碳化对植生混凝土碱环境及力学性能的影响

■钱震生（1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）



碳化对植生混凝土碱环境及力学性能的影响

■钱震生1，2
（1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

研究碳化对植生混凝土碱环境及力学性能的影响，分析了碳化对不同龄期植生混凝土pH值及抗压强度的影响规律。试验表明，碳化对早龄期植生混凝土的pH值及抗压强度的影响明显，3d试件的pH值上升约6%，抗压强度下降20%以上，而随着养护龄期的增长，碳化对于植生混凝土的碱环境和力学性能影响不再明显，通过分析可知，通过碳化实现降低植生混凝土pH值的方式不可行，而延长养护龄期和加入大掺量的活性掺合料则能有效地改善碱环境及其力学性能。

植生混凝土碱环境抗压强度龄期研究

植生混凝土是一种既能适合植物生长，又具有一定强度的混凝土，可用于城市建筑绿化，又可用于护坡护堤等工程［1］，是一种有良好应用前景的特种混凝土。其具有连续大孔结构，能使植物根系通过混凝土孔隙深入土壤层，同时，植物生长的土壤pH值一般在3.5～9.5范围［2］，因此，在配制植生混凝土时要重点考虑几个方面，包括有效孔隙率、强度，以及内部碱环境［3］，目前关于这些方面的研究相对较多，本文主要针对碳化对植生混凝土的碱环境及力学性能方面展开研究。

1试验原材料

1.1胶凝材料

选择P.O42.5的炼石牌水泥，由漳州某厂生产的Ⅱ

级粉煤灰，由南京某公司提供的S95级矿粉，其物理力学

性能、化学组成分别如表1所示。

1.2粗骨料

骨料种类为：碎石，其粒径及级配如表2所示：

1.3减水剂

本课题采用福建省建筑科学研究院生产的TW-PS高效减水剂，其为棕褐色液体，固含量为33%，氯离子含量＜0.4%，硫酸钠含量＜8.0%，PH值为6，掺量为水泥用量的0.8%～1.2%，减水率可达25%～30%。

1.4增稠剂

选用了聚丙烯酰胺（HPAM）增稠剂，表3、表4为不同水泥浆水灰比下，掺入0.25%增稠度剂前后水泥浆的粘度及剪切应力。

表1胶凝材料的物理力学性能

表2骨料级配情况

表3不同水灰比下旋转粘度计读数

2试验方法

2.1抗压强度试验

制备边长为150mm×150mm×150mm立方体试件，以6块为一组，参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，取平均值为其代表值。

2.2pH值试验

参照胡春明［4］的测试方法，将试件放入尺寸为155mm× 155mm×155mm的容器中，加入蒸馏水，以稳定在试件表面以上3mm为准，于24h后取出，测定容器中水的pH值。

3试验及结果分析

3.1试验方案设计

根据前期试验结果，采用优化后的配合比，水胶比为0.27，粉煤灰和矿粉复掺，各为胶凝总量的15%，具体如表5所示。

表5　植生混凝土配合比（kg/m3）

依据表5进行搅拌制样，成型A、B、C、D、E、F、G、H八组试件，均放置于标准养护室（温度20±2℃，湿度≥95%）进行养护，其中B、D、F、H四组试件到达一定龄期后先进行碳化试验后再分别进行pH值和抗压强度测试，碳化试验方法及条件依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009执行，但不对试件采取石蜡密封处理，而是直接放入碳化箱内进行碳化，具体龄期及测试项目如表6所示。

表6　测试方案

3.2结果及分析

试验结果如表7所示。

表7　测试结果

由表7可知，A、C、E、G四组随着龄期的增长，pH值呈下降趋势，抗压强度基本呈上升，但到112d后，强度基本稳定。这主要是由于水化初期C3S和C2S与水反应生成的CH，使得混凝土具有高碱性，但粉煤灰与矿渣具有一定的活性，与CH发生火山灰反应，消耗掉部分CH，使得混凝土体系中碱性下降，降低了pH值，同时随着火山灰反应的进行，产生了更多的水化硅酸钙，由于水泥浆的胶凝性能主要取决于水化硅酸钙的数量［5］，因此，其强度随之增长，但随着CH持续消耗，后期水化硅酸钙的数量不再继续增加，此时强度基本趋于稳定。对于BDFH四组经过碳化的pH值和抗压强度趋势与未碳化的基本相同。趋势如图1所示。

