HCSA膨脹劑對大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能影響

劉娟紅 車樹武

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

隨著資源、能源和環境問題的日漸突出，低碳的綠色混凝土成為水泥混凝土可持續發展的必然選擇[1-3]。大摻量粉煤灰混凝土作為綠色混凝土的一種，同時在水膠比比較低的情況下，可大幅度改善混凝土長期性能，對延長結構物的使用壽命有重要意義[4]，故在現代工程中的應用也愈加廣泛。國內外大量研究和實際應用表明，大摻量粉煤灰混凝土中，早期時粉煤灰在水泥漿體中的反應程度是很小的，在齡期為28d的成熟漿體中，水泥水化達到80%～90%，但粉煤灰只反應了10%～20%，而且成熟漿體中的水化生成物量與純水泥漿體相差很大，這種差異的存在使得大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化能力差，從而影響了大摻量粉煤灰混凝土在很多工程中的應用[5-8]。

1985年以來，膨脹劑在我國得到了普遍的推廣應用。補償收縮混凝土基本性能的研究表明[9]，摻加UEA的補償收縮混凝土抗碳化能力增強。趙順增、劉立[10]研究了膨脹劑對40%粉煤灰的混凝土抗碳化性能的影響，得出最佳摻量為30kg/m3。目前對粉煤灰混凝土抗碳化性能研究方面，一般都采取了28d標準養護后再強制碳化，且研究的齡期較短；而在自然環境中的混凝土碳化方面的研究較少，所得結論對于大摻量粉煤灰混凝土實際工程不一定適用。

為此，本文對自然碳化條件下摻加HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能進行了研究，從膨脹劑的摻量和養護時間兩個方面著手進行分析。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅股份有限公司生產的P.O 42.5水泥，標準稠度用水量為27.8%，初凝時間為180m in，終凝時間為320m in，3d抗折強度為3.9MPa，抗壓強度為16.0MPa；28d抗折強度為7.1MPa，抗壓強度為49.5MPa。

粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度11.2（45μm篩余量），需水量比102%。

膨脹劑：中國建筑材料科學研究總院研制的HCSA高效混凝土膨脹劑。

骨料：粗骨料為人工碎石，料堆積密度為1510kg/m3，表觀密度為2650kg/m3，孔隙率為42.0%；細骨料為天然河砂，堆積密度為1660kg/m3，表觀密度為2560kg/m3，孔隙率為42.9%。

減水劑：北京市方興化學建材有限公司生產的JF-1高效減水劑（固體含量為40%）。

水：自來水。

1.2 混凝土配合比

實驗選擇不同摻量HCSA膨脹劑加入粉煤灰摻量為45%，50%的混凝土中進行碳化實驗，各組配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比（kg/m 3）

圖1 不同膨脹劑摻量混凝土碳化深度

1.3 實驗方法

實驗所用混凝土試塊分為兩種，一組為裝模成型后直接置于自然環境中，7天拆模后繼續放置于自然環境中；另一組為裝模成型后棉被覆蓋澆水至7天拆模，然后放置于自然環境中，然后記錄兩種試塊14d，28d，70d，120d，360d碳化層厚度。

碳化層厚度測量采用在混凝土塊新鮮劈裂斷面涂抹酚酞溶液，測量斷面未變紅的厚度，作為混凝土碳化值。

2 HCSA膨脹劑對不同粉煤灰摻量混凝土碳化的影響研究

混凝土試塊成型后7d覆蓋澆水養護，然后置于自然環境。圖1為粉煤灰摻量為45%和55%時，不同膨脹劑摻量對混凝土碳化深度的影響曲線。

由圖1可以看出，混凝土的碳化深度隨著齡期的增加而逐漸增長，28d～120d之間，碳化速率加快，碳化深度增長迅速，120d齡期之后，混凝土的碳化速率明顯降低。

適量的HCSA膨脹劑能提高大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化能力。與未摻HCSA膨脹劑的混凝土相比，28d天齡期之后，摻加適量HCSA膨脹劑的混凝土抗碳化能力明顯提高，而且隨著齡期的延長，優勢越明顯。原因可能是在早期時正好處于自然環境的夏季，不養護直接放于屋外的混凝土所處的溫度和濕度均要高于用棉被覆蓋和養護室標準養護的混凝土，所以早期養護的優勢沒有達到發揮，但在后期，隨著齡期的增長，得到充分養護的混凝土內部結構從水泥、粉煤灰的水化到膨脹劑的水化都得到較好的發展，所以抗碳化性能越來越好，這也是自然碳化和強制碳化有所區別的地方。

由圖1 a可以看出，從混凝土性能的長遠發展來看，粉煤灰摻量為45%的大摻量粉煤灰混凝土，養護條件相同的條件下，HCSA膨脹劑摻量為6%的混凝土能顯著提高混凝土的抗碳化性能，8%摻量的次之，而10%摻量的混凝土效果不明顯.

