摻粉煤灰和引氣劑混凝土的碳化性能研究
2006-05-12 00:00
摘 要： 研究了普通混凝土、粉煤灰混凝土、引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土等四類混凝土的抗碳化性能和氣體滲透性能。結(jié)果表明：在同強(qiáng)度條件下，引氣型混凝土的抗碳化性能顯著高于普通混凝土。在同水膠比下，隨含氣量增大，引氣型混凝土的抗碳化性能下降。各類型混凝土碳化前氣體滲透系數(shù)與碳化深度不存在相關(guān)性，碳化后的氣體滲透系數(shù)與碳化深度存在一定的相關(guān)性。
關(guān)鍵詞： 粉煤灰； 引氣劑； 碳化； 氣體滲透性
粉煤灰在混凝土中應(yīng)用廣泛，摻加引氣劑可改善混凝土韌性，提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性等。一般認(rèn)為粉煤灰取代水泥后，水泥用量減少及Ca(O H)2二次反應(yīng)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部堿度降低，不利于混凝土的抗碳化性能。但粉煤灰對(duì)混凝土抗碳化性能影響程度存在爭(zhēng)議，引氣劑對(duì)混凝土抗碳化性能的影響尚未見(jiàn)報(bào)道?；炷恋奶蓟俣扰cCO2 向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度有密切關(guān)系，因此改善孔結(jié)構(gòu)提高混凝土的抗碳化性能是一條有效途徑。研究表明，摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰和引氣劑后，混凝土的孔結(jié)構(gòu)得到了明顯改善，混凝土氣體滲透系數(shù)均明顯降低，有利于混凝土抗碳化性能的提高，因而探討粉煤灰、引氣劑及兩者復(fù)合使用后，混凝土的碳化性能、氣體滲透性能及其相關(guān)性，對(duì)混凝土的碳化性能研究具有積極意義。
1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法
試驗(yàn)原材料包括：42. 5 中熱水泥、中砂(細(xì)度模數(shù)2. 61) 、5mm～30mm 碎石(級(jí)配見(jiàn)表1) 、鴨河口Ⅰ級(jí)粉煤灰(指標(biāo)見(jiàn)表2) 、ZB-1A 萘系高效減水劑(減水率為24 %，坍落度控制在30mm～50mm) 、DH9 引氣劑。
試驗(yàn)研究
為研究摻有粉煤灰和引氣劑砼的碳化性能和氣體滲透性能，設(shè)計(jì)了3 個(gè)水膠比8 組砼配合比，見(jiàn)表3 ；分別比較同強(qiáng)度不同類型砼的碳化及氣體滲透性能，同水膠比，引氣劑含氣量不同的砼和F 引氣砼的性能。
砼碳化試驗(yàn)方法 將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天的砼試件放入CCB - 70 型砼碳化儀，按GBJ 82-85 分別測(cè)試不同碳化時(shí)間下的碳化深度。混凝土的氣體滲透系數(shù)試驗(yàn)方法參照RIL EM 推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1 碳化與時(shí)間的關(guān)系
表4 列出了砼碳化深度隨時(shí)間的變化值，我們對(duì)測(cè)試的碳化深度和時(shí)間采用函數(shù)d =at1/ 2 形式進(jìn)行了回歸，其中d 為碳化深度，a 為碳化速度，t 為碳化時(shí)間，r 為相關(guān)系數(shù)。從表4 可看出，除個(gè)別配比外，四種類型砼的碳化深度與時(shí)間存在較好的相關(guān)性，即摻加粉煤灰和引氣劑的砼的碳化，隨時(shí)間的變化規(guī)律基本符合碳化深度與時(shí)間的平方根成正比關(guān)系。但也可以看到普通砼與F 砼的a 值差別很小，這是因?yàn)橛绊戫盘蓟囊蛩睾芏?，在碳化的不同階段，砼的一些特征參量如滲透性和堿含量均發(fā)生不同程度的變化，用單個(gè)變量a 并不能準(zhǔn)確反映兩者在不同時(shí)期碳化深度的差異； 與普通砼相比，引氣砼的a 值顯著降低，a 僅為1.46～2.34 ，隨含氣量的增大，a 值有所增大； 同時(shí)摻加粉煤灰和引氣劑后砼的a 值與引氣砼的差別不大，a 值范圍在1.71～2.31 之間。
2. 2 同強(qiáng)度不同類型砼的碳化性能
圖1 顯示了28d 時(shí)同強(qiáng)度不同類型砼的碳化深度隨時(shí)間變化的規(guī)律，可看到F 砼在前期的碳化深度較普通砼顯著提高，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)兩者差距減小，到90d后F 砼的碳化深度小于普通砼。砼引氣后(引氣砼和F 引氣砼) ，除F 引氣砼14d 碳化深度略高外，其余碳化深度均低于普通砼的碳化深度，且隨時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)更加明顯，碳化至125d 時(shí)，引氣砼和F 引氣砼的碳化深度僅為普通砼的1/ 2 左右，而引氣砼和F 引氣砼在同強(qiáng)度時(shí)的碳化深度差別不大，后者比前者略高。