活性摻合料對混凝土抗碳化性能影響的研究

王藝霖,王順堯,劉巧玲

(山東建筑大學土木工程學院，建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，濟南 250101)

0 引 言

碳化是造成混凝土耐久性能劣化的主要因素之一，與之相關的研究正在不斷深化[1-3]。目前在實際工程中廣泛采用摻入活性摻和料(礦粉、粉煤灰、硅灰等)的高性能混凝土以滿足日益提高的耐久性能要求。活性摻和料能在改善混凝土孔隙與界面結構的同時參與水化反應，提高混凝土密實性，增加CO2和水分的滲入難度。相關學者對高性能混凝土的碳化機理與規律進行了專題研究:如容志剛等[4]的研究表明,單摻礦粉及復摻粉煤灰和礦粉都能有效地減小混凝土的碳化深度；徐飛[5]針對復摻礦粉和粉煤灰的情況提出了抗碳化性能的定量設計方法；伏程紅等[6]發現高摻量的礦渣-粉煤灰基混凝土具有良好的抗碳化性能；楊益等[7]給出了影響復摻礦粉和粉煤灰的再生混凝土碳化深度的主要因素及其主次順序。

為進一步提升混凝土的抗碳化性能，可在確保漿體流動性的同時摻入減水劑，以提高水泥石密實度。減水劑的效果主要由兩方面決定：吸附效率和其在膠凝材料顆粒上的穩定能力(靜電斥力和空間位阻作用)。同時減水劑還能引入均勻且封閉的小氣泡，這些小氣泡在外界CO2及水分進入混凝土內部的路徑上起到阻礙作用。常用的減水劑包括聚羧酸系、萘系、脂肪族高效減水劑(SAF)等。彭華娟等[8]研究了同時摻入粉煤灰及聚羧酸減水劑的情況，發現當粉煤灰和聚羧酸減水劑的摻量分別為膠凝材料的30%及1.2%時，混凝土抗碳化性能最佳。張愷等[9]研究了粉煤灰、礦粉、聚羧酸減水劑摻量對水工混凝土抗碳化性能的影響規律，發現聚羧酸減水劑摻量為1.0%(質量分數)的混凝土具有最強的抗碳化性能。在減水劑摻量相同時，粉煤灰摻量越低且礦粉摻量越多的混凝土具有越強的抗碳化性能。趙晶等[10]的研究表明，聚羧酸減水劑的摻入能提高活性摻合料混凝土的抗碳化性能及抗氯離子滲透性能。

值得注意的是，張燕梅[11]對摻不同種類減水劑混凝土進行效果對比，研究表明，單摻SAF的混凝土試樣抗碳化性能最好。這是因為SAF是線性縮聚物，主要原料為甲醛、丙酮、亞硫酸鹽，能降低膠凝材料顆粒表面的動電電位，具有良好的靜電分散效果。

但目前針對摻SAF混凝土在復摻礦粉、粉煤灰情況下的抗碳化性能還有待深入研究。為了給SAF混凝土的耐久性分析與設計提供技術依據，本文將研究兩種強度等級(C30和C45)、兩種齡期(28 d和120 d)、七種不同的復摻比例，通過試驗研究來建立對其抗碳化性能的影響規律。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：山東山水水泥集團有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉：山東齊河永通實業有限公司生產的S95級礦粉；粉煤灰：山東鄒縣電廠的I級高鈣粉煤灰。水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學成分和技術指標分別如表1和表2所示。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學成分及其質量分數

表2 水泥、粉煤灰和礦粉的主要技術指標

粗細骨料：細骨料為細度模數2.7的河砂；粗骨料為粒徑5～31.5 mm的碎石，壓碎值為13.8%(質量分數)；骨料級配均符合JGJ 52—2006的要求。

水：自來水。

減水劑：山東華迪建筑科技有限公司生產的BF脂肪族減水劑。

選定混凝土強度等級C30和C45,坍落度控制指標為190～220 mm，對各強度等級混凝土試件設計7種配合比(分別編號A～G)，如表3所示。

表3 C30和C45混凝土試件的配合比

1.2 試驗方法

對各配合比的混凝土采用Jzjie混凝土碳化試驗箱在兩個齡期(28 d和120 d)進行了快速碳化試驗[12]。共制作28組尺寸的100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件(見圖1)。為實現單向碳化，對各試件的四個表面進行封蠟處理，只保留兩個相對的表面(見圖2)。

圖2 試件封蠟

碳化箱內的CO2濃度為(20±3)%(體積分數)，溫度為(20±2) ℃。每個試件的加速碳化時間為3 d，然后取出劈開并噴涂1%(質量分數)的酚酞酒精溶液來測定碳化深度。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

