掺粉煤灰和引气剂混凝土的碳化性能研究

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摘　要： 研究了普通混凝土、粉煤灰混凝土、引气混凝土和粉煤灰引气混凝土等四类混凝土的抗碳化性能和气体渗透性能。结果表明：在同强度条件下，引气型混凝土的抗碳化性能显著高于普通混凝土。在同水胶比下，随含气量增大，引气型混凝土的抗碳化性能下降。各类型混凝土碳化前气体渗透系数与碳化深度不存在相关性，碳化后的气体渗透系数与碳化深度存在一定的相关性。关键词： 粉煤灰； 引气剂； 碳化； 气体渗透性 粉煤灰在混凝土中应用广泛，掺加引气剂可改善混凝土韧性，提高混凝土的抗渗性、抗冻性等。一般认为粉煤灰取代水泥后，水泥用量减少及Ca(O H)2二次反应导致混凝土内部碱度降低，不利于混凝土的抗碳化性能。但粉煤灰对混凝土抗碳化性能影响程度存在争议，引气剂对混凝土抗碳化性能的影响尚未见报道。混凝土的碳化速度与CO2 向混凝土内部的扩散速度有密切关系，因此改善孔结构提高混凝土的抗碳化性能是一条有效途径。研究表明，掺优质粉煤灰和引气剂后，混凝土的孔结构得到了明显改善，混凝土气体渗透系数均明显降低，有利于混凝土抗碳化性能的提高，因而探讨粉煤灰、引气剂及两者复合使用后，混凝土的碳化性能、气体渗透性能及其相关性，对混凝土的碳化性能研究具有积极意义。1试验原材料及试验方法 试验原材料包括：42. 5 中热水泥、中砂(细度模数2. 61) 、5mm～30mm 碎石(级配见表1) 、鸭河口Ⅰ级粉煤灰(指标见表2) 、ZB-1A 萘系高效减水剂(减水率为24 %，坍落度控制在30mm～50mm) 、DH9 引气剂。 试验研究 为研究掺有粉煤灰和引气剂砼的碳化性能和气体渗透性能，设计了3 个水胶比8 组砼配合比，见表3 ；分别比较同强度不同类型砼的碳化及气体渗透性能，同水胶比，引气剂含气量不同的砼和F 引气砼的性能。 砼碳化试验方法　将标准养护28 天的砼试件放入CCB - 70 型砼碳化仪，按GBJ 82-85 分别测试不同碳化时间下的碳化深度。混凝土的气体渗透系数试验方法参照RIL EM 推荐标准进行。2 　试验结果与讨论
2. 1 　碳化与时间的关系 表4 列出了砼碳化深度随时间的变化值，我们对测试的碳化深度和时间采用函数d =at1/ 2 形式进行了回归，其中d 为碳化深度，a 为碳化速度，t 为碳化时间，r 为相关系数。从表4 可看出，除个别配比外，四种类型砼的碳化深度与时间存在较好的相关性，即掺加粉煤灰和引气剂的砼的碳化，随时间的变化规律基本符合碳化深度与时间的平方根成正比关系。但也可以看到普通砼与F 砼的a 值差别很小，这是因为影响砼碳化的因素很多，在碳化的不同阶段，砼的一些特征参量如渗透性和碱含量均发生不同程度的变化，用单个变量a 并不能准确反映两者在不同时期碳化深度的差异； 与普通砼相比，引气砼的a 值显著降低，a 仅为1.46～2.34 ，随含气量的增大，a 值有所增大； 同时掺加粉煤灰和引气剂后砼的a 值与引气砼的差别不大，a 值范围在1.71～2.31 之间。2. 2 　同强度不同类型砼的碳化性能 图1 显示了28d 时同强度不同类型砼的碳化深度随时间变化的规律，可看到F 砼在前期的碳化深度较普通砼显著提高，但随着时间增长两者差距减小，到90d后F 砼的碳化深度小于普通砼。砼引气后(引气砼和F 引气砼) ，除F 引气砼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，且随时间增长的趋势更加明显，碳化至125d 时，引气砼和F 引气砼的碳化深度仅为普通砼的1/ 2 左右，而引气砼和F 引气砼在同强度时的碳化深度差别不大，后者比前者略高。