不同矿物掺合料对高性能混凝土碳化性能的影响

摘要:通过在C50高性能混凝土中以等量取代水泥用量的方法单掺粉煤灰、硅粉,双掺粉煤灰硅粉,研究了不同掺合料及不同掺量对HPC碳化性能的影响。结果表明,粉煤灰取代水泥后,由于使混凝土中Ca(OH)2含量减少,会导致碳化深度增大,且掺量越大碳化速度越快,深度越大;硅粉在一定掺量范围内会使混凝土碳化深度有所减小,原因在于硅粉混凝土内部微观结构高度密实,抑制CO2的侵入;在15%粉煤灰的基础上,掺量由小到大加入硅粉后,碳化深度较逐渐减小,复掺粉煤灰和硅粉,能使掺合料优势互补,克服单掺粉煤灰碳化深度大的缺点。

关键词:矿物掺合料 高性能混凝土 碳化

1、引言

碳化是混凝土中性化最常见的一种过程,它是空气中的CO2与水泥石中的碱性物质相互作用,使其成分、组织和性能发生变化,使用机能下降的一种复杂的物理化学过程[1]。碳化造成的最主要的危害就是降低混凝土的PH值,久而久之使其中的钢筋失去碱性保护,受到锈蚀,造成结构破坏。因此,混凝土碳化是一个不可忽视的问题,也是评价混凝土耐久性的一个不可缺少的指标。本文将通过试验研究不同掺合料及掺量对高性能混凝土碳化性能的影响规律。

2、试验概述

本试验选取一种设计强度为C50的基准配合比,在此基础上固定水胶比（0.32）和胶凝材料总量（494Kg）,分别对水泥进行10%,15%,20%,25%的粉煤灰等量取代和3%,6%,9%,12%的硅粉等量取代,以及固定粉煤灰取代量15%,变化硅粉取代量,共13组配合比,见表1。

本文依据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GBJ 82-85)[2],对编号为S1～S13的13组不同配合比混凝土试件进行了碳化试验.采用混凝土快速碳化箱,设定一定CO2浓度、湿度、温度对混凝土进行碳化。试块采用100mm×100mm×100mm立方体,达到养护龄期后,保留成型时两侧面,其余各面用石蜡密封,并在碳化面顺长度方向用铅笔以10mm间距画出平行线,作为测定碳化深度的测量点。

3、试验结果与分析

各组混凝土碳化试验数据见表2。

3.1 粉煤灰HPC碳化试验结果分析

不同掺量粉煤灰HPC碳化试验结果见图1.

图1 粉煤灰高性能混凝土各龄期碳化试验结果

由图1可知,在同等环境条件（CO2浓度,温度,湿度等）下,S1～S5各组曲线呈上升趋势,即随着龄期的增长,碳化深度都不断增大。在3d、7d、14d、28d、35d不同龄期时,掺有粉煤灰各组试件碳化深度均大于基准试件,且随着粉煤灰掺量的增加,各龄期碳化深度也在增大。表明随着掺量增大,混凝土抗碳化性能都随之降低。另外可以看出,各曲线后期斜率变小,表明各组混凝土在早期碳化深度增长较快,中后期增长缓慢。

粉煤灰作为矿物掺合料加入混凝土中,对混凝土碳化深度的影响有两面性[3]:一是粉煤灰的火山灰效应、微集料效应提高了混凝土的密实度,增加了气体渗透的阻力,减慢了碳化速度,这是有利的一面;二是由于粉煤灰取代水泥,使水泥用量减少,混凝土单位体积内水化生成的Ca(OH)2等碱性物质总量减少,同时粉煤灰二次水化反应又消耗部分Ca(OH)2,使得混凝土内碱含量更低,势必造成对CO2吸收能力的降低、碳化过程时间缩短、速度加快,导致混凝土抗碳化能力下降,这是不利的一面。事实上掺入粉煤灰的混凝土实际碳化过程就是在这两种主要因素的综合影响下进行的,只不过第二种因素占据主要作用,粉煤灰的填充效应不能弥补碱含量降低造成的碳化深度增大,只能一定程度上延缓碳化时间而已。要消除粉煤灰掺入带来的负面效应,就要有针对性的在混凝土中适量增加碱储备,即提高Ca(OH)2含量,在不影响混凝土强度的前提下,可以说对抗碳化性能是有利的。可以考虑加入石灰或采用粉煤灰超量取代的方法。

