碳化對植生混凝土堿環境及力學性能的影響

■錢震生（1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

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碳化對植生混凝土堿環境及力學性能的影響

■錢震生1，2
（1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

研究碳化對植生混凝土堿環境及力學性能的影響，分析了碳化對不同齡期植生混凝土pH值及抗壓強度的影響規律。試驗表明，碳化對早齡期植生混凝土的pH值及抗壓強度的影響明顯，3d試件的pH值上升約6%，抗壓強度下降20%以上，而隨著養護齡期的增長，碳化對于植生混凝土的堿環境和力學性能影響不再明顯，通過分析可知，通過碳化實現降低植生混凝土pH值的方式不可行，而延長養護齡期和加入大摻量的活性摻合料則能有效地改善堿環境及其力學性能。

植生混凝土堿環境抗壓強度齡期研究

植生混凝土是一種既能適合植物生長，又具有一定強度的混凝土，可用于城市建筑綠化，又可用于護坡護堤等工程［1］，是一種有良好應用前景的特種混凝土。其具有連續大孔結構，能使植物根系通過混凝土孔隙深入土壤層，同時，植物生長的土壤pH值一般在3.5～9.5范圍［2］，因此，在配制植生混凝土時要重點考慮幾個方面，包括有效孔隙率、強度，以及內部堿環境［3］，目前關于這些方面的研究相對較多，本文主要針對碳化對植生混凝土的堿環境及力學性能方面展開研究。

1試驗原材料

1.1膠凝材料

選擇P.O42.5的煉石牌水泥，由漳州某廠生產的Ⅱ

級粉煤灰，由南京某公司提供的S95級礦粉，其物理力學

性能、化學組成分別如表1所示。

1.2粗骨料

骨料種類為：碎石，其粒徑及級配如表2所示：

1.3減水劑

本課題采用福建省建筑科學研究院生產的TW-PS高效減水劑，其為棕褐色液體，固含量為33%，氯離子含量＜0.4%，硫酸鈉含量＜8.0%，PH值為6，摻量為水泥用量的0.8%～1.2%，減水率可達25%～30%。

1.4增稠劑

選用了聚丙烯酰胺（HPAM）增稠劑，表3、表4為不同水泥漿水灰比下，摻入0.25%增稠度劑前后水泥漿的粘度及剪切應力。

表1膠凝材料的物理力學性能

表2骨料級配情況

表3不同水灰比下旋轉粘度計讀數

2試驗方法

2.1抗壓強度試驗

制備邊長為150mm×150mm×150mm立方體試件，以6塊為一組，參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，取平均值為其代表值。

2.2pH值試驗

參照胡春明［4］的測試方法，將試件放入尺寸為155mm× 155mm×155mm的容器中，加入蒸餾水，以穩定在試件表面以上3mm為準，于24h后取出，測定容器中水的pH值。

3試驗及結果分析

3.1試驗方案設計

根據前期試驗結果，采用優化后的配合比，水膠比為0.27，粉煤灰和礦粉復摻，各為膠凝總量的15%，具體如表5所示。

表5　植生混凝土配合比（kg/m3）

依據表5進行攪拌制樣，成型A、B、C、D、E、F、G、H八組試件，均放置于標準養護室（溫度20±2℃，濕度≥95%）進行養護，其中B、D、F、H四組試件到達一定齡期后先進行碳化試驗后再分別進行pH值和抗壓強度測試，碳化試驗方法及條件依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082-2009執行，但不對試件采取石蠟密封處理，而是直接放入碳化箱內進行碳化，具體齡期及測試項目如表6所示。

表6　測試方案

3.2結果及分析

試驗結果如表7所示。

表7　測試結果

由表7可知，A、C、E、G四組隨著齡期的增長，pH值呈下降趨勢，抗壓強度基本呈上升，但到112d后，強度基本穩定。這主要是由于水化初期C3S和C2S與水反應生成的CH，使得混凝土具有高堿性，但粉煤灰與礦渣具有一定的活性，與CH發生火山灰反應，消耗掉部分CH，使得混凝土體系中堿性下降，降低了pH值，同時隨著火山灰反應的進行，產生了更多的水化硅酸鈣，由于水泥漿的膠凝性能主要取決于水化硅酸鈣的數量［5］，因此，其強度隨之增長，但隨著CH持續消耗，后期水化硅酸鈣的數量不再繼續增加，此時強度基本趨于穩定。對于BDFH四組經過碳化的pH值和抗壓強度趨勢與未碳化的基本相同。趨勢如圖1所示。