28d 时同强度的F砼与普通砼的碳化深度相比，先高后低，与F 砼本身的特性有关，粉煤灰的掺入有正负两方面的作用，一方面由于水泥用量的减少，水化产生的Ca(OH)2 减少，碱储备降低，造成其吸收CO2 的能力降低，对抗碳化不利； 另外一方面，粉煤灰的火山灰效应有利于砼长期抗渗性的提高，砼进行碳化时，处于70 %左右的相对湿度环境下，水化在继续进行，随着龄期增长，粉煤灰的二次水化填充效应可显著改善砼的孔结构，使砼的抗渗性显著提高。而砼引气后，大量微小的气泡占据了砼中的自由空间，破坏了毛细管的连续性，这样就使砼的抗渗性得到改善，同强度引气砼和F 引气砼的气体渗透系数仅为普通砼的1/2 和1/6 ，因此它们的抗碳化性能显著提高。2. 3 　含气量对砼碳化性能的影响 砼引气后其抗碳化性能有较大幅度的提高，但含气量过大会导致砼的抗碳化性能降低，从图2 、图3 可看到在同水灰比(水胶比) 时，随含气量增大砼的碳化深度有所增大，当碳化时间为125d 时，引气砼的含气量从2.5 %提高到4.5 %和6.0 %时，碳化深度分别增加了24 %和53 %。F 引气砼的含气量从2.8 %提高到4.5 %和6.0 %时，碳化深度分别增加了18 %和27 %。在同水灰比(水胶比) 时，含气量高到一定程度，总孔隙率增大，微小气孔聚集形成较大的孔，使孔结构劣化，孔易于形成连通，导致砼的抗渗性下降。 2. 4 　砼的气体渗透性能与碳化的关系 碳化对气体渗透性能的影响　碳化与气体在砼中的渗透过程有密切关系，但碳化又不是一个纯气体渗透的物理过程，CO2 气体渗入砼后与砼中组分发生化学反应使砼内部结构发生变化，影响气体继续向其中渗透的能力，因此，碳化是物理和化学相互作用的过程。随着碳化的进行砼的气体渗透性能也在发生变化，分别测试四种类型砼在碳化前后的气渗系数，见表5 。可以看到普通砼和引气砼碳化后气渗系数有较大幅度的降低，而掺加粉煤灰的砼碳化后，气渗系数则有不同程度的提高，这与不同类型砼碳化前后的孔结构发生的变化有关。普通砼和引气砼碳化后，CaCO3 填充于毛细孔中，使硬化水泥浆体和总孔隙率降低，孔径也得到细化，有利于抗渗性的提高； 而F砼及F 引气砼碳化后，虽然CaCO3 填充部分毛细孔隙，总孔隙率降低，但硬化浆体内孔径有所粗化，毛细孔( > 30nm) 增加，其抗渗反而降低了。 气渗系数与碳化深度的相关性　渗透对砼的碳化有显著影响，砼的碳化速度很大程度上是由CO2 在砼中扩散速度决定的，而扩散速度与砼的抗渗性相关，比起水渗透性能来，气体渗透性能更能反映其碳化特性。Dhir 等人认为，砼的气体渗透性系数与碳化深度存在指数关系，用气体渗透系数可很好的反映砼的抗碳化性能。 经对4 种类型砼在不同碳化时间下的碳化深度与气体渗透系数进行了回归分析。图4 为砼碳化前的气渗系数与砼14d 的碳化深度的关系。图5 为砼碳化后气渗系数与125d 碳化深度的关系。由图可见4 种类型砼在不同碳化阶段与气体渗透性能的相关程度有很大的差别：在碳化前期，气渗系数与碳化深度基本上不存在相关性，而碳化后期两者具有一定的相关性。 因此，砼在碳化过程同时受物理及化学两方面因素影响，对于普通砼来讲，气体渗透性能是影响碳化的主导因素； 而含大掺量混合材的砼，砼中的碱储备对碳化的影响大，碳化受砼吸收CO2气体的能力控制，化学作用可能成为主导因素。因而，不难理解不同类型砼在碳化前期，气渗系数与碳化深度的相关性较差，而随着碳化时间的延长，当砼中CaO 逐渐被碳化完后，砼的气体渗透性能就能较好的反映它的碳化深度。3 　结　　论
①同强度粉煤灰砼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同强度的普通砼和粉煤灰砼，引气后的碳化深度显著降低。 ③在同水胶比下，随含气量的增大，引气砼和粉煤灰引气砼的抗碳化性能下降。 ④各种类型砼碳化前的气体渗透系数与碳化深度不存在相关性，碳化后的气体渗透系数与碳化深度存在一定的相关性。

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