大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究

  摘要：根據(jù)影響混凝土碳化的主要因素和粉煤灰混凝土的特點(diǎn)，研究了對(duì)粉煤灰進(jìn)行 磨細(xì)和增加適量熟石灰的措施，在不降低粉煤灰混凝土強(qiáng)度前提下，探討改善大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的可行性。

  關(guān)鍵詞：粉煤灰 混凝土 碳化 石灰

  總的來(lái)說(shuō)，人們希望混凝土有好的抗碳化性能，因?yàn)榛炷撂蓟笫湛s將增大，可能形成不可恢復(fù)的碳化收縮裂紋，并降低混凝土的強(qiáng)度，特別對(duì)于鋼筋混凝土碳化最不利的影響就是使堿度降低，使鋼筋的鈍化膜遭到破壞而引起鋼筋銹蝕，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。 對(duì)于普通混凝土，由于含有一定的堿儲(chǔ)備和較小的滲透性，混凝土的碳化很慢，一般不會(huì)因保護(hù)層碳化而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。但對(duì)于粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土，由于堿儲(chǔ)備的大量降低，特別在早期的滲透性較大，碳化速度非?？?，很容易因碳化導(dǎo)致鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕，最后造成結(jié)構(gòu)破壞。因此改善大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能是促進(jìn)粉煤灰類活性摻合料在混凝土中應(yīng)用的保證。

  1粉煤灰混凝土碳化的特點(diǎn)與改善措施

  混凝土的碳化通常是指空氣中二氧化碳與水泥石中氫氧化鈣作用在有水存在的條件下生成碳酸鈣與水。隨碳化過(guò)程，混凝土中Ca⁺²的濃度降低，為了維持平衡，氫氧化鈣就會(huì)不斷溶解，上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，結(jié)果使液相堿度及堿儲(chǔ)備降低。當(dāng)pH值或Ca(OH)₂降低到一定程度時(shí)，周圍其它含鈣水化產(chǎn)物還會(huì)分解、碳化而影響混凝土的性能。

  粉煤灰取代部分水泥后，首先水泥熟料水化，生成Ca(OH)₂，pH值到達(dá)一定值后(pH=12.2、12.3)，Ca(OH)₂將與粉煤灰玻璃體中的活性SiO₂、Al₂O₃反應(yīng)生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣。因此粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土的二次反應(yīng)將消耗大量的Ca(OH)₂，將使堿儲(chǔ)備、液相堿度降低。很顯然，粉煤灰混凝土的堿儲(chǔ)備減少^[2] ，碳化中和作用的過(guò)程縮短，也就導(dǎo)致粉煤灰混凝土抗碳化性能的降低^[3]。Thomas等試驗(yàn)表明^[4]，隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土碳化速度增加，當(dāng)粉煤灰摻量高于50%時(shí)，碳化速度迅速增加。

  從二氧化碳的擴(kuò)散及水分滲透來(lái)看，其速度取決于孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙率。若想使粉煤灰混凝土和普通混凝土具有相同強(qiáng)度及滲透性，需要較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)期。試驗(yàn)結(jié)果表明，28天等強(qiáng)度的粉煤灰混凝土與普通混凝土相比，摻粉煤灰混凝土的試樣較粗孔隙數(shù)量及透氣率比普通混凝土的試樣增加明顯^[3] 。隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土總孔隙體積是增加的，特別是粉煤灰摻量超過(guò)50%滲透性能迅速增加^[5] 。

  從內(nèi)部化學(xué)因素來(lái)看，能與CO₂反應(yīng)的物質(zhì)主要是氫氧化鈣。由于粉煤灰混凝土中粉煤灰的二次水化，混凝土中氫氧化鈣的數(shù)量是很少的，NaOH、KOH等堿性物質(zhì)也相應(yīng)較少。如果在混凝土中這些堿性物質(zhì)的濃度特別是氫氧化鈣的濃度越少，混凝土碳化越快。試驗(yàn)表明^[4]，在相同透氧率的條件下，摻50%粉煤灰混凝土的碳化深度比普通混凝土高出5mm左右。因此，在粉煤灰混凝土中適量增加堿儲(chǔ)備，在不影響粉煤灰混凝土的強(qiáng)度條件下，應(yīng)該說(shuō)對(duì)抗碳化性能是有利的。

