不同循环耦合损伤下粉煤灰混凝土碳化性能研究

冯晓爽，王泽坤，刘杏娟，康希佞，刘 燕

（河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001）

粉煤灰不仅可以代替部分水泥，降低水化热，而且后期强度高，耐久性能满足结构需要，同时降低了混凝土的成本，变废为宝，在实际工程中被广泛地应用［1-2］。但随着时间的增长，建筑物在自然环境、工作环境和材料本身成分的共同作用下，性能会逐渐退化并随之出现各种耐久性损伤。粉煤灰混凝土的耐久性能得到了越来越广泛的关注［3-4］。对于大气环境中的建筑物，一年四季都会经受碳化的侵蚀，寒冷地区冬季会遭受频繁的冻融损伤，雨季则会发生较严重的干湿循环［5-8］。实际工程中的混凝土结构会同时发生多种耐久性劣化损伤，各种耐久性因素产生相互耦合影响效应，不同耦合损伤方式对整体耐久性损伤的贡献率是1 个值得深入探讨的问题。因此，本实验以粉煤灰混凝土为研究对象，进行冻融—碳化循环、干湿—碳化循环以及冻融—干湿—碳化循环3 种不同损伤方式下粉煤灰混凝土碳化性能研究，探讨粉煤灰掺量、不同循环损伤方式等因素对粉煤灰混凝土碳化性能的影响规律，对实际工程中粉煤灰混凝土结构的抗碳化耐久性的预测具有一定的指导意义。

1 材料及方法

1.1 材料

本实验采用Ⅱ级粉煤灰，P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，选用级配良好、细度模数为2.74 的河砂作为细骨料，粗骨料选用5 ～20 mm 连续级配的碎石，外加剂为聚羧酸系高性能减水剂，引气剂为K12 型，能溶于水的白色粉末。配制混凝土试块的强度为C30，粉煤灰掺量为0%、10%、20%、30%，配合比如表1；

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

1.2 试验方法

（1）试件制备：试件尺寸为100 mm×100 mm ×400 mm 的棱柱体.

（2）试验步骤：

根据查阅文献［9-13］，综合考虑损伤状态，拟定3 种循环损伤试验步骤如下：

冻融—碳化试验：快速冻融循环50 次后碳化 7 d，共进行4 次循环，每一次循环试验完成后，取出试块进行碳化深度的测量，剩下的试块继续放入碳化箱进行后续碳化试验，以下简称F50-C7。

干湿—碳化试验：先在自来水中浸泡16 h，然后放入（80±2）℃的烘干箱烘干6 h，再冷却2 h到实验室自然温度，为1 个完整的干湿循环。每干湿循环40 次碳化7 d，分别进行4 次循环试验。每次循环试验完成后取出试块测量碳化深度，余下的试块进行后续的循环试验，直至4 次循环试验完成，以下简称D40-C7。

冻融—干湿—碳化循环试验：每冻融50 次干湿40 次为1 次冻融—干湿小循环，6 次小循环为1 次冻融—干湿大循环，每进行2 次冻融—干湿大循环碳化7 d 为1 次冻融—干湿—碳化循环试验，此过程大约需要14 d，共需进行4 次循环试验，以下简称F12-D12-C7。

2 结果和分析

对不同掺量的粉煤灰混凝土在不同损伤模式下进行28 d 的快速碳化试验，每7 d 测量1 次碳化深度，作为1 次循环，共进行4 次循环，碳化深度如表2 所示：

表2 不同循环损伤后各粉煤灰混凝土的碳化深度Table 2 Carbonation depth of fly ash concrete after different cyclic damage