測定各編號混凝土試件的28 d抗壓強度，結果如圖3所示。C30混凝土試件的強度平均值為39.32 MPa,C45混凝土試件的強度平均值為53.86 MPa。可見，實測強度均達到了預期強度。圖4為混凝土試件28 d抗壓強度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關系。由圖4可知，兩種不同等級強度混凝土的28 d抗壓強度均隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。

圖3 混凝土試件的28 d抗壓強度

圖4 混凝土試件28 d抗壓強度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關系

2.2 碳化深度

(1)不同齡期和強度等級SAF混凝土試件的碳化深度

混凝土試件的28 d碳化深度試驗結果如圖5所示。其中，C30各組試件的3 d平均碳化深度為7.73 mm；C45各組試件的3 d平均碳化深度為4.37 mm。由圖5可知，C45混凝土28 d的碳化深度明顯小于C30混凝土，這是由于C30混凝土的水膠比為0.41和0.40，C45混凝土的水膠比僅為0.34和0.33。水膠比越小，則混凝土內部的孔隙率越小、孔徑越細，越能減緩CO2及水分通過混凝土的毛細組織或孔隙通道由表及里地向內擴散，表現為碳化深度越小。

圖5 混凝土試件的28 d碳化深度

混凝土試件的120 d碳化深度試驗結果如圖6所示。其中，C30各組試件的3 d平均碳化深度為6.84 mm；C45各組試件的3 d平均碳化深度為3.44 mm。由圖6可知，隨著齡期的增長，混凝土的碳化深度明顯減小，這是因為更長的齡期使膠凝材料的水化更加充分，同時粉煤灰的活性經與礦粉相互激發后得到增強，對混凝土的后期密實度及強度貢獻較大，促進了抗碳化能力的提高。

圖6 混凝土試件的120 d碳化深度

(2)碳化深度受礦粉和粉煤灰摻量比例變化的影響

由圖5、6可知，C45混凝土試件碳化深度的變化曲線比C30混凝土試件碳化深度的變化曲線更平滑，意味著當混凝土等級較高時，其抗碳化性能受礦粉和粉煤灰摻量相對比例變化的影響會較小。這是因為C30和C45混凝土各配合比中的礦粉與粉煤灰摻量之和均為170 kg/m3，但水泥摻量分別為230 kg/m3、300 kg/m3(見表3)。較多的水泥摻量意味著混凝土中會有較多的堿性產物Ca(OH)2，混凝土堿性與抗碳化性能受礦粉和粉煤灰摻量相對比例變化的影響程度會下降。因此當礦粉和粉煤灰摻量的相對比例變化時，C45混凝土試件對應曲線的平滑程度要高于C30混凝土試件。

2.3 抗碳化性能的最優配合比

C30、C45混凝土試件的碳化深度與礦粉、粉煤灰摻量比例的關系分別如圖7、圖8所示。

28 d和120 d齡期試件的3 d碳化深度情況：按A～G的順序遞減，C30G、C45G的碳化深度分別最小，因此抗碳化性能的最優配合比為C30G、C45G。結合圖7和圖8來看，抗碳化性能隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。當礦粉摻量與膠凝材料總質量之比分別達到37.5%和31.9%時，C30和C45混凝土的抗碳化性能達到最佳。

圖7 C30混凝土28 d和120 d的碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例的關系

碳化是混凝土內部的堿性物質Ca(OH)2與外界滲入的CO2及水分發生反應的過程，因此可從內、外兩方面來分析礦粉和粉煤灰摻量的影響。根據表3可知，C30和C45混凝土試件中礦粉與粉煤灰的總摻量均一致，因此重點分析二者相對摻量不同時的影響規律。

圖8 C45混凝土在28 d和120 d齡期的碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例的關系

礦粉和粉煤灰均含有較多Ca、Si、Al、氧化物等活性物質，會發生二次水化反應(火山灰反應)。但礦粉的比表面積大于粉煤灰顆粒，且具有較高的活性物質玻璃體含量，會發生遇堿的玻璃體解聚反應及遇水泥中石膏的活性釋放反應，使礦粉火山灰反應的進行程度大于粉煤灰[13]。在單摻數量相同時，礦粉能產生更多的水化硅酸鈣產物[14]。因此，礦粉的摻量比例越大，會生成越多的C-S-H凝膠，更好地填充水泥石孔隙(尤其是直徑d≥50 nm的連通孔)，改善孔結構并增加密實性，同時也能增強漿體與骨料的膠凝性能，改善水泥石與骨料的界面結構，降低界面過渡層的孔隙率。

