粉煤灰掺量对混凝土碳化过程的影响试验研究

李斌 文佳 赵博

(中交路桥建设有限公司，北京 100027)

0 引言

混凝土的碳化是混凝土受到的一种化学腐蚀。正常环境中的混凝土会存在一定数量的缝隙，大气中的CO2气体便会通过这些缝隙慢慢进入到混凝土中，与碱性物质发生中和反应，导致pH值下降，这个过程就是混凝土碳化。碳化会使混凝土的碱度降低，但是对混凝土不会造成直接性的危害。当碳化的深度到达或者超过钢筋表面时，会让钢筋在碱性环境中形成的钝化膜遭到破坏，钢筋失去了钝化膜的保护后，一旦空气接触到钢筋，就会导致钢筋锈蚀[1]。锈蚀会引起钢筋的体积变大，体积的变大将会导致钢筋表面产生裂缝，随着裂缝数量的增加，保护层也随之掉落，使得钢筋的截面面积减小，截面承载力降低，最终将使结构构件破损或者失效[2]。据调查，2015年大气中的CO2体积分数的近似值为390 mL/m3,到2056年，预估CO2体积分数的近似值将会达到556 mL/m3[3]。大气中CO2浓度的升高，会加大混凝土碳化的程度，严重影响到混凝土的耐久性，造成的经济损失是巨大的，因此我们不能忽视混凝土碳化在工程上造成的影响[4]。

在粉煤灰混凝土中，粉煤灰发挥着一定的作用，它不仅改善了新拌混凝土的工作性，而且还可以代替水泥，节省混凝土中水泥的用量，使成本降低[5]。在经济上，粉煤灰混凝土拥有的经济效益非常不错，因此它在工程项目里被广泛应用。针对粉煤灰对混凝土影响的相关问题，已经有学者做了大量的试验研究以及理论分析。杜晋军[6]做了快速碳化试验，在低水胶比的条件下对粉煤灰混凝土进行碳化研究，结果表明，小于30%的粉煤灰掺量对混凝土的抗碳化能力有提高的作用，大于30%的粉煤灰掺量对混凝土的抗碳化能力有降低的作用。文献[7]认为，掺入一定比例的粉煤灰可以节省水泥的用量，使水泥水化反应生成的碱性物质Ca(OH)2变少，并且还提到二次水化生成的产物填充混凝土的内部孔洞里，改善了混凝土的内部结构，让混凝土更加密实。张扬[8]通过碳化试验研究了水胶比、水泥用量以及粉煤灰掺量三个变量分别对混凝土碳化的影响，结果表明，它们对混凝土碳化都有比较大的影响，而影响最大的是粉煤灰掺量。选择一个合适的粉煤灰掺量，不但可以节省水泥用量，降低成本，而且还能提高混凝土的综合性能，粉煤灰具有重要的实际意义[9]。因此，本文主要在标准养护龄期以及水胶比相同的条件下，研究不同掺量的粉煤灰对混凝土碳化的影响。

1 试验

1.1 实验材料及配合比

水泥用的是宁夏青铜峡水泥股份有限公司生产的P.O42.5水泥；石子采用太阳山石料厂，它的最大粒径为20 mm；砂子是陕西武功砂厂生产的细度模数为2.82的砂子；拌合水是自来水；粉煤灰是华电宁夏灵武发电有限公司生产的粉煤灰；外加剂用的是北京世纪佳邦建材有限公司生产的减水剂。试验中混凝土的配合比见表1。

表1 混凝土的配合比

1.2 试件制备及养护

本试验的试件是按照表1中的配合比制成的6组试件，每一组中有三块试件，每一块试件的尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。等待试件成型，拆模之后将其放入标准养护室里进行养护，26 d后将试件取出，放入干燥箱内，在60 ℃下烘48 h，然后将烘干后的试件用加热的石蜡密封，只密封五个面另外一个面不做密封处理。没做密封处理的那个面用铅笔沿着长度方向画参考线，参考线之间的间距为10 mm，这些参考线用来作为之后测量碳化深度的辅助线(见图1)。

