粉煤灰掺量和养护条件不同对混凝土力学性能及抗碳化性能研究

2021-07-27樊耀虎蔡新华王佥书许桂强甘祥威

广东建材 2021年7期

樊耀虎何真蔡新华刘磊王佥书许桂强甘祥威

（1 山东春禾新材料研究院有限公司；2 日照日拓建材有限公司；3 青岛博硕新型建材有限公司）

0 引言

进入21 世纪以后，随着我国城镇化建设进程的不断加快，建筑行业正处于蓬勃发展时期，每年混凝土的用量也在迅速上升，水泥作为混凝土必不可少的原材料，其用量及价格也在逐年上升，水泥的制造不仅会浪费原材料而且还会对环境造成巨大的污染。而粉煤灰作为工业废料也越来越多，将其替代水泥作为混凝土掺合料不仅能够节约成本而且利于环保。目前，有关复杂多变环境下粉煤灰混凝土抗碳化性能影响，国内学者进行了大量的研究[1-3]，通过对不同粉煤灰掺量混凝土的基准碳化、冻融-碳化、干湿-碳化和冻融-干湿-碳化耦合损伤试验。试验结果表明：碳化深度与粉煤灰掺量、碳化龄期成正比例增长，冻融循环对碳化深度的影响大于干湿循环，随着循环次数的增加，碳化深度呈幂函数增长，同时掺加粉煤灰会降低混凝土的碱度，改变其内部的孔结构。陈茜[4]研究了不同掺量粉煤灰及养护条件对固定水胶比和可变水胶比混凝土强度及耐久性的影响。研究结果表明：在固定水胶比条件下，混凝土强度与粉煤灰掺量成反比，抗碳化性能成正比，在可变水胶比条件下，提高粉煤灰掺量，混凝土强度随之变化较小。崔正龙[5]以骨料、粉煤灰取代率、养护温度及养护龄期为变量，探明不同养护环境对粉煤灰混凝土强度和抗碳化性能的影响。研究结果表明：掺粉煤灰再生混凝土中长期强度要高于相同养护环境未掺粉煤灰的普通混凝土，对提高混凝土的强度及抗碳化性能非常有利，而伴随着粉煤灰取代率的增加，水泥用量减少及粉煤灰的水化，都会不同程度上减少或消耗Ca (OH)2，导致pH 值的降低，从而影响抗碳化性能。

然而，目前针对不同养护环境、不同粉煤灰掺量、不同水胶比对粉煤灰混凝土的研究还相对较少，本文通过采用不同养护（标准养护、自然养护）探究粉煤灰掺量和水胶比对粉煤灰混凝土力学性能及抗碳化性能的影响规律。

1 原材料及实验方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用山东省莒县恒兴有限责任公司生产的P·O42.5 级普通硅酸盐水泥；其比表面积为390m2/㎏；

⑵粉煤灰：华能Ⅱ级粉煤灰，其含水率为0.1%，细度为6.9%；

⑶矿粉：日照钢铁公司生产的S95 级矿粉，密度为2.8g/cm3；

⑷石子：当地碎石，粒径5～31.5mm，经测得粗骨料的表观密度为2700㎏/m3，堆积密度1390㎏/m3，含泥量0.68%，吸水率1.0%，压碎值6.7%；

⑸砂子：机制砂，表观密度为2430㎏/m3，堆积密度1280㎏/m3，含泥量5.6%，吸水率1.6%；

⑹减水剂：聚羧酸减水剂；

⑺水：试验室自来水。

1.2 试验方法

本文试验方法和混凝土性能评价采用GB/T5008-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[6]、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[7]和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验标准》[8]进行试验。

