養(yǎng)護(hù)齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能影響研究

王云峰

(中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

隨著國家建材資源逐漸緊缺，混凝土制備技術(shù)也在不斷進(jìn)步，粉煤灰以其可改善混凝土和易性等優(yōu)異性能成為混凝土的主要成分之一[1]。粉煤灰二次水化會降低混凝土的堿性，弱化其抗碳化性能，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕開裂，嚴(yán)重影響其耐久性能。故而，對于較高摻量的粉煤灰混凝土，如何有效提高其抗碳化性能，延長結(jié)構(gòu)使用壽命具有主導(dǎo)性意義。

混凝土抗碳化性能的強(qiáng)弱跟其早期養(yǎng)護(hù)時間成正比關(guān)系[2]。Sulapha P[3]、阿茹罕[4]、朱紅英[5]等研究混凝土標(biāo)養(yǎng)3 d、7 d、14 d、28 d后的碳化性能，結(jié)果表明，延長早期養(yǎng)護(hù)時間可使混凝土抗碳化性能增強(qiáng)；但當(dāng)粉煤灰摻量過多時，這種增強(qiáng)作用并不明顯。Hobbs D W[6]、Sisomphon[7]等通過對比不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土的快速碳化深度發(fā)現(xiàn):經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土碳化深度約為養(yǎng)護(hù)3 d的42.5%。何小軍[8]通過研究長期濕養(yǎng)護(hù)條件下的粉煤灰混凝土抗碳化性能發(fā)現(xiàn):對于粉煤灰摻量和水膠比一高一低情況下，長期濕養(yǎng)護(hù)可顯著提高其抗碳化性能。上述學(xué)者在進(jìn)行混凝土抗碳化性能的研究中著重分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d 和28 d 的混凝土[9－10]，但當(dāng)混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰在混凝土養(yǎng)護(hù)28～90 d期間會發(fā)生二次水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土堿度降低，對其抗碳化性能會產(chǎn)生一定影響[11－12]。

基于以上分析，本文研究水膠比為0.35、0.42、0.50 且經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、56 d、90 d(分別記為 A、B、C條件)的混凝土試件碳化規(guī)律，試件中粉煤灰摻量分別為0%、30%和60%。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d和90 d不僅達(dá)到了常規(guī)混凝土抗碳化性能標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的要求，而且使粉煤灰二次水化作用更為充分，降低了其對混凝土抗碳化性能產(chǎn)生的不確定性影響。根據(jù)水泥－粉煤灰體系非蒸發(fā)水含量以及SEM對混凝土粗骨料界面過渡區(qū)密實程度的觀測結(jié)果，分析其作用機(jī)理。

2 試驗內(nèi)容設(shè)計

2.1 原材料

試驗用膠凝材料采用上思華潤P.O42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰產(chǎn)地為北海鐵山港電廠，指標(biāo)為Ⅱ級，其主要化學(xué)組成和比表面積見表1。粗骨料粒徑為5～31.5 mm，含泥量<0.2%，細(xì)骨料取Ⅱ區(qū)中砂，級配良好，減水劑為聚羧酸系。

表1 試驗用膠凝材料化學(xué)成分和比表面積

2.2 試驗方法

(1)試件制備

根據(jù)表2所列配合比，100×100×400 mm的試件成型后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到預(yù)設(shè)的齡期后停止養(yǎng)護(hù)并參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行快速碳化試驗。

表2 混凝土配合比

(2)水泥－粉煤灰體系非蒸發(fā)水含量測定

通過燒失量法將三種條件下的水泥－粉煤灰體系非蒸發(fā)水含量進(jìn)行測定，據(jù)此對體系中水化產(chǎn)物量值進(jìn)行表征。

(3)粗骨料界面過渡區(qū)SEM試驗

依據(jù)文獻(xiàn)[13]所述，采用壓力破碎法將各條件下試件破碎，利用SEM觀測水泥石和骨料的界面過渡區(qū)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 養(yǎng)護(hù)齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響

水膠比分別為0.35、0.42、0.50時，各階段混凝土碳化深度如圖1所示(注:圖中A表示A養(yǎng)護(hù)條件；B表示B養(yǎng)護(hù)條件；C表示C養(yǎng)護(hù)條件)。

圖1 不同水膠比條件下混凝土碳化深度隨齡期變化曲線

對比圖1中粉煤灰摻量為0%和30%的幾條曲線可以發(fā)現(xiàn):養(yǎng)護(hù)時間延長，混凝土碳化深度逐漸降低；當(dāng)粉煤灰摻量增加到60%，養(yǎng)護(hù)90 d反而導(dǎo)致混凝土碳化深度最大，究其原因大概率因為較長的早期養(yǎng)護(hù)時間激發(fā)了粉煤灰的二次水化作用，消耗了體系中的Ca(OH)2所致。

