粉煤灰摻量和養護條件不同對混凝土力學性能及抗碳化性能研究

樊耀虎 何 真 蔡新華 劉 磊 王僉書 許桂強 甘祥威

（1 山東春禾新材料研究院有限公司；2 日照日拓建材有限公司；3 青島博碩新型建材有限公司）

0 引言

進入21 世紀以后，隨著我國城鎮化建設進程的不斷加快，建筑行業正處于蓬勃發展時期，每年混凝土的用量也在迅速上升，水泥作為混凝土必不可少的原材料，其用量及價格也在逐年上升，水泥的制造不僅會浪費原材料而且還會對環境造成巨大的污染。而粉煤灰作為工業廢料也越來越多，將其替代水泥作為混凝土摻合料不僅能夠節約成本而且利于環保。目前，有關復雜多變環境下粉煤灰混凝土抗碳化性能影響，國內學者進行了大量的研究[1-3]，通過對不同粉煤灰摻量混凝土的基準碳化、凍融-碳化、干濕-碳化和凍融-干濕-碳化耦合損傷試驗。試驗結果表明：碳化深度與粉煤灰摻量、碳化齡期成正比例增長，凍融循環對碳化深度的影響大于干濕循環，隨著循環次數的增加，碳化深度呈冪函數增長，同時摻加粉煤灰會降低混凝土的堿度，改變其內部的孔結構。陳茜[4]研究了不同摻量粉煤灰及養護條件對固定水膠比和可變水膠比混凝土強度及耐久性的影響。研究結果表明：在固定水膠比條件下，混凝土強度與粉煤灰摻量成反比，抗碳化性能成正比，在可變水膠比條件下，提高粉煤灰摻量，混凝土強度隨之變化較小。崔正龍[5]以骨料、粉煤灰取代率、養護溫度及養護齡期為變量，探明不同養護環境對粉煤灰混凝土強度和抗碳化性能的影響。研究結果表明：摻粉煤灰再生混凝土中長期強度要高于相同養護環境未摻粉煤灰的普通混凝土，對提高混凝土的強度及抗碳化性能非常有利，而伴隨著粉煤灰取代率的增加，水泥用量減少及粉煤灰的水化，都會不同程度上減少或消耗Ca (OH)2，導致pH 值的降低，從而影響抗碳化性能。

然而，目前針對不同養護環境、不同粉煤灰摻量、不同水膠比對粉煤灰混凝土的研究還相對較少，本文通過采用不同養護（標準養護、自然養護）探究粉煤灰摻量和水膠比對粉煤灰混凝土力學性能及抗碳化性能的影響規律。

1 原材料及實驗方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用山東省莒縣恒興有限責任公司生產的P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥；其比表面積為390m2/㎏；

⑵粉煤灰：華能Ⅱ級粉煤灰，其含水率為0.1%，細度為6.9%；

⑶礦粉：日照鋼鐵公司生產的S95 級礦粉，密度為2.8g/cm3；

⑷石子：當地碎石，粒徑5～31.5mm，經測得粗骨料的表觀密度為2700㎏/m3，堆積密度1390㎏/m3，含泥量0.68%，吸水率1.0%，壓碎值6.7%；

⑸砂子：機制砂，表觀密度為2430㎏/m3，堆積密度1280㎏/m3，含泥量5.6%，吸水率1.6%；

⑹減水劑：聚羧酸減水劑；

⑺水：試驗室自來水。

1.2 試驗方法

本文試驗方法和混凝土性能評價采用GB/T5008-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[6]、GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[7]和GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗標準》[8]進行試驗。

