大摻量粉煤灰對水工混凝土抗碳化性能的影響研究

張志國

（新賓滿族自治縣水務事務服務中心，遼寧 撫順 113200）

鹽漬土中的氯鹽和硫酸鹽等會對水工結構造成嚴重破壞，為保證鹽漬土地區水工結構的抗鹽漬土侵蝕性和整體耐久性，許多研究提出摻火山灰、粉煤灰、偏高嶺土等活性成分改善措施[1-3]。超細粉煤灰會減緩早期強度的發展，而經過熱處理可提升其殘余強度。楊楊等探討了水泥基體抗裂性與粉煤灰之間的相互關系，研究顯示摻40%粉煤灰時基體具有較好的早期抗裂性；劉贊群等從微觀上分析粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕下的劣化機理與特征，結果發現導致其破壞的主要原因是裂縫中生成的石膏、針狀鈣礬石等晶體；范志宏等利用現場暴露試驗揭示了混凝土滲透性與粉煤灰之間的關系，研究發現摻入粉煤灰有利于提升基體的抗滲性；張生營等初步探究了低品質粉煤灰對受力構件及水泥基體的影響，并認為摻量相同條件下粉煤灰品質對抗滲性的影響并不明顯；張超等探討了混凝土中粉煤灰的微集料和活性效應，并提出粉煤灰替代砂的利用方式。

目前，我國粉煤灰年排放量達到7.15億t，將粉煤灰摻合料用于水工混凝土具有顯著的經濟效益[9]。然而，電廠排放達到Ⅰ級和Ⅱ級標準的粉煤灰數量非常有限，排放的Ⅰ級灰僅占5%左右，大部分粉煤灰按照現行分級結果都不能用于低早期強度的水工混凝土，也無法用于結構混凝土[10]。因此，為解決大摻量粉煤灰存在的貧鈣問題，進一步提升低品質粉煤灰的利用率及鹽漬土地區水工結構耐久性，本研究以低品質大摻量粉煤灰為例，通過碳化與抗壓強度試驗探討了是否復摻礦渣粉、粉煤灰摻量、品質等條件下的試件碳化深度。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗材料主要有海螺P·O 42.5級水泥，級配良好天然中砂和5~25mm連續級配碎石，砂、石的表觀密度為2 610kg/m3和2 650kg/m3，瓦房店誠遠S95級礦渣粉和科之杰聚羧酸高效減水劑，大連恒翔粉煤灰廠F類Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰，主要性能參數如表1、表2所示，拌和水為普通自來水。

表1 粉煤灰主要性能參數

表2 礦粉的主要性能參數

1.2 配合比設計

參照《水工混凝土配合比設計規程》和絕對體積法，考慮復摻礦渣粉、粉煤灰摻量和品質等因素設計9種配合比，如表3所示。

表3 試驗配合比設計 kg/m3

其中，S1為基準組，S2~S7為礦渣粉或粉煤灰替代水泥組；S8為大摻量粉煤灰組，以S7為基準S8的超量系數為1.7；S9是用S95礦渣粉替代超量部分混凝土，在不改變水泥與粉煤灰實際用量的條件下，采用礦粉替代部分砂用量，這相當于提升了膠凝材料總量；控制拌合物坍落度為120~150mm，并考慮施工和易性及現場澆筑情況適當調整減水劑摻量。

1.3 試驗方法

根據設計配合比制作300mm×100mm×100mm試件，每種配合比制作12個，其中快速碳化試驗和28d、90d、180d抗壓強度試驗各3個。考慮水工結構實際承載時間和建筑物類型確定混凝土設計齡期，一般選用較長齡期，其中水工混凝土主要為180d或90d。為了兼顧混凝土碳化受密實度及早齡期強度的影響，采用快速碳化試驗測定養護90d的試塊碳化深度。

設定碳化箱的CO2濃度為(20±3)%，溫濕度為(20±2)℃及(70±5)%，養護90d時利用快速碳化法確定碳化3d、7d、14d、28d各組試塊的碳化深度。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

軸心抗壓強度值，如表4所示。

表4 軸心抗壓強度值 MPa

由表4可知，齡期越大試件抗壓強度受礦渣粉與粉煤灰的影響越大，并且粉煤灰組的后期強度呈更加明顯的上升趨勢，S3、S4、S7、S8組的180d為28d齡期強度的2.09倍、1.96倍、1.58倍和1.53倍。摻礦粉組的后期強度的變化趨勢不明顯，S2、S5、S6、S9組的180d為28d齡期強度的1.28倍、1.37倍、1.27倍和1.20倍。