3.2 硅粉HPC碳化试验结果分析

不同掺量硅粉HPC碳化试验结果见图2。

图2 硅粉高性能混凝土各龄期碳化试验结果

从图2中可以看出,S6～S9各组试件随着龄期的延长,碳化深度都在不断增大,后期混凝土碳化速度增长趋势缓慢。在3d、7d、14d、28d、35d各个龄期时,随着硅粉掺量从3%～12%的增大,混凝土碳化深度逐渐变小,且都小于同龄期基准混凝土。

硅粉和粉煤灰一样,也是常作为活性矿物掺合料掺入混凝土中,但其活性很高,粒径极小,对混凝土孔隙细化的程度要强于粉煤灰。本试验表明,在12%掺量范围内,加入硅粉有利于提高混凝土抗碳化性能。硅粉对混凝土抗碳化性能的影响和粉煤灰类似,也是有两面性。一是能发挥其微集料效应,细化填充孔隙,使得混凝土内部结构更加致密,阻碍CO2气体的渗透,这方面效应要强于粉煤灰;二是硅粉掺入后,水泥用量减少,生成Ca(OH)2含量少,以及硅粉活性大,同样消耗Ca(OH)2,使得混凝土内碱含量减少,对抗碳化不利。与粉煤灰相比之下,硅粉的微集料填充效应占主要作用,加之硅粉总体掺量较小,即使混凝土内Ca(OH)2相对减少,碱含量降低不多,混凝土过于密实也能延缓混凝土碳化。随着硅粉掺量增大,这种微集料填充效应愈加明显,有利因素发挥主导作用,混凝土碳化深度逐渐减小。本文掺量只做到12%,更大掺量的硅粉加入可能会完全改变此规律,因此,大掺量硅粉对抗碳化性能的影响需要重新研究。

3.3 复掺粉煤灰、硅粉HPC碳化试验结果分析

复掺粉煤灰、硅粉HPC各龄期碳化规律见图3。

由图3可知,在S3（15%FA）的基础上加入不同掺量硅粉后,混凝土在各龄期的碳化深度有所下降,且随着硅粉掺量的增大碳化深度逐渐减小,表明复掺硅粉后,能较单掺粉煤灰不同程度的提高混凝土抗碳化性能。

粉煤灰和硅粉复掺后,更加优化了微颗粒粒径,微观结构的改变致使混凝土密实性得到大幅提高,而Ca(OH)2含量减小带来的负面因素成为了次要方面。因此不论是碳化前期,CO2气体从表面开始渗透,或是碳化中后期,气体在混凝土中持续扩散,都表现为复合掺入硅粉后碳化深度减小,且硅粉掺量越大,碳化深度越小。由此可见,针对混凝土中单掺粉煤灰造成的抗碳化性能降低,可以采用加入适量硅粉予以补充,充分体现出各种矿物掺合料复合掺入产生的优势互补。

4、结语

(1)混凝土的碳化深度与时间成正比,但到后期,由于混凝土密实性提高,碳化速度逐渐放缓。

(2)粉煤灰取代水泥后,由于使混凝土中Ca(OH)2含量减少,会导致碳化深度增大,且掺量越大碳化速度越快,深度越大。

(3)硅粉在一定范围内掺量会使混凝土碳化深度有所减小,原因在于硅粉混凝土内部微观结构高度密实,抑制CO2的侵入。

(4)在15%粉煤灰的基础上,掺量由小到大加入硅粉后,碳化深度较逐渐减小。复掺粉煤灰和硅粉,能使掺合料优势互补,克服单掺粉煤灰碳化深度大的缺点。

参考文献

[1]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学技术出版社,2002.7～8.

[2]GBJ 82-85 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法[S].

[3]程云虹,闫俊,刘斌等.粉煤灰混凝土碳化性能试验研究[J].公路,2007(12):160～162.