养护龄期对粉煤灰混凝土抗碳化性能影响研究

王云峰

(中铁十六局集团第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

随着国家建材资源逐渐紧缺，混凝土制备技术也在不断进步，粉煤灰以其可改善混凝土和易性等优异性能成为混凝土的主要成分之一[1]。粉煤灰二次水化会降低混凝土的碱性，弱化其抗碳化性能，进而导致内部钢筋锈蚀开裂，严重影响其耐久性能。故而，对于较高掺量的粉煤灰混凝土，如何有效提高其抗碳化性能，延长结构使用寿命具有主导性意义。

混凝土抗碳化性能的强弱跟其早期养护时间成正比关系[2]。Sulapha P[3]、阿茹罕[4]、朱红英[5]等研究混凝土标养3 d、7 d、14 d、28 d后的碳化性能，结果表明，延长早期养护时间可使混凝土抗碳化性能增强；但当粉煤灰掺量过多时，这种增强作用并不明显。Hobbs D W[6]、Sisomphon[7]等通过对比不同养护龄期混凝土的快速碳化深度发现:经标准养护28 d的混凝土碳化深度约为养护3 d的42.5%。何小军[8]通过研究长期湿养护条件下的粉煤灰混凝土抗碳化性能发现:对于粉煤灰掺量和水胶比一高一低情况下，长期湿养护可显著提高其抗碳化性能。上述学者在进行混凝土抗碳化性能的研究中着重分析标准养护3 d、7 d、14 d 和28 d 的混凝土[9－10]，但当混凝土中掺入粉煤灰后，粉煤灰在混凝土养护28～90 d期间会发生二次水化反应，导致混凝土碱度降低，对其抗碳化性能会产生一定影响[11－12]。

基于以上分析，本文研究水胶比为0.35、0.42、0.50 且经标准养护28 d、56 d、90 d(分别记为 A、B、C条件)的混凝土试件碳化规律，试件中粉煤灰掺量分别为0%、30%和60%。标准养护56 d和90 d不仅达到了常规混凝土抗碳化性能标准养护28 d的要求，而且使粉煤灰二次水化作用更为充分，降低了其对混凝土抗碳化性能产生的不确定性影响。根据水泥－粉煤灰体系非蒸发水含量以及SEM对混凝土粗骨料界面过渡区密实程度的观测结果，分析其作用机理。

2 试验内容设计

2.1 原材料

试验用胶凝材料采用上思华润P.O42.5硅酸盐水泥，粉煤灰产地为北海铁山港电厂，指标为Ⅱ级，其主要化学组成和比表面积见表1。粗骨料粒径为5～31.5 mm，含泥量<0.2%，细骨料取Ⅱ区中砂，级配良好，减水剂为聚羧酸系。

表1 试验用胶凝材料化学成分和比表面积

2.2 试验方法

(1)试件制备

根据表2所列配合比，100×100×400 mm的试件成型后置于标准养护箱进行养护，达到预设的龄期后停止养护并参照标准规定的方法进行快速碳化试验。

表2 混凝土配合比

(2)水泥－粉煤灰体系非蒸发水含量测定

通过烧失量法将三种条件下的水泥－粉煤灰体系非蒸发水含量进行测定，据此对体系中水化产物量值进行表征。

(3)粗骨料界面过渡区SEM试验

依据文献[13]所述，采用压力破碎法将各条件下试件破碎，利用SEM观测水泥石和骨料的界面过渡区。

3 试验结果与分析

3.1 养护龄期对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响

水胶比分别为0.35、0.42、0.50时，各阶段混凝土碳化深度如图1所示(注:图中A表示A养护条件；B表示B养护条件；C表示C养护条件)。

图1 不同水胶比条件下混凝土碳化深度随龄期变化曲线

对比图1中粉煤灰掺量为0%和30%的几条曲线可以发现:养护时间延长，混凝土碳化深度逐渐降低；当粉煤灰掺量增加到60%，养护90 d反而导致混凝土碳化深度最大，究其原因大概率因为较长的早期养护时间激发了粉煤灰的二次水化作用，消耗了体系中的Ca(OH)2所致。

对比图2a和图2b，当水胶比为0.35和0.42且粉煤灰含量相同时，B、C条件下混凝土的碳化深度增加值相对于A条件要更小，表明混凝土标准养护时间的延长可适当增强其抗碳化性能；延长早期养护时间对于水胶比为0.50的纯水泥混凝土其碳化性能表现为逆增长；当粉煤灰含量为60%时，延长早期养护时间对其影响较小。

图2 三种条件下碳化深度增加值

3.2 养护龄期对粉煤灰混凝土抗碳化性能影响的定量分析

定义系数K1、K2(以下称为K1、K2值)，K值越接近于1，表明养护龄期对混凝土抗碳化作用越不明显。

式中:M3、M1、M2分别为 A、B、C 养护条件下混凝土28 d碳化深度增加值，mm。

根据图1各龄期碳化数据，通过计算得到各组混凝土试块的K1、K2值，见表3。

表3 各组试块K1/K2值

对比表3中粉煤灰含量为0%和30%的两组数据，B、C两种养护条件下的K1、K2值较为接近，这表明当混凝土中粉煤灰含量较低时，较长的养护龄期仍然不会使其抗碳化性能显著提高；当掺入较大量的粉煤灰(60%)时，水胶比为0.35和0.42的试块K1、K2值均较低，这表明在此条件下延长早期养护龄期会显著提高其抗碳化性能；当水胶比为0.35时，B、C条件下混凝土28 d碳化深度增加值仅分别为A条件下的66%和38%。

4 机理分析

4.1 非蒸发水含量分析

三种条件下水泥－粉煤灰体系的非蒸发水含量结果如图3所示。

图3 三种条件下体系非蒸发水含量

对比图3数据可知:总体而言，水泥－粉煤灰体系的非蒸发水含量随着水胶比的增大而逐渐增加；B、C两种条件下的数据均高于A条件，但相差较小，这表明较长的早期湿养护时间并不能继续促进水泥及粉煤灰的水化；当含有30%粉煤灰时，各养护条件下非蒸发水含量相差较小，密实效应占主导地位，在延长养护龄期时抗碳化性能得以增强；当粉煤灰含量为60%，延长养护龄期虽能使结构变的更为致密但粉煤灰的二次水化消耗体系中Ca(OH)2也会相应降低混凝土碱度，进而影响其耐久性。

4.2 养护龄期对混凝土粗骨料界面过渡区的影响

粉煤灰掺量为60%，三种条件下混凝土粗骨料界面过渡区的形貌特征如图4所示(注:图片中A为集料；M为水泥石)。

图4 三种条件下的SEM图

对比图4中各SEM图像，同一养护条件下，粗骨料界面过渡区密实程度随水胶比的增大而逐渐变差；同一水胶比下随着养护龄期的延长而变得更为密实；当水胶比为0.50且粉煤灰含量为60%时，三种养护条件下混凝土界面过渡区密实程度相差不大，这表明对于较高的水胶比和粉煤灰掺量，即使延长早期养护时间，对粉煤灰混凝土抗碳化性能提高作用仍不明显。

5 结束语

(1)粉煤灰掺量和水胶比一高一低时，过渡区密实效应占主导地位，延长养护龄期可使得粉煤灰混凝土的抗碳化性能明显提高。

(2)粉煤灰掺量和水胶比均较高或较低时，延长养护龄期对其界面过渡区的改善作用并不明显，早期养护56 d或90 d均不能有效提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

(3)对于含掺合料混凝土，当水胶比较高时，无论掺合料掺量大小，即使延长养护时间至90 d亦不能使其抗碳化性能明显提高。