  適當(dāng)?shù)奶岣邏A儲(chǔ)備，一方面可增加CO₂的反應(yīng)物，另一方面可以補(bǔ)充后期粉煤灰的火山灰反應(yīng)而造成的氫氧化鈣不足，提高混凝土的密實(shí)性，是能夠有效的降低碳化速度的。但是，大氣中的CO₂是無(wú)限的，而混凝土中的堿儲(chǔ)備是有限的，如果只提高混凝土的堿儲(chǔ)備，而混凝土擴(kuò)散性能較差，將不能很好的改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能。因此，從內(nèi)部的物理及物理化學(xué)因素來(lái)看，如果能阻止或延緩CO₂等介質(zhì)在混凝土中由表及里擴(kuò)散過(guò)程，就能更有效提高混凝土抗碳化性能，也只有在改善粉煤灰混凝土的擴(kuò)散及抗?jié)B性能的基礎(chǔ)上，才能較長(zhǎng)期提高混凝土抗碳化性能。可以說(shuō)所有提高混凝土抗?jié)B性能的途徑也能提高粉煤灰的抗碳化能力。

  Powers早就論證了初始水灰比對(duì)毛細(xì)孔的影響，認(rèn)為混凝土中連續(xù)慣通的毛細(xì)孔，在硬化過(guò)程中，可以自行封閉起來(lái)，降低水灰比，可以將毛細(xì)孔封閉的時(shí)間提前。將粉煤灰磨細(xì)，也可降低粉煤灰的需水量，因此降低粉煤灰混凝土的水灰比，使粉煤灰混凝土中的連通孔隙封閉的時(shí)間提前，從而達(dá)到提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能的目的。國(guó)內(nèi)有研究者^[1]認(rèn)為粉煤灰混凝土的碳化是受擴(kuò)散控制的化學(xué)反應(yīng)，存在一個(gè)臨界孔隙即為rc=320!，如毛細(xì)孔隙的孔徑小于rc時(shí)，則擴(kuò)散系數(shù)有較大降低。如果其它條件不變，只要能減小總的孔隙率及細(xì)化孔隙，就利于抗碳化性能的提高。在水泥混凝土中摻入磨細(xì)粉煤灰，即促進(jìn)粉煤灰的二次反應(yīng)，又可以提高水泥的水化反應(yīng)。這樣可以提高水化產(chǎn)物及二次反應(yīng)的產(chǎn)物，來(lái)彌補(bǔ)由于水泥用量的減少而減少水化產(chǎn)物的數(shù)量，增大膠空比，提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  綜上所述，適當(dāng)提高堿儲(chǔ)備，再利用磨細(xì)粉煤灰的減水、活性、微集料效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，提高粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能是比較可行的。

  2 大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的試驗(yàn)

  提高粉煤灰混凝土的堿儲(chǔ)備，最為經(jīng)濟(jì)的是摻加石灰，從粉煤灰的水化來(lái)看，摻加石灰也有利于粉煤灰的水化和混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。本文試驗(yàn)首先確定在不影響混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的前提下?lián)郊邮业目尚行砸约胺N類與摻量，然后考察粉煤灰的細(xì)度和水泥品種對(duì)碳化性能的影響。

  試驗(yàn)中采用重慶山洞水泥廠的425號(hào)普通硅酸鹽水泥與重慶水泥廠的525號(hào)普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用原狀灰、磨細(xì)灰、超細(xì)灰三種類型，密度分別為2.33、2.56和2.70g/cm³，比表面積分別為440、690和1210m²/kg。石灰為重慶歌樂(lè)山山洞石灰廠的中速石灰，實(shí)驗(yàn)中采用的生石灰磨細(xì)60min，消石灰是自然熟化后過(guò)0.08mm方孔篩?；炷恋拇旨喜捎?~20mm石灰石碎石，細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)0.9的特細(xì)砂。

  2.1石灰的摻量及類型

  國(guó)內(nèi)一些研究者從粉煤灰活性激發(fā)角度對(duì)粉煤灰吸收氫氧化鈣的量進(jìn)行了分析，認(rèn)為粉煤灰吸收氫氧化鈣的最大量約為粉煤灰重的15%~30%。因最終參與火山灰反應(yīng)的是氫氧化鈣，本文試驗(yàn)中采用生石灰與熟石灰等當(dāng)量對(duì)比，摻量為粉煤灰的25%。有關(guān)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