部分未參與火山灰反應的礦粉和粉煤灰顆粒由于平均粒徑小于水泥，均能對水泥顆粒產生二級填充效應，并促進水泥顆粒的分散，提高水泥水化反應的充分性，減少水泥初期水化物的相互搭接，從而提高水泥石密實度[15]。但礦粉的比表面積比粉煤灰顆粒更大，顆粒粒徑更微小(10 μm左右)，能更好地起到微骨料作用，對水泥石中微孔隙狀況的改善效果更加明顯和均勻，對CO2及水分滲入的阻礙效果更好。此外，若未參與火山灰反應的粉煤灰顆粒過多，可能會覆蓋在漿體周圍界面，影響水泥石內部微孔隙的填充效果，甚至會導致混凝土內部結構疏松化，增加初始微裂隙。

因此綜合來看，在總摻量一致的情況下，粉煤灰摻量越低，礦粉摻量越高，則越有利于提高SAF混凝土的抗碳化性能。

由于混凝土內部的密實度與孔結構也反映于外在的抗壓強度指標，根據這一機理分析，C30G、C45G試件的抗壓強度也應該是同級最高的，這與圖3的試驗結果完全一致。

2.4 碳化深度隨齡期增長的衰減幅度與粉煤灰摻量比例之間的關系

C30、C45混凝土試件在28 d和120 d齡期的碳化深度差值與粉煤灰摻量比例的關系如圖9所示。

圖9 混凝土試件在28 d和120 d齡期的碳化深度差值與粉煤灰比例的關系

由圖9可知，當齡期從28 d增加到120 d時，C30、C45混凝土試件的碳化深度下降值均隨粉煤灰摻量比例的下降而減小。這是因為粉煤灰的活性發揮晚于礦粉。隨齡期增長，粉煤灰會促進混凝土后期密實度及抗碳化性能的提升。因此當齡期增加時，粉煤灰摻量比例較大的試件其抗碳化性能的提高幅度較大，對應于碳化深度的下降幅度也較大。

2.5 碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量占膠凝材料總質量比例之間的定量關系

令混凝土碳化深度為y，mm；礦粉摻量占膠凝材料總質量的質量分數為x1，%；粉煤灰摻量占膠凝材料總質量的質量分數為x2，%。則根據表3可知：對C30混凝土，x1+x2=42.5%；對C45混凝土，x1+x2=36.2%。

下面選取x1為自變量，y為因變量，考察定量關系。

(1)C30混凝土碳化深度y與礦粉摻量比例x1的關系

圖10為C30混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關系。根據圖10可建立C30混凝土在28 d和120 d齡期y與x1之間的數學關系分別如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

(2)C45混凝土碳化深度y與礦粉摻量比例x1的關系

圖11為C45混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關系。根據圖11可建立C45混凝土在28 d和120 d齡期y與x1之間的數學關系分別如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

圖10 C30混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關系

圖11 C45混凝土碳化深度與礦粉摻量比例的關系

3 結 論

本文對SAF混凝土所摻質量分別占膠凝材料總質量3.15%和4%的C30、C45混凝土進行了復摻礦粉、粉煤灰(總的質量摻量占膠凝材料總質量之比分別為42.5%和36.2%)下28 d和120 d齡期的抗碳化性能試驗，總結了強度等級、齡期、礦粉/粉煤灰復摻比例對SAF混凝土抗碳化性能的影響規律。研究結果表明：

(1)混凝土試件的抗壓強度與抗碳化性能主要取決于水泥石的微觀結構和界面過渡區的特征。降低水膠比、延長養護齡期都會使同等條件下的混凝土抗壓強度提高、抗碳化能力增強。

(2)混凝土試件的抗碳化性能隨礦粉摻量的上升、粉煤灰摻量的下降而提高。C30、C45混凝土抗碳化性能的最優配合比分別為C30G(礦粉摻量占膠凝材料總質量的質量分數為37.5%)、C45G(礦粉摻量占膠凝材料總質量的質量分數為31.9%)。

(3)粉煤灰摻量比例較大的SAF混凝土，碳化深度隨齡期增加時的下降幅度也較大。

(4)低強度SAF混凝土的抗碳化性能受礦粉/粉煤灰摻量相對比例變化的影響程度要大于高強度SAF混凝土。

此外，本文建立了混凝土碳化深度與礦粉/粉煤灰摻量比例之間的回歸模型，為SAF混凝土抗碳化性能的分析與設計提供了一定的技術支撐。