的相关 R e s e arc h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 5 4 3 1 5 5 2 8 Z HO U Y X， C O H E N M D， D O L C H L W E f f e c t o f e x t e r n al l o a d s o n t he f r o s t -r e s i s t a n t p r o p e r t i e s o f mo r t ar wi t h a n d wi t h o u t s i l i c a f u me J AC I Ma t e r J ， 1 9 9 4， 9 1 ( 6 ) ： 5 9 5 6 0 1 f 9 19 邹超英， 赵娟， 梁锋， 等 冻融作用后混凝土力学性能的衰减规 律 J 】 _ 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 1 7 1 3 8 【 1 0 郑晓宁， 刁波， 孙洋， 等 混合侵蚀与冻融循环作用下混凝土力 学性能劣化机理研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 1 1 - 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4 6 2 【 1 2 L I G F ， H U A N G Y， C H E N C HI nflu e n c e o f t h e fl y - a s h c o n t e n t o f c o n c r e t e a t l o w wa t e r bi n d e r r a t i o o n h y d r a t i o n de g r e e o f b i n d e r s a n d c e me n t J Ad v Ma t e r R e s ， 2 01 1 ， 2 5 0 2 5 3 ： 44 5 44 9 1 3 】 覃维祖利 用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的探讨 J _建筑 材料学报， 1 9 9 9 ， 2 ( 2 ) ： 1 5 3 1 5 8 【 1 4 N A T H P ， S M A R K E R P E f f e c t o f fl y a s h o n t h e d u r a b i l i t y p r o p e r - t i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J 2 r o c e d i a E n g 2 0 1 1 ( 1 4 ) ： 1 1 4 9 1 1 5 6 作者简介 联 系地址 ： 联系电话 汪潇( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 博士生， 讲师， 研究方向： 工业固体 废弃物资源化综合利用。 河南省平顶山市新城区明月路 河南城建学院土木与 材料工程系( 4 6 7 0 3 6 ) 1 5 0 3 7 51 5 8 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m