1.3 試驗配合比

考慮礦粉固定摻量為20%，粉煤灰摻量采用0%，10%，20%，30%取代水泥，研究粉煤灰混凝土力學性能影響試驗研究，其試驗配合比如表1 所示。

表1 粉煤灰混凝土配合比

2 試驗結果及分析

粉煤灰混凝土的抗壓強度及碳化深度試驗結果見表2。

2.1 水膠比0.46 時，粉煤灰混凝土抗壓強度及抗碳化性能變化規律

從表2 可知：水膠比為0.46 時，粉煤灰混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢。混凝土抗碳化能力隨粉煤灰摻量增加而減弱。粉煤灰摻量為10%時，標準養護下混凝土28d 時抗壓強度最高44.8MPa，與對照組抗壓強度46.4MPa 基本持平。說明混凝土中少量摻加粉煤灰對混凝土的抗壓強度和抗碳化性能影響較少。在相同水膠比和粉煤灰摻量下，粉煤灰混凝土碳化深度根據養護條件不同而有所改變，自然養護條件下混凝土碳化深度比標準養護深。標準養護時，粉煤灰混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，粉煤灰摻量為10%時，粉煤灰混凝土28d 碳化深度最小為4.3mm，小于空白對照組混凝土4.6mm，抗碳化能力最強。自然養護時，粉煤灰摻量為20%時碳化深度最小，為8.1mm。通過試驗對比發現，對于粉煤灰混凝土抗碳化性能而言，不同養護條件下粉煤灰的最佳摻量有所區別。

表2 粉煤灰混凝土試驗結果

由圖1 可知，混凝土的抗碳化性能隨抗壓強度增高而減少，標準養護下的混凝土抗碳化性能優于自然養護，且混凝土的抗壓強度和抗碳化性能隨養護條件的改變而發生變化。

圖1 水膠比0.46 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強度變化規律

2.2 水膠比0.38 時，粉煤灰混凝土抗壓強度及抗碳化性能變化規律

由圖2 可知：兩種養護條件下混凝土抗碳化性能隨抗壓強度變化曲線的斜率基本相似，粉煤灰混凝土的抗碳化能力基本一樣。由表2 可知：無論是自然養護還是標準養護，粉煤灰最佳摻量為20%。此時，標準養護和自然養護下的粉煤灰混凝土的抗壓強度分別為48.3MPa和54.4MPa，對應的碳化深度分別為6.1mm、6.6mm。兩種養護條件相比，標準養護下的粉煤灰混凝土抗碳化性能優于自然養護條件。主要原因是自然養護條件下濕度和溫度根據天氣條件而發生改變，混凝土化學反應較慢，強度增長緩慢，混凝土內部孔隙較多，CO2進入混凝土內部的路徑增多，因此，抗碳化能力較弱。而標準養護條件下，混凝土在恒定的濕度和溫度環境中，養護較為充分，混凝土能夠更加密實，強度較高。混凝土內部孔隙較少，抗碳化能力變強。

圖2 水膠比0.38 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強度變化規律

2.3 水膠比0.34 時，粉煤灰混凝土抗壓強度及抗碳化性能變化規律

由圖3 可知：當混凝土抗壓強度小于45MPa 時，標準養護下的混凝土碳化深度高于自然養護。當混凝土抗壓強度超過45MPa 時，標準養護下的混凝土碳化深度低于自然養護，且混凝土的抗碳化性能碳隨抗壓強度的增加而加強。由表2 和圖3 可知：粉煤灰摻量為10%時，粉煤灰混凝土的抗壓強度最高。超過10%時，混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而加深，強度有所下降。主要原因是混凝土摻入粉煤灰后，粉煤灰作為礦物摻合料代替部分水泥，水泥水化作用生成的堿性物質Ca（OH）2因為水泥的用量減少而降低。會使混凝土中的堿性物質被過度消耗，使其堿度降低，混凝土的抗碳化能力也會隨之變弱，使得碳化速率變快，碳化深度增加。與水膠比0.38、0.46 相比，不論標準養護還是自然養護，混凝土碳化深度均較小。試驗表明：水膠比的降低有利于混凝土抗碳化性能的提升。

圖3 水膠比0.34 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強度變化規律

3 結論

⑴通過試驗可知，在不同養護條件和水膠比下，粉煤灰的摻量不宜超過20%，此時，水膠比為0.46、0.38和0.34 混凝土28d 的碳化深度分別為8.1mm、6.6mm、4.9mm；

⑵在養護條件和粉煤灰摻量相同情況下，粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨水膠比降低而增強；

⑶在相同水膠比和粉煤灰摻量情況下，標準養護條件下粉煤灰混凝土的抗碳化能力強于自然條件養護；

⑷粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨碳化齡期和粉煤灰摻量的增加而降低；

⑸同條件下，粉煤灰混凝土的抗碳化性能與抗壓強度成正比關系。