粉煤灰高性能混凝土碳化規律的試驗研究

孫 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

粉煤灰高性能混凝土碳化規律的試驗研究

孫 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

模擬研究了季凍地區粉煤灰高性能混凝土的工作狀態和工作條件，并通過對試驗結果的二維回歸分析，建立了季凍地區粉煤灰高性能混凝土碳化規律的數學模型，得出了碳化程度最小時的粉煤灰加入量與石灰加入量，為設計和施工提供了科學合理的依據。

粉煤灰高性能混凝土，凍融循環，碳化規律

1 概述

碳化會使混凝土的堿儲量降低，如果碳化深度大于保護層厚度，則鋼筋表面在初期混凝土中堿的作用下生成的鈍化膜將受到破壞，使混凝土中的鋼筋遭到銹蝕，降低混凝土結構的承載力。由于粉煤灰的加入，導致混凝土中的堿儲量不足，從而引發粉煤灰高性能混凝土碳化速度較普通混凝土而言變快；因此，探索不同條件作用下的粉煤灰高性能混凝土的碳化規律很有必要。

2 粉煤灰高性能混凝土碳化的特點

混凝土的碳化是混凝土在正常使用階段，空氣中的CO2通過混凝土中的孔隙侵入混凝土和水泥石內，與Ca(OH)2發生化學反應，并生成CaCO3與H2O的化學過程。混凝土中的Ca(OH)2會由于混凝土碳化而被大量的消耗，使混凝土的強度降低，同時引起混凝土體積的減小，使構件的承載能力大為降低，為建筑的安全性、可靠性留下重大隱患[3]。在混凝土碳化的不斷發展過程中，混凝土的pH值逐漸由堿性變為酸性，這樣將導致鋼筋混凝土構件中的鋼筋過早腐蝕，同樣會給混凝土構件的承載能力帶來很大損失。

在粉煤灰高性能混凝土中，由于粉煤灰的加入，混凝土中水泥用量將減少，即Ca(OH)2的含量將減少。由于粉煤灰高性能混凝土中堿含量的減少，混凝土碳化的速度將加快。Thomas等人曾針對粉煤灰高性能混凝土的碳化隨粉煤灰的加入量的關系進行了試驗[4]，通過實驗得出的結果是：粉煤灰混凝土的碳化速度將隨著粉煤灰的不斷增加而越來越快，但是，當粉煤灰的加入量不大于50%時，粉煤灰混凝土的碳化速度的增加比率處在較慢水平[1，2]。

混凝土的碳化雖然主要是由于混凝土的堿儲備被CO2所消耗，但是CO2進入混凝土的通道——空隙，也對混凝土碳化有著重要的影響。在不加入外加劑的情況下，粉煤灰混凝土的抗滲性行程時間較長[3]。Torii等人的試驗表明：當粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入量達到50%時，粉煤灰高性能混凝土的滲透性增加的速度將非常快[5]。

3 在同種水泥粉的條件下粉煤灰高性能混凝土碳化規律的對比試驗

根據國內外研究資料表明，對于粉煤灰高性能混凝土，其碳化的影響因素主要有：混凝土中的堿儲備、凍融循環、正常使用時CO2的濃度、濕度、粉煤灰的細度、水泥品種等因素。本節在滿足GB/T 50082-2009的要求下，控制水泥粉用量為50%不變的條件下，著重對前兩種因素做控制變量試驗，得出粉煤灰高性能混凝土碳化的規律。

3.1 針對于不同石灰劑量的粉煤灰高性能混凝土碳化試驗

混凝土的碳化主要是由于混凝土中堿儲備不足，尤其是粉煤灰高性能混凝土。由于粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入，導致了堿儲備較普通混凝土來說有所減少。若想提高粉煤灰高性能混凝土的堿儲備，最直接經濟的方法就為在其中加入石灰。同時，伴隨著石灰的加入，粉煤灰混凝土的水化則進行的更為徹底，強度也有所提高。

試驗中采用蚌埠海螺水泥有限公司生產的P.O42.5級水泥；粉煤灰采用淮南平圩電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；集料選用5 mm～10 mm單粒級石灰石碎石。原料的化學組成見表1。

表1 原料的化學組成 %

1)試驗。試驗1控制CO2含量為20%，溫度為20 ℃，濕度為70%，并進行針對于石灰加入劑量和類型的碳化試驗。試驗中摻加熟石灰并控制石灰摻量為0%,5%,10%(占水泥質量)。試驗結果如表2所示。

表2 粉煤灰高性能混凝土碳化深度測試結果(石灰摻量為變量)

2)結論。通過試驗1，可以確定在其他條件不變的前提下，粉煤灰高性能混凝土的碳化能夠隨著石灰加入量的不斷增加而有所改善，因此摻入石灰可以提高粉煤灰高性能混凝土的堿儲量，降低因堿儲量不足而過早使混凝土發生嚴重的碳化的可能。