對比圖2a和圖2b，當(dāng)水膠比為0.35和0.42且粉煤灰含量相同時，B、C條件下混凝土的碳化深度增加值相對于A條件要更小，表明混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間的延長可適當(dāng)增強(qiáng)其抗碳化性能；延長早期養(yǎng)護(hù)時間對于水膠比為0.50的純水泥混凝土其碳化性能表現(xiàn)為逆增長；當(dāng)粉煤灰含量為60%時，延長早期養(yǎng)護(hù)時間對其影響較小。

圖2 三種條件下碳化深度增加值

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期對粉煤灰混凝土抗碳化性能影響的定量分析

定義系數(shù)K1、K2(以下稱為K1、K2值)，K值越接近于1，表明養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土抗碳化作用越不明顯。

式中:M3、M1、M2分別為 A、B、C 養(yǎng)護(hù)條件下混凝土28 d碳化深度增加值，mm。

根據(jù)圖1各齡期碳化數(shù)據(jù)，通過計算得到各組混凝土試塊的K1、K2值，見表3。

表3 各組試塊K1/K2值

對比表3中粉煤灰含量為0%和30%的兩組數(shù)據(jù)，B、C兩種養(yǎng)護(hù)條件下的K1、K2值較為接近，這表明當(dāng)混凝土中粉煤灰含量較低時，較長的養(yǎng)護(hù)齡期仍然不會使其抗碳化性能顯著提高；當(dāng)摻入較大量的粉煤灰(60%)時，水膠比為0.35和0.42的試塊K1、K2值均較低，這表明在此條件下延長早期養(yǎng)護(hù)齡期會顯著提高其抗碳化性能；當(dāng)水膠比為0.35時，B、C條件下混凝土28 d碳化深度增加值僅分別為A條件下的66%和38%。

4 機(jī)理分析

4.1 非蒸發(fā)水含量分析

三種條件下水泥－粉煤灰體系的非蒸發(fā)水含量結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種條件下體系非蒸發(fā)水含量

對比圖3數(shù)據(jù)可知:總體而言，水泥－粉煤灰體系的非蒸發(fā)水含量隨著水膠比的增大而逐漸增加；B、C兩種條件下的數(shù)據(jù)均高于A條件，但相差較小，這表明較長的早期濕養(yǎng)護(hù)時間并不能繼續(xù)促進(jìn)水泥及粉煤灰的水化；當(dāng)含有30%粉煤灰時，各養(yǎng)護(hù)條件下非蒸發(fā)水含量相差較小，密實效應(yīng)占主導(dǎo)地位，在延長養(yǎng)護(hù)齡期時抗碳化性能得以增強(qiáng)；當(dāng)粉煤灰含量為60%，延長養(yǎng)護(hù)齡期雖能使結(jié)構(gòu)變的更為致密但粉煤灰的二次水化消耗體系中Ca(OH)2也會相應(yīng)降低混凝土堿度，進(jìn)而影響其耐久性。

4.2 養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土粗骨料界面過渡區(qū)的影響

粉煤灰摻量為60%，三種條件下混凝土粗骨料界面過渡區(qū)的形貌特征如圖4所示(注:圖片中A為集料；M為水泥石)。

圖4 三種條件下的SEM圖

對比圖4中各SEM圖像，同一養(yǎng)護(hù)條件下，粗骨料界面過渡區(qū)密實程度隨水膠比的增大而逐漸變差；同一水膠比下隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而變得更為密實；當(dāng)水膠比為0.50且粉煤灰含量為60%時，三種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土界面過渡區(qū)密實程度相差不大，這表明對于較高的水膠比和粉煤灰摻量，即使延長早期養(yǎng)護(hù)時間，對粉煤灰混凝土抗碳化性能提高作用仍不明顯。

5 結(jié)束語

(1)粉煤灰摻量和水膠比一高一低時，過渡區(qū)密實效應(yīng)占主導(dǎo)地位，延長養(yǎng)護(hù)齡期可使得粉煤灰混凝土的抗碳化性能明顯提高。

(2)粉煤灰摻量和水膠比均較高或較低時，延長養(yǎng)護(hù)齡期對其界面過渡區(qū)的改善作用并不明顯，早期養(yǎng)護(hù)56 d或90 d均不能有效提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

(3)對于含摻合料混凝土，當(dāng)水膠比較高時，無論摻合料摻量大小，即使延長養(yǎng)護(hù)時間至90 d亦不能使其抗碳化性能明顯提高。