1.3 碳化试验步骤

将经过处理的试件全部有序的放入碳化箱内，试件与试件之间的距离应该保持在50 mm以上，碳化箱内的二氧化碳浓度控制在20%±5%，相对湿度控制在70%±5%，温度控制在20 ℃±2 ℃。到3 d,7 d,14 d,28 d时，需要测试件的碳化深度，每次破型所切下的厚度都应该是当前试件宽度的1/2。试件被切成大小相同的两块，将其中的一块断面清理干净，加热后用石蜡将断面密封，然后放入碳化箱里继续进行碳化，另外一块试件也要将其断面清理干净，然后将酚酞酒精溶液用滴管均匀的滴在试件的断面上。等到试件表面颜色变化后，根据之前做好的参考线，用比较精准的钢尺测出碳化的深度，所测得值的精确度0.5 mm，然后再算出每一组所测得的所有值的平均值，该平均值的精确度为0.1 mm，该值作为最终的碳化深度(见图2)。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

为研究不同粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响，设计了6组不同粉煤灰掺量的试件，每一组试件的水胶比和标准养护时间都相同，来进行相应的试验研究。将6组不同试件进行碳化，得到的每一组试件在不同碳化时间的碳化深度见表2，以及各组试件的深度与时间的关系曲线见图3。

表2 混凝土碳化深度

2.2 结果分析

由表2可以看出，在相同的碳化时间，粉煤灰掺量大的组比掺量小的组碳化深度明显要大很多。并且由图3可以比较直观的看到，粉煤灰掺量越大，曲线的斜率越大，曲线斜率代表着碳化速度，换言之就是速度越快。这主要是因为掺入粉煤灰后，粉煤灰会作为原料代替部分水泥，水泥水化作用生成的碱性物质Ca(OH)2会因为水泥的用量减少而减少。同时，对于粉煤灰来说，粉煤灰是一种具有一定活性的掺合料，它的活性主要是来自自身组成成分里的活性玻璃体SiO2和Al2O3，这两种玻璃体在水泥水化产生的碱性环境中极不稳定，会被其激活，然后发生一系列的反应，与Ca(OH)2反应生成C-S-H。因此掺入越多的粉煤灰，就越容易导致混凝土中的碱性物质被消耗，使碱度降低，让混凝土的抗碳化能力变得越弱，使得碳化深度增加，碳化加快。

从图3中还能看到，在混凝土碳化的结果中，10%～50%的粉煤灰掺量的碳化曲线，即掺入了粉煤灰的混凝土碳化曲线，这些曲线的斜率都会随着碳化时间的增加逐渐下降。分析其原因，粉煤灰混凝土在早期的时候，孔结构不是很好，并且二次水化填充效应未能较好的发挥，使得内部空隙较多，二氧化碳容易在混凝土中扩散，使得碳化速度加快[7]。粉煤灰里的活性玻璃体SiO2和水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成产物C-S-H，有的会附在粉煤灰的表面上，另外的则会填充在水泥水化生成物(如：Ca(OH)2粗晶体)与C-S-H间的孔洞中，这种填充作用一定程度阻碍了CO2的渗透，因此随着时间的延续，这种填充作用的效果变得较为明显[10]，这就使得混凝土抗碳化的能力相比初期有所提高。

3 结论

本文通过对混凝土进行快速 碳化试验，研究了在标准养护时间相同以及水胶比相同的条件下不同粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响，根据试验结果得出了以下结论：

1)随着粉煤灰掺量的增大，混凝土碳化的深度也越来越大，而且由于粉煤灰掺量增大，混凝土碳化的速度也变得越快。

2)掺入粉煤灰的混凝土碳化深度的增长趋势随着时间的增加变得越来越平缓。

3)10%粉煤灰掺量与无粉煤灰掺量的混凝土，它们的碳化程度比较相似，并且抗碳化能力都比较好。