续表：

2.1 粉煤灰掺量对混凝土碳化性能影响

由表2 可得不同粉煤灰掺量的混凝土试块在基准碳化试验下的碳化深度变化曲线，如图1 所示：

图1 粉煤灰混凝土碳化深度变化曲线Fig. 1 Curve of carbonization depth of fly ash concrete

由图1 可知，4 种掺量的混凝土试块随着循环次数的增长，混凝土的碳化深度也越来越大，在相同试验条件下，掺加粉煤灰混凝土的碳化深度要大于粉煤灰掺量为零的混凝土，且随着粉煤灰掺量的增加，碳化深度越来越大，曲线缓慢上升。出现这种变化规律的原因主要有以下两点：粉煤灰掺量的增加会降低水泥水化产生Ca(OH)2的含量，使混凝土的碱性下降，削弱混凝土抵抗CO2侵蚀的能力；但同时粉煤灰通过填塞效应和2 次水化使混凝土内部的孔隙变得更加密实，使CO2更不易侵入到混凝土内部。综合考虑上述两点，粉煤灰的增加降低了混凝土的碱度，同时在一定程度上改变了混凝土内部的孔结构，使其变得更加致密。这一方面加速了混凝土的碳化，一方面又削弱了混凝土的碳化损伤。从图1 上升的曲线变化趋势可以发现，掺加粉煤灰对混凝土的碳化是起到促进作用的。

同时，碳化深度随粉煤灰掺量变化曲线基本接近直线，通过回归分析可知碳化深度和粉煤灰掺量之间存在线性关系：

式中：D 为混凝土碳化深度；CFA为粉煤灰掺量；a, b 为参数；其回归分析值见表3：

表3 a、b 及相关系数回归分析值Table 3 a, b and correlation regression analysis values

由表可知，相关系数均大于0.9，此回归曲线高度线性相关，粉煤灰混凝土的碳化深度与粉煤灰掺量之间存在一定的线性关系。

2.2 不同循环模式下混凝土碳化性能分析

3 种不同循环模式下，粉煤灰混凝土试块随循环次数的增长碳化损伤变化如图2 所示：

图2 粉煤灰混凝土在不同循环损伤下的碳化深度Fig. 2 Carbonation depth of fly ash concrete under different circulation modes

通过图2 的3 个损伤循环图可以发现，不论是冻融—碳化循环、干湿—碳化循环还是冻融—干湿—碳化循环，碳化深度均随循环次数的增长而呈现不同程度的上升。

在冻融—碳化循环中，混凝土内部毛细孔中的水不断地进行着冻结和融化，从而产生的胀缩应力较大，当混凝土自身极限抗拉强度小于可冻水结冰所产生的膨胀应力时，混凝土内部就会产生许多微小的裂纹，为之后的碳化提供了通道。随着冻融循环次数的不断增加，裂纹不断的增多，有些甚至形成较大裂纹，CO2会更加轻松地进入混凝土内部，与水泥中的Ca(OH)2反应生成CaCO3，降低混凝土碱度，随着循环次数的增加，混凝土碳化深度越来越明显。

由图2 可以看到，干湿—碳化循环中碳化深度变化曲线最为平缓，其对混凝土碳化深度影响最小。混凝土是1 种渗透性很差的多孔介质，在干湿循环耦合作用下，混凝土的相对湿度只在混凝土表层一定范围内发生，本实验对混凝土进行16 h 的清水浸泡，此时混凝土内部的相对湿度基本达到100%，当混凝土进入烘干阶段时，混凝土内部的湿度场不会立即发生变化，且与浸泡阶段相比，烘干阶段湿度下降的速率相对较小，这主要是因为混凝土湿润过程水分是由液态水渗透机制控制，烘干阶段则主要是由水分扩散机制控制。所以干湿循环只是导致混凝土表层湿度发生变化，变化范围小，并且试验中的结晶水膨胀小，产生的内应力小，破坏不明显，过程缓慢，再经过碳化之后的碳化深度明显小于其他2 种循环模式。

对比图（a）、（b）、（c），明显发现冻融—干湿循环破坏的斜率大于单一破坏的斜率，其破坏程度最强。例如粉煤灰掺量为20%，循环到第2 次相当于碳化龄期14 d 时，冻融破坏的碳化深度为9.4 mm，干湿循环的碳化深度为7.96 mm，冻融—干湿循环的碳化深度为9.89 mm。干湿循环碳化深度小于冻融循环和冻融—干湿循环损伤下的碳化深度，说明干湿循环对混凝土的碳化损伤程度最小，冻融—干湿循环对混凝土碳化损伤程度最大，并随循环次数的增加破坏更为明显。冻融—干湿循环过程中的冻融循环产生的裂纹为干湿循环时水分的侵入提供了良好的通道，而干湿过程中残余的液态水又为冻融提供了良好的介质，且干湿循环促进了水泥水化进程，使内部裂纹不断的形成与扩展，加速物理和化学的破坏。因此冻融—干湿循环产生的碳化深度比其他2 种循环碳化深度大，但是它们也并不是简单的叠加，两者相互促进，相互影响，损伤积累不断增加。