图1　不同龄期混凝土碳化前后的pH值及抗压强度值

表4　不同水灰比下剪切应力

图2　3d龄期试件的SEM图

对于同龄期的未碳化和碳化的结果比较，发现存在以下规律。首先，早龄期碳化后的pH值高于未碳化的混凝土，3d龄期碳化后的pH值从11.63升高到12.28，升高约6%，这似乎与一般经验不一致，因为按照一般经验认为，随着CH被碳化消耗掉，其pH值应该是降低的，但试验却与之相反，究其原因可能如下，根据水泥水化过程划分，3d左右为减速期或稳定期，此时C3S周围形成一个水化物的微结构层而阻碍了C3S的水化反应［6］，碳化破坏了该层薄膜，从而有利于水份向颗粒内部扩散渗透，加速水化，释放出更多的CH，导致水溶性pH值升高；图2为3d龄期试样的SEM图，（a）为未碳化试样，（b）为碳化后的试样，（a）中可见到水化产物CSH无定形凝胶体及块状的CH晶体，而（b）中可见到较多的针柱状结构的文石，根据何娟等人的研究表明［7］，在水化程度较低时，CSH相比CH更容易碳化，即在3d早期水化程度较低的情况下，碳化主要消耗的是CSH，随着CSH的消耗及CH的持续释放，pH值相对于未碳化的混凝土升高了。随着龄期的增长，水化进一步完全，在本试验中掺入了胶凝总量30%的活性掺合料的条件下，一方面相对减少了水泥带来的碱量，另一方面活性掺合料通过水化后期的火山灰反应，进一步消耗CH，从而在龄期达到112d时，降低了整体的pH值，此时，即使未碳化，混凝土中的pH值也已下降至8.69，碳化对于pH值得影响已经不大了，其值为8.65，该试验亦表明通过大掺量活性掺合料和长龄期养护的方式可以降低植生混凝土中的碱含量。

多数的研究表明，对于紧密堆积型的普通混凝土，碳化能够一定程度上提高混凝土的抗压强度，但植生混凝土则与之不同，其为无砂大孔混凝土，以单粒级骨料为骨架，各骨料通过包裹着的浆料点对点粘结在一起，这些部位截面小，当发生碳化的时候，这些部位各点的胶浆料发生了收缩，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗拉应力时便产生了裂纹，成为应力集中区，导致强度下降，从图1可知，早龄期植生混凝土碳化后的强度下降较明显，其3d抗压强度从7.6MPa下降至5.8MPa，强度降低20%以上，这可能是由于早期胶浆料的强度不够，随着碳化收缩变形增加，产生裂缝的几率更大，当龄期足够长时，胶浆料的水化完成强度增长，同时由于水胶比较低，浆料密实，碳化通常在表面发生，形成具有一定硬度和脆性的碳酸钙，可能会抵消一部分收缩引起的不利因素，因此，此时碳化对植生混凝土的抗压强度影响并不明显，如表5所示，56d时碳化后抗压强度从18.2MPa下降至17.9MPa，112d时碳化后抗压强度从18.0MPa上升到18.2MPa，变化较小。

4结论

（1）通过碳化的方法无法降低植生混凝土的pH值，尤其早龄期时候，碳化会提高植生混凝土的pH值，随着龄期增长，水化反应的进一步完成及活性掺合料对CH的消耗，降低了混凝土中的pH值，此时碳化对pH值的变化影响不大。试验表明，对于植生混凝土碱环境的改善通过延长养护时间和掺入大掺量活性掺合料的方式实现是可行的。

（2）碳化对植生混凝土早期强度影响大，本试验中3d龄期混凝土碳化后抗压强度下降达到20%以上，而随着龄期增长，碳化对于植生混凝土的抗压强度影响逐渐不明显。

（3）试验表明，对于无砂大孔的植生混凝土，碳化对于其早期的pH值和抗压强度存在明显的不利影响，因此应重视其早期的养护。

［1］樊建超，罗仁安，冯辉荣.植物相容型生态混凝土的制备试验与研究［J］.福建林业科技，2005，9：11-14.

［2］李荣炜，汪守淳，舒国志，等.植被型生态混凝土孔隙内碱环境改造方法研究［J］.新型建筑材料，2014，9：11-14.

［3］陶新明.无砂大孔混凝土配合比设计、成型及养护［J］.混凝土，2010，10：136-141.

［4］胡春明，胡勇有，虢清伟，等.植生型生态混凝土孔隙碱性水环境改善的研究［J］.混凝土与水泥制品，2006（3）：8-10.

［5］P.KumarMehta，PauloJ.M.Monteiro.混凝土微观结构、性能和材料［M］.中国电力出版社，2007.

［6］袁润章.胶凝材料学［M］.武汉理工大学出版社，2012.

［7］何娟，杨长辉.硅酸盐水泥混凝土的碳化分析［J］.硅酸盐通报，2009，12：1225-1229.