混凝土材料碳化性能研究
文摘
2024-10-15 23:00
河北
随着我国社会经济的迅速发展，混凝土结构的耐久性问题在复杂多样的使用环境中日益受到关注，这直接影响混凝土结构的使用寿命和安全。碳化是衡量混凝土耐久性的关键指标，碳化会导致混凝土对内部钢筋的保护性能减弱，从而引发结构破坏，对结构的安全性和使用寿命产生深远影响。目前，为提升混凝土的工作性能、力学性能和经济性能，普遍采用矿物掺合料和添加剂，其掺量对混凝土的抗碳化性能具有显著作用。粉煤灰、矿渣、石灰石粉等矿物外加剂虽能有效改善混凝土的工作和使用性能，降低生产成本，但过量添加将导致混凝土碱化度降低，进而影响其抗碳化性能。目前，关于水泥基材料性能的研究主-集中在机械性能和部分耐久性（如抗裂性、收缩性、抗渗性等），而对大掺量矿物掺合料混凝土碳化特性的研究相对较少。因此，本项目将综合考虑混凝土制备过程和现场施工条件，探讨掺入物（如矿物掺合料、外加剂）和养护方法等因素对其碳化特性的影响。水泥：采用海磷酸二铵（P·O42.5）水泥，经28d抗压强度达到46.5MPa，各项指标均满足-求。细集料：选用细度模数2.8，石粉含量3.0%的重庆巴南姜家选矿厂机械中砂。粗骨料：选用石灰石碎石，G1级5～10mm，G2级10～20mm，泥浆含量0.3%和0.2%。以粉煤灰、矿渣、石灰石为主-原料，选用粉煤灰为F、域级粉煤灰；S95级矿渣粉；石灰石粉。 本实验所采用的矿物外加剂按GB/T18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》、GB/T156967-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、JGJ/T318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》对其进行规定，并对其进行改进。掺合料W1为高性能减水剂，W2为其配制的超塑化剂，各项指标均符合GB8076-2008《混凝土外加剂》的规定。据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》以及GB/T50081-2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定，本研究对混凝土进行了拌和、成型及养护操作。试验采用100mm×100mm×100mm的标准试件，并以28d快速碳化方法进行。实验环境控制在（20±2）℃的温度、（70±5）%的相对湿度以及（20±3）%的CO2含量。在此基础上，本研究以粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉为主-原料，并添加了不同类型的外加剂，对各类混凝土的坍落度和抗压强度进行了详细的对比分析，结果见表1、2。 由表1可知，在粉煤灰掺量为0～30%内，随着粉煤灰掺量的增加，其抗压强度呈现下降趋势。特别是当粉煤灰掺量达到或超过20%时，抗压强度降低幅度超过20%。在经过标准养护28d后，对F0～F6进行碳化试验，并测定28d碳化龄期的碳化深度，结果见图1。由图1可知，随着粉煤灰掺量的增加，其碳化深度相应增大。特别是当粉煤灰掺量超过10%时，碳化深度的增长幅度显著提高。当粉煤灰被加入混凝土中，会发生二次水化反应，此过程将大量消耗水化产物Ca（OH）2，从而降低混凝土的碱化度，进一步导致混凝土抗碳化能力的下降。然而，随着粉煤灰掺量的进一步提升，由于水泥掺量相对较小，未参与水化反应的自由水会大量挥发，导致混凝土的致密性降低、抗压强度减弱，进而导制其抗碳化能力大幅度下降。 由表2可知，在掺入20%的混合材后，其28d的抗压强度均达到C30或以上，而矿渣微粉混凝土的最大强度为C35。此外，对掺入粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉末的水泥进行了标准养护28d后，进行了碳化特性试验，试验结果如图2所示。由图2可知，通过添加外加剂，混凝土的碳化深度得到明显增强。特别是在添加矿渣粉的情况下，水泥石粉所展现出的抗碳化性能显著优于粉煤灰和石灰石。经过研究，粉煤灰、矿渣、石灰石这三种外加剂均对混凝土起到了二次水化作用。值得注意的是，矿渣粉相较于普通的粉煤灰和石灰石，拥有更高的水化活性。这种高活性使矿渣粉在水化过程中能够生成更多的水化产物，进而降低了混凝土的孔密度，对CO2的扩散起到了一定的抑制作用。此外，石粉作为填料，不仅优化了混凝土的孔结构，还有效地维持了混凝土的碱性。因此，水泥的抗碳化能力相较于粉煤灰混凝土有了显著的提升。在混凝土坍落度为（210±10）mm时，适量添加掺合料能有效提升混凝土的抗压强度，其中，W1添加后的混凝土抗压强度提升尤为显著。对三种不同龄期的普通混凝土在28d后的碳化特性进行了测定，结果如图3所示。 由图3可知，相较于W0，W1与W2混凝土的碳化深度分别降低了33%和19%。研究结果表明，在相同胶凝材料体积和坍落度条件下，掺入掺合料能显著减少混凝土用水量，同时降低凝结过程中产生的气孔，从而提高混凝土密实度，进而增强其抗碳化能力。对比W1和W2可知，不同类型掺入物会对混凝土水化速率产生影响。在其他条件相同的情况下，掺入物减水率越高，越有利于提升混凝土的抗碳化性能。鉴于粉煤灰、矿渣、石灰石等外加剂的二次水化效应，以及外加剂对水泥水化作用的影响，且活性外加剂与水泥石碱性环境的协同作用，导致混凝土在各个发展阶段，由于胶凝材料组成的差异，其内部结构发生变化，从而引发混凝土碳化特性的改变。为此，本项目计划对不同龄期标准养护混凝土的碳化特性展开系统研究。在粉煤灰含量为20%，外加剂W1的条件下，分别对标准养护3d、7d、28d、56d的混凝土进行碳化实验，并测试其碳化特性，见图4。 由图4可知，在标准养护28d内，混凝土的碳化深度逐渐减小。相较于标准养护3d时，养护28d时的碳化深度减少了29.3%，而在此后的56d内，碳化深度的减少幅度并未显著提高。研究发现，随着龄期的延长，水泥水化产物的类型和含量不断增多，导致混凝土内部的孔结构发生变化，从而提升了其抗碳化性能，使得碳化深度随龄期增加而减小。尽管在基准养护期末，水泥水化对碳化提升的效果并不显著，但二次水化作用使得混凝土的耐碳化能力持续增强。（1）在单独应用粉煤灰的情况下，随着粉煤灰用量的增加，混凝土的碱化度会逐步降低，孔隙率会相应增大，进而导致其抗碳化能力减弱。（2）粉煤灰、矿渣、石灰石等外加剂的加入，由于二次水化或填充作用，会引发混凝土内部结构的变化，进而对其抗碳化能力产生影响。在同等条件下，单独使用矿渣微粉时，其对混凝土抗碳化作用的提升相对显著。（3）随着标准养护龄期的延长，水泥基体水化产物的种类和数量会增多，从而使混凝土的抗碳化能力得到提升。
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