28d 時(shí)同強(qiáng)度的F砼與普通砼的碳化深度相比，先高后低，與F 砼本身的特性有關(guān)，粉煤灰的摻入有正負(fù)兩方面的作用，一方面由于水泥用量的減少，水化產(chǎn)生的Ca(OH)2 減少，堿儲(chǔ)備降低，造成其吸收CO2 的能力降低，對(duì)抗碳化不利； 另外一方面，粉煤灰的火山灰效應(yīng)有利于砼長(zhǎng)期抗?jié)B性的提高，砼進(jìn)行碳化時(shí)，處于70 %左右的相對(duì)濕度環(huán)境下，水化在繼續(xù)進(jìn)行，隨著齡期增長(zhǎng)，粉煤灰的二次水化填充效應(yīng)可顯著改善砼的孔結(jié)構(gòu)，使砼的抗?jié)B性顯著提高。而砼引氣后，大量微小的氣泡占據(jù)了砼中的自由空間，破壞了毛細(xì)管的連續(xù)性，這樣就使砼的抗?jié)B性得到改善，同強(qiáng)度引氣砼和F 引氣砼的氣體滲透系數(shù)僅為普通砼的1/2 和1/6 ，因此它們的抗碳化性能顯著提高。
2. 3 含氣量對(duì)砼碳化性能的影響
砼引氣后其抗碳化性能有較大幅度的提高，但含氣量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致砼的抗碳化性能降低，從圖2 、圖3 可看到在同水灰比(水膠比) 時(shí)，隨含氣量增大砼的碳化深度有所增大，當(dāng)碳化時(shí)間為125d 時(shí)，引氣砼的含氣量從2.5 %提高到4.5 %和6.0 %時(shí)，碳化深度分別增加了24 %和53 %。F 引氣砼的含氣量從2.8 %提高到4.5 %和6.0 %時(shí)，碳化深度分別增加了18 %和27 %。在同水灰比(水膠比) 時(shí)，含氣量高到一定程度，總孔隙率增大，微小氣孔聚集形成較大的孔，使孔結(jié)構(gòu)劣化，孔易于形成連通，導(dǎo)致砼的抗?jié)B性下降。
2. 4 砼的氣體滲透性能與碳化的關(guān)系
碳化對(duì)氣體滲透性能的影響 碳化與氣體在砼中的滲透過(guò)程有密切關(guān)系，但碳化又不是一個(gè)純氣體滲透的物理過(guò)程，CO2 氣體滲入砼后與砼中組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響氣體繼續(xù)向其中滲透的能力，因此，碳化是物理和化學(xué)相互作用的過(guò)程。隨著碳化的進(jìn)行砼的氣體滲透性能也在發(fā)生變化，分別測(cè)試四種類型砼在碳化前后的氣滲系數(shù)，見(jiàn)表5 ?？梢钥吹狡胀藕鸵龤忭盘蓟髿鉂B系數(shù)有較大幅度的降低，而摻加粉煤灰的砼碳化后，氣滲系數(shù)則有不同程度的提高，這與不同類型砼碳化前后的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化有關(guān)。普通砼和引氣砼碳化后，CaCO3 填充于毛細(xì)孔中，使硬化水泥漿體和總孔隙率降低，孔徑也得到細(xì)化，有利于抗?jié)B性的提高； 而F砼及F 引氣砼碳化后，雖然CaCO3 填充部分毛細(xì)孔隙，總孔隙率降低，但硬化漿體內(nèi)孔徑有所粗化，毛細(xì)孔( > 30nm) 增加，其抗?jié)B反而降低了。
氣滲系數(shù)與碳化深度的相關(guān)性 滲透對(duì)砼的碳化有顯著影響，砼的碳化速度很大程度上是由CO2 在砼中擴(kuò)散速度決定的，而擴(kuò)散速度與砼的抗?jié)B性相關(guān)，比起水滲透性能來(lái)，氣體滲透性能更能反映其碳化特性。Dhir 等人認(rèn)為，砼的氣體滲透性系數(shù)與碳化深度存在指數(shù)關(guān)系，用氣體滲透系數(shù)可很好的反映砼的抗碳化性能。
經(jīng)對(duì)4 種類型砼在不同碳化時(shí)間下的碳化深度與氣體滲透系數(shù)進(jìn)行了回歸分析。圖4 為砼碳化前的氣滲系數(shù)與砼14d 的碳化深度的關(guān)系。圖5 為砼碳化后氣滲系數(shù)與125d 碳化深度的關(guān)系。由圖可見(jiàn)4 種類型砼在不同碳化階段與氣體滲透性能的相關(guān)程度有很大的差別：在碳化前期，氣滲系數(shù)與碳化深度基本上不存在相關(guān)性，而碳化后期兩者具有一定的相關(guān)性。
因此，砼在碳化過(guò)程同時(shí)受物理及化學(xué)兩方面因素影響，對(duì)于普通砼來(lái)講，氣體滲透性能是影響碳化的主導(dǎo)因素； 而含大摻量混合材的砼，砼中的堿儲(chǔ)備對(duì)碳化的影響大，碳化受砼吸收CO2氣體的能力控制，化學(xué)作用可能成為主導(dǎo)因素。因而，不難理解不同類型砼在碳化前期，氣滲系數(shù)與碳化深度的相關(guān)性較差，而隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)砼中CaO 逐漸被碳化完后，砼的氣體滲透性能就能較好的反映它的碳化深度。
3 結(jié) 論
①同強(qiáng)度粉煤灰砼90d 前的碳化深度大于普通砼，90d 后的碳化深度低于普通混凝土。
②同強(qiáng)度的普通砼和粉煤灰砼，引氣后的碳化深度顯著降低。
③在同水膠比下，隨含氣量的增大，引氣砼和粉煤灰引氣砼的抗碳化性能下降。
④各種類型砼碳化前的氣體滲透系數(shù)與碳化深度不存在相關(guān)性，碳化后的氣體滲透系數(shù)與碳化深度存在一定的相關(guān)性。
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