      2.2粉煤灰混凝土抗碳化性能的測(cè)定

  混凝土的抗碳化性能以碳化深度來(lái)表示。同樣條件下，碳化深度越小，則抗碳化性能越好。

  試驗(yàn)還考慮到水泥品種、粉煤灰類型和熟石灰摻量等因素的影響。石灰摻量分別為0%、5%、10%(占膠凝材料重量)。粗集料采用5~10mm單粒級(jí)石灰石碎石。由于只作為對(duì)比試驗(yàn)，碳化箱內(nèi)的CO₂濃度、溫度、濕度均未恒定控制，但CO2的濃度抽檢均大于20%，超過(guò)(GBJ82-85)的規(guī)定。

      碳化試件尺寸為4cm@4cm@16cm，當(dāng)碳化深度達(dá)到20mm，即認(rèn)為試件完全碳化。碳化試件要經(jīng)過(guò)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

  2.3粉煤灰混凝土碳化深度測(cè)試結(jié)果

  表2試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性非常明顯。隨石灰摻量增加，粉煤灰混凝土抗碳化性能得到明顯改善。熟石灰摻量10%時(shí)，抗碳化能力比未摻石灰的粉煤灰混凝土可提高一倍以上。采用525號(hào)的水泥粉煤灰混凝土的抗碳化性能明顯比采用425號(hào)水泥的粉煤灰混凝土要好，隨粉煤灰細(xì)度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比較大的提高，這表明提高混凝土的密實(shí)性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響措施。

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  圖1、2和3更為直觀顯示粉煤灰混凝土的抗碳化性能。不論是否摻加石灰以及采用磨細(xì)灰或超細(xì)灰，粉煤灰混凝土相比于普通混凝土其抗碳化性能仍比較差。在不摻石灰的情況下，粉煤灰磨細(xì)的細(xì)度對(duì)碳化深度影響較大，但摻加石灰后粉煤灰磨細(xì)的細(xì)度對(duì)粉煤灰混凝土碳化深度影響不煤灰混凝土的抗碳化性能明顯比采用425號(hào)水泥的粉煤灰混凝土要好，隨粉煤灰細(xì)度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比較大的提高，這表明提高混凝土的密實(shí)性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響措施。

  加速碳化一定程度上只能說(shuō)明混凝土的抗碳化能力，實(shí)際情況下混凝土的碳化與加速碳化有一定的差異。我們的試驗(yàn)結(jié)果顯示，加速碳化試驗(yàn)時(shí)粉煤灰混凝土碳化在早期相比普通混凝土就達(dá)到很大的深度，后期增加比較緩慢。實(shí)際情況下要達(dá)到加速碳化試驗(yàn)中早期的碳化程度就需要很長(zhǎng)時(shí)間，而混凝土的密實(shí)性也在同步增加，特別對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土其密實(shí)性增加更為明顯，這種意義上說(shuō)，粉煤灰混凝土加速碳化試驗(yàn)結(jié)果只能作為參考。表3是對(duì)養(yǎng)護(hù)200d的粉煤灰混凝土和普通混凝土后加速碳化試驗(yàn)對(duì)比。粉煤灰為超細(xì)灰，粉煤灰混凝土和普通混凝土配合比相同。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)的粉煤灰混凝土在摻加石灰后的抗碳化能力是比較高的。

  3 結(jié)論

  1)補(bǔ)充石灰可以比較顯著提高大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能，在適當(dāng)?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，對(duì)混凝土強(qiáng)度有所提高。

  2)采用磨細(xì)粉煤灰，也可提高大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  3)就補(bǔ)充石灰和采用磨細(xì)粉煤灰兩種措施而言，摻加石灰對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的提高更為明顯和實(shí)用，但不論哪種措施或同時(shí)采用這兩種措施，大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能仍明顯低于普通混凝土，因此，大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能改善研究還應(yīng)深入。

  參考文獻(xiàn)

  1KazusukeKobayashiandYuichiUno.CementandConcreteResearchVol.20，No.4

      2 劉伯，沈旦申，等.上海市粉煤灰應(yīng)用技術(shù)手冊(cè).上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1995

  3 沈旦申.粉煤灰混凝土.北京:中國(guó)鐵道出版社，1989

  4 M.D.A.Thomas，BSc，PhD，andJ.D.Matthews，BSc，PhD.Magazine of Concrete Research，1992，Vo1.44，No.160，Sept:217-228

  5 K.Torii，K.TaniguchiandM.Kawamura.Cement and Concrete Research Vol.25，No.4