1.3 试验配合比

考虑矿粉固定掺量为20%，粉煤灰掺量采用0%，10%，20%，30%取代水泥，研究粉煤灰混凝土力学性能影响试验研究，其试验配合比如表1 所示。

表1 粉煤灰混凝土配合比

2 试验结果及分析

粉煤灰混凝土的抗压强度及碳化深度试验结果见表2。

2.1 水胶比0.46 时，粉煤灰混凝土抗压强度及抗碳化性能变化规律

从表2 可知：水胶比为0.46 时，粉煤灰混凝土抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈下降趋势。混凝土抗碳化能力随粉煤灰掺量增加而减弱。粉煤灰掺量为10%时，标准养护下混凝土28d 时抗压强度最高44.8MPa，与对照组抗压强度46.4MPa 基本持平。说明混凝土中少量掺加粉煤灰对混凝土的抗压强度和抗碳化性能影响较少。在相同水胶比和粉煤灰掺量下，粉煤灰混凝土碳化深度根据养护条件不同而有所改变，自然养护条件下混凝土碳化深度比标准养护深。标准养护时，粉煤灰混凝土碳化深度随粉煤灰掺量的增加而逐渐增大，粉煤灰掺量为10%时，粉煤灰混凝土28d 碳化深度最小为4.3mm，小于空白对照组混凝土4.6mm，抗碳化能力最强。自然养护时，粉煤灰掺量为20%时碳化深度最小，为8.1mm。通过试验对比发现，对于粉煤灰混凝土抗碳化性能而言，不同养护条件下粉煤灰的最佳掺量有所区别。

表2 粉煤灰混凝土试验结果

由图1 可知，混凝土的抗碳化性能随抗压强度增高而减少，标准养护下的混凝土抗碳化性能优于自然养护，且混凝土的抗压强度和抗碳化性能随养护条件的改变而发生变化。

图1 水胶比0.46 时混凝土抗碳化性能随抗压强度变化规律

2.2 水胶比0.38 时，粉煤灰混凝土抗压强度及抗碳化性能变化规律

由图2 可知：两种养护条件下混凝土抗碳化性能随抗压强度变化曲线的斜率基本相似，粉煤灰混凝土的抗碳化能力基本一样。由表2 可知：无论是自然养护还是标准养护，粉煤灰最佳掺量为20%。此时，标准养护和自然养护下的粉煤灰混凝土的抗压强度分别为48.3MPa和54.4MPa，对应的碳化深度分别为6.1mm、6.6mm。两种养护条件相比，标准养护下的粉煤灰混凝土抗碳化性能优于自然养护条件。主要原因是自然养护条件下湿度和温度根据天气条件而发生改变，混凝土化学反应较慢，强度增长缓慢，混凝土内部孔隙较多，CO2进入混凝土内部的路径增多，因此，抗碳化能力较弱。而标准养护条件下，混凝土在恒定的湿度和温度环境中，养护较为充分，混凝土能够更加密实，强度较高。混凝土内部孔隙较少，抗碳化能力变强。

图2 水胶比0.38 时混凝土抗碳化性能随抗压强度变化规律

2.3 水胶比0.34 时，粉煤灰混凝土抗压强度及抗碳化性能变化规律

由图3 可知：当混凝土抗压强度小于45MPa 时，标准养护下的混凝土碳化深度高于自然养护。当混凝土抗压强度超过45MPa 时，标准养护下的混凝土碳化深度低于自然养护，且混凝土的抗碳化性能碳随抗压强度的增加而加强。由表2 和图3 可知：粉煤灰掺量为10%时，粉煤灰混凝土的抗压强度最高。超过10%时，混凝土碳化深度随粉煤灰掺量的增加而加深，强度有所下降。主要原因是混凝土掺入粉煤灰后，粉煤灰作为矿物掺合料代替部分水泥，水泥水化作用生成的碱性物质Ca（OH）2因为水泥的用量减少而降低。会使混凝土中的碱性物质被过度消耗，使其碱度降低，混凝土的抗碳化能力也会随之变弱，使得碳化速率变快，碳化深度增加。与水胶比0.38、0.46 相比，不论标准养护还是自然养护，混凝土碳化深度均较小。试验表明：水胶比的降低有利于混凝土抗碳化性能的提升。