2.3 不同损伤模式下碳化深度对比分析

将相同粉煤灰掺量的混凝土在不同碳化循环模式下的碳化深度进行对比，变化规律如图3 所示。

图3 4 种粉煤灰掺量下试块碳化深度曲线变化图Fig. 3 Change graph of carbonization depth curves of test block under four kinds of fly ash content

由图3 的变化规律可以发现，无论粉煤灰掺量是多少，碳化深度随循环次数的增加不断增长，试块的碳化深度在相同循环次数下由大到小依次为：冻融—干湿—碳化试验、冻融—碳化试验、干湿—碳化试验、基准碳化试验。同时，多数曲线在碳化7 到14 d 时的斜率要大于其它时段的斜率，可见碳化初期混凝土的碳化深度增加速度最快，耦合循环损伤对于混凝土的初期碳化深度影响最大。

此外，通过回归分析可得，相同的粉煤灰掺量下的混凝土试块在不同损伤模式下其碳化深度与循环次数之间的回归方程：

式中：D 为粉煤灰混凝土碳化深度；

x 为试验循环次数；

a, b 为参数；其回归分析值见表4：

表4 a、b 取值及拟合精度Table 4 a, b values and fitting accuracy

选取粉煤灰掺量为20%的混凝土试块进行回归方程验证，如图4 所示。

图4 3 种碳化模式下碳化深度与循环次数关系曲线Fig. 4 Relationship between carbonation depth and cycle number under three carbonization modes

从上图中不难看出，原始数据在拟合曲线附近，且有些原始数据与拟合曲线重合，说明此拟合结果理想。从拟合曲线和表4 中拟合精度可以看出，3 种损伤方式下计算碳化深度和循环次数拟合效果良好。

根据上述拟合关系式，我们假设当循环次数为6次时，各粉煤灰掺量的混凝土在不同损伤方式下的碳化深度，如表5 所示：

表5 3 种损伤方式下混凝土的碳化深度预测值Table 5 Predicted value of concrete carbonation depth under three damage modes mm

根据上表中相同循环次数下的碳化深度可以得出，随着粉煤灰掺量的增加，每种损伤方式的碳化深度越来越大，说明粉煤灰的加入的确会对混凝土的碳化性能产生不利的影响；同时，通过对比可以发现，对于相同粉煤灰掺量的混凝土，在3 种不同循环损伤下，干湿循环的碳化深度最小，冻融—干湿循环的碳化深度最大，说明干湿循环对混凝土造成的碳化损伤最小，冻融—干湿耦合对混凝土造成的碳化损伤最大。

同时，假设达到碳化深度20 mm 时，各粉煤灰掺量的混凝土在不同损伤方式下所需的循环次数如表6 所示：

表6 3 种损伤方式下混凝土循环次数Table 6 Concrete cycle number under three damage modes

从上表中可以看出，当碳化深度达到20 mm 时，3 种循环损伤模式下所需要的循环次数从大到小为：干湿—碳化循环＞冻融—碳化循环＞冻融—干湿—碳化循环。这表明在相同的条件下，冻融—干湿耦合循环对混凝土造成的损伤程度大于单一循环造成的损伤程度。

3 结论

（1）粉煤灰的存在可以一定程度上改善混凝土的抗碳化性能，但随粉煤灰掺量的增加而减小，粉煤灰掺量小于20%时对混凝土抗碳化性能影响不大。

（2）粉煤灰掺量一定时，混凝土试块在不同损伤模式下的碳化深度有大到小依次为：冻融—干湿—碳化试验＞冻融—碳化循环试验＞干湿—碳化循环试验，说明冻融—干湿双重耦合模式下对混凝土的抗碳化性能最不利。

（3）3 种循环损伤模式下，碳化深度随循环次数的增加而增加，且与循环次数之间呈现不同的幂函数关系。