轻骨料混凝土碳化性能的影响因素研究

陈朵朵

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008)

0 前言

与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有自重轻、孔隙率大和抗冻性好等优点［1］。同时轻骨料混凝土能够减小结构的断面尺寸，增加跨度、层高，经济性显著［2］。但是，相比于普通混凝土，轻骨料混凝土内部孔隙多，孔隙率大，空气中的二氧化碳更容易通过孔隙进入轻骨料混凝土内部与混凝土中的有效成分发生碳化反应［3，4］，碳化不仅使轻骨料混凝土中的钢筋发生锈蚀，而且会导致轻骨料混凝土体积收缩，严重影响了轻骨料混凝土的使用寿命。尤其是在环境日益恶化，温室效应日益严重的今天，更应该研究轻骨料混凝土的碳化性能。本文通过试验研究了水灰比、水泥用量、碳化时间和粉煤灰替代量对轻骨料混凝土碳化性能的影响，对轻骨料混凝土的推广利用具有重要的现实意义。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥选用新疆天山水泥股份有限公司生产的P.O42.5 水泥，其主要化学成分见表1;粉煤灰选用新疆天山电力玛纳斯发电厂的Ⅰ级灰，比表面积为655 m2/kg;细集料采用普通中砂，细度模数为2.75，含泥量符合相关要求;轻骨料选用上海申威陶粒制品有限公司生产的高强轻骨料，其性能满足相关要求;外加剂选用聚羧酸系减水剂。进行配合比设计时，控制轻骨料含量为509 kg/m3，细集料含量为796 kg/m3，砂率为45%不变，添加1.2%的减水剂，通过变化水灰比和水泥用量得到不同情况下轻骨料混凝土的配合比。

表1 水泥的材料组成

1.2 试验方法

轻骨料混凝土的碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，其中CO2浓度范围为17%～23%，湿度控制在65%～75%范围内，温度在15～25 ℃范围内。

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对碳化深度的影响

测定当水灰比分别为 0.4、0.45、0.5 和0.55时，轻骨料混凝土在碳化时间分别为3、7、14、28 d时的碳化深度，研究水灰比对轻骨料混凝土碳化性能的影响，试验结果见图1。

从图1可以看出:当碳化时间一定时，水灰比小于0.5 随着水灰比的增大，轻骨料混凝土的碳化深度逐渐减小，但当水灰比大于0.5 时，增大水灰比会使碳化深度轻微增大。例如当碳化时间为14 d 时，水灰比为0.4、0.5 和0.55 时轻骨料混凝土的碳化深度分别为23.6、6.0 和4.2 mm。这主要是因为，当水灰比小于0.5 时随着水灰比的增大，水泥水化作用增强，使轻骨料混凝土的密实度增加，碳化深度减小;而当水灰比大于0.5 时，轻骨料混凝土内部部分水不参与水泥的水化，自由水分蒸发使轻骨料混凝土内部孔隙增多，密实度降低，轻骨料混凝土抗碳化性能下降，碳化深度增大。

当水灰比一定时，碳化时间越长，轻骨料混凝土的碳化深度越大，抗碳化性能越差，且当碳化时间小于7 d 时，轻骨料混凝土的碳化深度随时间变化较明显，例如当水灰比为 0.45 时，3、7、14 和 28 d 的碳化深度依次为0.7、4.1、8.0 和15.4 mm，相邻两个时间之间碳化深度的增长幅度分别为4.9 倍、0.95 倍和0.93 倍。说明轻骨料混凝土的碳化主要发生于7 d 之内，当碳化时间大于7 d 时，轻骨料混凝土碳化深度的增长趋势逐渐放缓，抗碳化性能的衰减逐渐放缓。

2.2 水泥用量对碳化深度的影响

控制水灰比为0.5，当水泥用量分别为350、400、450 和500 kg/m3时，轻骨料混凝土在不同碳化时间(3、7、14 和28 d)时的碳化深度，研究水泥用量对轻骨料混凝土碳化性能的影响，试验结果见图2。