圖1　不同齡期混凝土碳化前后的pH值及抗壓強度值

表4　不同水灰比下剪切應力

圖2　3d齡期試件的SEM圖

對于同齡期的未碳化和碳化的結果比較，發現存在以下規律。首先，早齡期碳化后的pH值高于未碳化的混凝土，3d齡期碳化后的pH值從11.63升高到12.28，升高約6%，這似乎與一般經驗不一致，因為按照一般經驗認為，隨著CH被碳化消耗掉，其pH值應該是降低的，但試驗卻與之相反，究其原因可能如下，根據水泥水化過程劃分，3d左右為減速期或穩定期，此時C3S周圍形成一個水化物的微結構層而阻礙了C3S的水化反應［6］，碳化破壞了該層薄膜，從而有利于水份向顆粒內部擴散滲透，加速水化，釋放出更多的CH，導致水溶性pH值升高；圖2為3d齡期試樣的SEM圖，（a）為未碳化試樣，（b）為碳化后的試樣，（a）中可見到水化產物CSH無定形凝膠體及塊狀的CH晶體，而（b）中可見到較多的針柱狀結構的文石，根據何娟等人的研究表明［7］，在水化程度較低時，CSH相比CH更容易碳化，即在3d早期水化程度較低的情況下，碳化主要消耗的是CSH，隨著CSH的消耗及CH的持續釋放，pH值相對于未碳化的混凝土升高了。隨著齡期的增長，水化進一步完全，在本試驗中摻入了膠凝總量30%的活性摻合料的條件下，一方面相對減少了水泥帶來的堿量，另一方面活性摻合料通過水化后期的火山灰反應，進一步消耗CH，從而在齡期達到112d時，降低了整體的pH值，此時，即使未碳化，混凝土中的pH值也已下降至8.69，碳化對于pH值得影響已經不大了，其值為8.65，該試驗亦表明通過大摻量活性摻合料和長齡期養護的方式可以降低植生混凝土中的堿含量。

多數的研究表明，對于緊密堆積型的普通混凝土，碳化能夠一定程度上提高混凝土的抗壓強度，但植生混凝土則與之不同，其為無砂大孔混凝土，以單粒級骨料為骨架，各骨料通過包裹著的漿料點對點粘結在一起，這些部位截面小，當發生碳化的時候，這些部位各點的膠漿料發生了收縮，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗拉應力時便產生了裂紋，成為應力集中區，導致強度下降，從圖1可知，早齡期植生混凝土碳化后的強度下降較明顯，其3d抗壓強度從7.6MPa下降至5.8MPa，強度降低20%以上，這可能是由于早期膠漿料的強度不夠，隨著碳化收縮變形增加，產生裂縫的幾率更大，當齡期足夠長時，膠漿料的水化完成強度增長，同時由于水膠比較低，漿料密實，碳化通常在表面發生，形成具有一定硬度和脆性的碳酸鈣，可能會抵消一部分收縮引起的不利因素，因此，此時碳化對植生混凝土的抗壓強度影響并不明顯，如表5所示，56d時碳化后抗壓強度從18.2MPa下降至17.9MPa，112d時碳化后抗壓強度從18.0MPa上升到18.2MPa，變化較小。

4結論

（1）通過碳化的方法無法降低植生混凝土的pH值，尤其早齡期時候，碳化會提高植生混凝土的pH值，隨著齡期增長，水化反應的進一步完成及活性摻合料對CH的消耗，降低了混凝土中的pH值，此時碳化對pH值的變化影響不大。試驗表明，對于植生混凝土堿環境的改善通過延長養護時間和摻入大摻量活性摻合料的方式實現是可行的。

（2）碳化對植生混凝土早期強度影響大，本試驗中3d齡期混凝土碳化后抗壓強度下降達到20%以上，而隨著齡期增長，碳化對于植生混凝土的抗壓強度影響逐漸不明顯。

（3）試驗表明，對于無砂大孔的植生混凝土，碳化對于其早期的pH值和抗壓強度存在明顯的不利影響，因此應重視其早期的養護。

［1］樊建超，羅仁安，馮輝榮.植物相容型生態混凝土的制備試驗與研究［J］.福建林業科技，2005，9：11-14.

［2］李榮煒，汪守淳，舒國志，等.植被型生態混凝土孔隙內堿環境改造方法研究［J］.新型建筑材料，2014，9：11-14.

［3］陶新明.無砂大孔混凝土配合比設計、成型及養護［J］.混凝土，2010，10：136-141.

［4］胡春明，胡勇有，虢清偉，等.植生型生態混凝土孔隙堿性水環境改善的研究［J］.混凝土與水泥制品，2006（3）：8-10.

［5］P.KumarMehta，PauloJ.M.Monteiro.混凝土微觀結構、性能和材料［M］.中國電力出版社，2007.

［6］袁潤章.膠凝材料學［M］.武漢理工大學出版社，2012.

［7］何娟，楊長輝.硅酸鹽水泥混凝土的碳化分析［J］.硅酸鹽通報，2009，12：1225-1229.