由圖1 b以看出，HCSA膨脹劑摻量為6%和8%的混凝土抗碳化性能較未摻加HCSA膨脹的混凝土抗碳化性能明顯增加，而摻加10%HCSA膨脹劑的混凝土碳化深度則要明顯大于未摻HCSA膨脹劑的混凝土。這是由于膨脹劑的水化產生的膨脹水化產物填補了混凝土在水化和硬化過程中產生的孔隙和收縮，使混凝土內部結構變的致密，從而從根本上提高了混凝土的耐久性，所以6%和8%HCSA膨脹劑摻量的混凝土碳化深度要明顯小于未摻膨脹劑的混凝土，而10%HCSA膨脹劑摻量的混凝土則由于產生的膨脹能過大而對混凝土的內部結構造成了損害，降低了混凝土的耐久性，所以在工程應用中一定要控制膨脹劑的摻量，適量摻加，嚴格控制。

在360d齡期時，有部分試塊出現碳化深度減小的現象，可能是試塊處于夏季潮濕環境下，混凝土中的是硅酸鈣遇水后發生水化反應，形成游離鈣、硅酸和氫氧根，挺高了混凝土的堿度，使碳化深度減小，這也是自然碳化不可避免的問題。

另外，與粉煤灰摻量為45%的混凝土相比，粉煤灰為50%時，8%HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗碳化性能要明顯提高。粉煤灰摻量為45%時，加入HCSA膨脹劑混凝土與未摻加膨脹劑的混凝土相比，6%HCSA膨脹劑摻量的混凝土180d碳化深度減小57.1%，而8%摻量的混凝土180d碳化深度減小32%，360d碳化深度減小12.3%；粉煤灰摻量為50%時，6%HCSA膨脹劑摻量的混凝土與摻量為0%的混凝土相比，180d和360d碳化深度分別減小18.5%、18.8%，8%膨脹劑摻量的混凝土180d和360d碳化深度分別減小32.6%、31.3%。總之，在粉煤灰摻量為45%時，6%膨脹劑摻量的混凝土抗碳化性能最好，而粉煤灰摻量為50%時，8%膨脹劑摻量的混凝土抗碳化性能最好。

造成這種現象的原因可能是當粉煤灰摻量為45%時，6%摻量的HCSA膨脹劑產生的水化產物正好充填了由于粉煤灰和水泥水化過程中所產生的孔隙和孔隙，密實了混凝土的內部結構，抗碳化能力提高，而8%的HCSA膨脹劑則由于產生了有害的膨脹而對混凝土的內部結構產生損害；當粉煤灰摻量增加到50%時，與粉煤灰摻量為45%的混凝土相比，使得混凝土的內部結構變得更疏松，6%摻量的HCSA膨脹劑產生的膨脹產物由于不足于充填這些孔隙而使得抗碳化性能變差，由于粉煤灰摻量的加大而導致的混凝土內部結構的疏松正好為8%摻量的膨脹劑產生的多余膨脹水化產物提供了容納的地方，從而使得混凝土的內部結構較6%時要致密，所以抗碳化性能也較高。

綜合粉煤灰摻量為45%、50%膨脹劑混凝土可知：摻加了HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土的自然碳化曲線呈鋸齒狀匍匐前進狀態，且隨著齡期的增長碳化速率逐漸減小，曲線變得越來越平緩，且有減小的趨勢；HCSA膨脹劑的摻加能提高大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能，但后期效果比較顯著，早期效果不明顯。

3 養護時間對膨脹劑混凝土碳化影響的研究

在粉煤灰摻量為45%、50%的條件下，測定膨脹劑摻量為8%的混凝土試塊成型后未覆蓋澆水養護與7d覆蓋澆水養護后，各齡期的自然碳化深度，試驗結果見圖2。

由圖2可以明顯看出，對于不同摻量的粉煤灰混凝土，養護7d的混凝土碳化深度在各個齡期均小于未養護混凝土碳化深度。在混凝土較小齡期時，這種差距比較小，以FA45的混凝土為例，14d齡期時，養護7d的混凝土碳化深度比未養護的混凝土碳化深度小0.37mm，而隨著時間的增長，差距越來越明顯，在180天齡期時，養護7d的混凝土碳化深度比未養護的混凝土碳化深度小2mm。

在現代工程施工中，養護時間的延長意味著成本的增加，但對于大多數施工企業來說，對于混凝土進行7天養護，都是可以實現的。這樣較未養護混凝土，強度、耐久性都可以有較好的提升。

圖2 不同養護時間對混凝土碳化深度的影響

結論

（1）對于摻加了HCSA膨脹劑及未摻加HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土而言，在自然碳化條件下，70d齡期之前，碳化深度增長較快，而后隨著齡期的逐漸延長，碳化速率逐漸變緩，180d到360d齡期之間，碳化深度已出現下降趨勢。

（2）在自然碳化條件下，適量的HCSA膨脹劑對大摻量粉煤灰混凝土的早期抗碳化能力的改善有一定的作用，但效果不明顯，而隨著齡期的逐漸增長，摻加HCSA膨脹劑的混凝土的抗碳化性能優勢才慢慢發揮出來，且隨著齡期的延長越來越明顯，抗碳化能力顯著高于未摻加HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土。

（3）摻加了HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化能力隨著HCSA膨脹劑摻量的變化而變化。對與粉煤灰摻量為45%的混凝土，與未摻加HCSA膨脹劑的大摻量粉煤灰混凝土相比，6%HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗碳化能力最好，而對于粉煤灰摻量為55%的混凝土，8%HCSA膨脹劑摻量的混凝土抗碳化能力最好。

（4）養護7d的混凝土碳化深度在各個齡期均小于未養護混凝土碳化深度，在180天齡期時，養護7d的混凝土碳化深度比未養護的混凝土碳化深度小2mm。

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