3.2 針對于凍融循環下的粉煤灰高性能混凝土的碳化試驗

針對于溫度的試驗著重將進行凍融循環作用下粉煤灰高性能混凝土的碳化探究。粉煤灰高性能混凝土經過凍融循環作用后的碳化是非常特殊的，由于混凝土在凍融循環的過程中孔隙率的增加，使得混凝土更容易發生碳化[6]。本文通過四組試件來表明在相同的凍融殘余強度比(相對動彈性模量殘余百分比，本文采用50%時的試件)的情況下粉煤灰高性能混凝土碳化的現象。試驗結果中，部分試件主要是在內部發生碳化而外部無明顯碳化跡象；而其他試件則是在外部發生明顯碳化而內部并無碳化跡象。因此通過傳統的測試方法已經不能很好地表現出粉煤灰高性能混凝土的碳化程度，本文將采用碳化面積法來進行測控。

1)試驗。試驗2控制CO2含量為20%，濕度為70%，并針對凍融循環和堿儲量變化下的碳化規律進行試驗，凍融次數為40次，采用快凍法試驗。試驗結果如表3所示。

表3 凍融循環下粉煤灰高性能混凝土碳化面積試驗結果

2)結論。通過對不同粉煤灰摻量粉煤灰高性能混凝土的凍融循環下的碳化面積試驗，可以確定，隨著凍融殘余強度比的減小，由于粉煤灰高性能混凝土表面出現裂縫，CO2進入試件的通道將進一步擴大，導致試件的碳化程度加劇(見圖1,圖2)。

4 粉煤灰高性能混凝土的碳化規律模型

通過上述兩個試驗，初步確定粉煤灰高性能混凝土在堿儲備有所提高的情況下，碳化程度隨堿儲備的提高而減少。而試驗2著重針對相同的凍融條件下，堿儲備的不同對粉煤灰高性能混凝土碳化的影響。充分模擬了季凍地區的粉煤灰高性能混凝土的使用狀態，并通過試驗得出依據碳化面積為指標的回歸方程如下：

δ=-3×10-6x3+4×10-4x2-8×10-3x+0.445。

其中，δ為混凝土的碳化面積百分率，即碳化面積與粉煤灰高性能混凝土截面面積的比值；x為粉煤灰的摻入量，則石灰摻入量為50%-x。通過三次多項式回歸曲線的模擬，初步建立了在季凍地區粉煤灰高性能混凝土的碳化規律模型，直觀的對設計和施工中如何提高粉煤灰高性能混凝土的性能提出了指導性建議。通過回歸方程可以發現，當粉煤灰的摻入量為11.5%時，碳化程度最小。因此，在進行粉煤灰高性能混凝土設計時，可將混凝土中的粉煤灰含量控制在11.5%左右，并加入38.5%左右的熟石灰提高堿儲量，則可以大幅改善粉煤灰高性能混凝土的碳化情況。

5 結語

粉煤灰高性能混凝土以其優良的流動性、粘聚性和保水性在工程中被廣泛的使用。同時粉煤灰高性能混凝土由于水化熱降低，裂縫出現的幾率也將有所減少，對混凝土后期的強度起到了保證。然而粉煤灰高性能混凝土的堿儲量由于粉煤灰的加入而被削減，從而導致粉煤灰高性能混凝土抗碳化能力降低，使其耐久性減弱。本文通過模擬季凍地區的粉煤灰高性能混凝土的工作狀態和工作條件進行了針對性試驗，通過對試驗結果的二維回歸分析建立了季凍地區粉煤灰高性能混凝土碳化規律的數學模型。通過建立的數學模型給出了碳化程度最小時的粉煤灰加入量與石灰加入量，為設計和施工提供了科學合理的依據。

[1] Kazusuke Kobayashi and Yuichi Uno.Cement and Concrete Research,2012.

[2] 劉 伯.上海市粉煤灰應用技術手冊[M].上海:同濟大學出版社,1995.

[3] 沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1989.

[4] M.D.A.Thomas, J.D.Matthews,Magazine of Concrete Research,1992,44(160):217-228.

[5] K.Torii,K.Taniguchi，M.Kawamura.Cement and Concrete Research,2010.

[6] 陳樹東,孫 偉,余紅發,等.凍融循環作用下粉煤灰混凝土碳化規律研究[J].工業建筑,2012,42(1):133-136.

Experimental research on carbonization law of high-performance fly ash concrete

SUN Shu-bin

(AnhuiHydraulicMinistry·HuaiweiHydraulicScienceAcademy,Bengbu233000,China)

The paper simulates the working conditions of high-performance fly ash concrete in frozen region, establishes the mathematical model of high-performance fly ash concrete carbonization law in frozen region with bi-dimensional regression of the experimental results, and finds out minimum fly ash amount and lime amount of the carbonization, which has provided scientific basis for design and construction.

high-performance fly ash concrete, freeze-thaw cycle, carbonization law

1009-6825(2014)22-0115-02

2014-05-12

孫述彬(1975- )，男，工程師

TU528

A