單摻粉煤灰組整體低于基準組的28d強度，而摻礦渣粉組整體高于基準組28d強度。摻礦渣粉和低品質粉煤灰組的180d齡期強度相較于基準組均有所下降，并且降低幅度隨低品質粉煤灰摻量的增大而減小，摻20%的S4組降幅為7.7%，摻37.5%的S7組降幅為21.0%。從變化趨勢上，僅憑28d強度設計礦渣粉與粉煤灰混凝土不夠充分。

粉煤灰品質在一定程度上影響著抗壓強度，摻量相同情況下摻Ⅱ級灰（S3、S5組）較Ⅲ級灰（S4、S6組）試塊180d強度高約15.7%（平均值）。超量取代法對低品質粉煤灰混凝土強度的提升作用有限，S8組180d強度相較于S7組僅增加4.1%，P9組180d強度相較于S7組僅增加10.7%。在設計低品質大摻量粉煤灰配比時，采用礦渣粉替代超量粉煤灰有利于改善其力學強度。

2.2 碳化深度

碳化3d、7d、14d、28d時各組試件的碳化深度如表5所示，摻20%Ⅱ級、Ⅲ級及不摻粉煤灰的S1、S3、S4組試件碳化深度如圖1(a)所示。結果表明，摻粉煤灰組略高于基準組碳化深度，摻Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰組的碳化深度相差較小，說明摻量不超過20%時對抗碳化性能的不利影響較低。因此，對于個別品質指標要求可以適當放寬，在不顯著降低抗碳化和力學性能的情況下提高品質粉煤灰利用率。

圖1 粉煤灰對碳化深度的影響

表5 碳化深度值 單位：mm

摻0%、20%、37.5%和50%Ⅲ級粉煤灰的S1、S4、S7、S8組試件碳化深度如圖1(b)所示，結果顯示隨粉煤灰摻量的增大試件碳化深度逐漸增大，摻Ⅱ級粉煤灰組也表現出相同的變化規律。摻50%Ⅲ級粉煤灰的S8組為S1基準組28d碳化深度的1.4倍，這是因為粉煤灰中的Al2O3、SiO2會消耗Ca(OH)2，生成的水化鋁酸鈣與硅酸鈣降低了液相堿度和堿儲備，從而縮短了碳化中和過程，使得碳化深度增加。

摻40%礦渣粉Ⅲ級灰、Ⅱ級灰和基準組試件的碳化深度，如圖2所示。

圖2 礦粉碳化深度的影響

由圖2可知，礦渣粉的摻入可以在一定程度上改善抗碳化性能，S2與S1組、S5與S3組、S6與S4組相比其28d碳化深度分別減小24.0%、28.4%、9.6%，這是因為礦粉的摻入可以減少漿體口規律，增強漿體堿儲備和基體抗滲性及抗碳化能力[11]。試驗表明，復摻礦渣粉與Ⅲ級粉煤灰組和基準組的抗碳化性能相近，通過復摻適量礦渣粉有利于提高低品質粉煤灰混凝土的抗碳化能力。

S7、S8、S9不同配合比試件的碳化深度，如圖3所示。

圖3 配比設計方法對碳化深度的影響

從圖3可以看出S8組整體高于S7組試件的碳化深度，S8組的3d、7d、14d碳化深度為S7組的2.2倍、1.3倍和1.2倍，并且碳化齡期越長兩者的差距有效，28d時S8組與S7組碳化深度相近。S9組相較于S7、S8組試件的28d碳化深度明顯減小，降幅接近40%。采用礦渣粉替代超量部分的Ⅲ級粉煤灰，由此配制的試件抗碳化性能與基準組相當[12-14]。另外，從表5可以看出S9組180d抗壓強度明顯高于S7和S8組。

3 結 論

1）將低品質粉煤灰摻入水工混凝土會在一定程度降低180d抗壓強度，并且降幅隨摻量的增加而增大。

2）摻量在20%以內時，粉煤灰品質對碳化深度的不利影響相差不大。因此，對于個別品質指標要求可以適當放寬，在不顯著降低抗碳化和力學性能的情況下可以提高品質粉煤灰利用率。

3）水工混凝土抗碳化能力隨低品質粉煤灰摻量的增大而減小，摻量為20%時不會產生顯著影響，摻量達到50%時會顯著增大碳化深度，復摻礦渣粉有利于增強低品質粉煤灰混凝土的抗碳化能力。為提高混凝土強度和抗碳化性能提出低品質大摻量粉煤灰與礦渣粉復摻的方法，為資源化利用礦渣和粉煤灰等提供數據支持。