从图2可以看出:水泥用量对轻骨料混凝土3 d碳化深度的影响较小，而对7、14 和28 d 碳化深度的影响较大，碳化时间小于7 d 时碳化深度随时间的增长幅度较大，且随着水泥用量的增多，碳化深度均出现先增大后减小的趋势，当水泥用量为400 kg/m3时，轻骨料混凝土的碳化深度最大，抗碳化性能最差。这是因为，当水泥用量小于400 kg/m3时，在增大水泥用量的同时水用量也随之增加，此时水泥的水化作用较差，轻骨料混凝土的密实度较低，因此碳化深度较大;而当水泥用量大于400 kg/m3时，随着水泥用量的增加，一方面轻骨料混凝土中水泥的水化作用增强，混凝土的致密性提高;另一方面轻骨料混凝土内部的碱含量增多，抗碳化能力增强，碳化深度减小。

图2 水泥用量对碳化深度的影响

2.3 粉煤灰替代量对碳化深度的影响

用粉煤灰等体积替代轻骨料混凝土中的部分水泥(15%、25%、35% 和 45%)，变化水灰比(0.4、0.45、0.5 和0.55)，测定轻骨料混凝土在碳化3、7、14 和28 d 后的碳化深度，研究粉煤灰替代量对轻骨料混凝土碳化性能的影响，试验结果见图3。

图3 粉煤灰替代量对碳化深度的影响(待续)

从图3可见:用粉煤灰替代轻骨料混凝土中的部分水泥后，轻骨料混凝土碳化深度随水灰比的变化与没有替代水泥时的变化相反。当粉煤灰替代量为15%时，碳化深度随水灰比的增大表现为先增大后减小的趋势，其中当水灰比为0.5 时碳化深度增大;而当粉煤灰替代量大于15%时，随着水灰比的增大，碳化深度几乎呈线性规律增大;当粉煤灰替代量和水灰比相同时，碳化时间越长碳化深度越大。这是因为，当粉煤灰替代量为15%时，轻骨料混凝土中水泥含量较大，随着水灰比的增大水泥的水化作用增强，同时粉煤灰参加二次水化作用，使混凝土内部的碱(Ca(OH)2)含量降低，抗碳化能力下降，碳化深度增大，但当水灰比大于0.5 时，轻骨料混凝土中的水泥充分水化，混凝土密实度提高，削弱了粉煤灰二次水化作用对轻骨料混凝土碳化深度的影响，因此碳化深度稍有下降;而当粉煤灰替代量为25%、35%和45%时，轻骨料混凝土中水泥含量较少，增大水灰比激发了粉煤灰的二次水化作用，使轻骨料混凝土内部碱含量大幅减少，抗碳化能力直线下降。

3 结论

1)当水灰比小于0.5 时，随着水灰比的增大，轻骨料混凝土的碳化深度逐渐减小，而当水灰比大于0.5 时，增大水灰比会使碳化深度增大，但增长幅度不大;当水灰比相同时，碳化时间越长，轻骨料混凝土的碳化深度越大，其中在7 d 内随碳化时间的延长，碳化深度的增大幅度较大。

2)水泥用量对3 d 的碳化深度影响较小，但对7、14 和28 d 的碳化深度影响较大，随着水泥用量的增大碳化深度呈现先增大后减小的趋势，其中当水泥用量为400 kg/m3时，7、14 和28 d 的碳化深度都达到最大值。

3)当粉煤灰替代量为15%时，轻骨料混凝土的碳化深度随水灰比的增大出现先增大后减小的趋势，而当粉煤灰替代量大于15%时，随着水灰比的增大，轻骨料混凝土的碳化深度呈线性增长趋势。

［1］曹 刚.高强轻骨料混凝土试验研究［D］.西安:西北工业大学，2004.

［2］高英力，程 领，龙 杰.不同矿物掺和料对轻骨料混凝土抗碳化性能的影响［J］.长沙理工大学学报(自然科学版)，2011，8(3):33 －37.

［3］高英力，程 领，李 柯，等.碳化作用下轻骨料混凝土干缩变形及影响规律响［J］.硅酸盐通报，2012，31(2):440 －444.

［4］王海龙，申向东.粉煤灰对轻骨料混凝土耐久性影响的试验研究［J］.新型建筑材料，2009(4):1 －4.