粉煤灰高性能混凝土碳化规律的试验研究

孙 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

粉煤灰高性能混凝土碳化规律的试验研究

孙 述 彬

(安徽水利部·淮委水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

模拟研究了季冻地区粉煤灰高性能混凝土的工作状态和工作条件，并通过对试验结果的二维回归分析，建立了季冻地区粉煤灰高性能混凝土碳化规律的数学模型，得出了碳化程度最小时的粉煤灰加入量与石灰加入量，为设计和施工提供了科学合理的依据。

粉煤灰高性能混凝土，冻融循环，碳化规律

1 概述

碳化会使混凝土的碱储量降低，如果碳化深度大于保护层厚度，则钢筋表面在初期混凝土中碱的作用下生成的钝化膜将受到破坏，使混凝土中的钢筋遭到锈蚀，降低混凝土结构的承载力。由于粉煤灰的加入，导致混凝土中的碱储量不足，从而引发粉煤灰高性能混凝土碳化速度较普通混凝土而言变快；因此，探索不同条件作用下的粉煤灰高性能混凝土的碳化规律很有必要。

2 粉煤灰高性能混凝土碳化的特点

混凝土的碳化是混凝土在正常使用阶段，空气中的CO2通过混凝土中的孔隙侵入混凝土和水泥石内，与Ca(OH)2发生化学反应，并生成CaCO3与H2O的化学过程。混凝土中的Ca(OH)2会由于混凝土碳化而被大量的消耗，使混凝土的强度降低，同时引起混凝土体积的减小，使构件的承载能力大为降低，为建筑的安全性、可靠性留下重大隐患[3]。在混凝土碳化的不断发展过程中，混凝土的pH值逐渐由碱性变为酸性，这样将导致钢筋混凝土构件中的钢筋过早腐蚀，同样会给混凝土构件的承载能力带来很大损失。

在粉煤灰高性能混凝土中，由于粉煤灰的加入，混凝土中水泥用量将减少，即Ca(OH)2的含量将减少。由于粉煤灰高性能混凝土中碱含量的减少，混凝土碳化的速度将加快。Thomas等人曾针对粉煤灰高性能混凝土的碳化随粉煤灰的加入量的关系进行了试验[4]，通过实验得出的结果是：粉煤灰混凝土的碳化速度将随着粉煤灰的不断增加而越来越快，但是，当粉煤灰的加入量不大于50%时，粉煤灰混凝土的碳化速度的增加比率处在较慢水平[1，2]。

混凝土的碳化虽然主要是由于混凝土的碱储备被CO2所消耗，但是CO2进入混凝土的通道——空隙，也对混凝土碳化有着重要的影响。在不加入外加剂的情况下，粉煤灰混凝土的抗渗性行程时间较长[3]。Torii等人的试验表明：当粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入量达到50%时，粉煤灰高性能混凝土的渗透性增加的速度将非常快[5]。

3 在同种水泥粉的条件下粉煤灰高性能混凝土碳化规律的对比试验

根据国内外研究资料表明，对于粉煤灰高性能混凝土，其碳化的影响因素主要有：混凝土中的碱储备、冻融循环、正常使用时CO2的浓度、湿度、粉煤灰的细度、水泥品种等因素。本节在满足GB/T 50082-2009的要求下，控制水泥粉用量为50%不变的条件下，着重对前两种因素做控制变量试验，得出粉煤灰高性能混凝土碳化的规律。

3.1 针对于不同石灰剂量的粉煤灰高性能混凝土碳化试验

混凝土的碳化主要是由于混凝土中碱储备不足，尤其是粉煤灰高性能混凝土。由于粉煤灰高性能混凝土中粉煤灰的加入，导致了碱储备较普通混凝土来说有所减少。若想提高粉煤灰高性能混凝土的碱储备，最直接经济的方法就为在其中加入石灰。同时，伴随着石灰的加入，粉煤灰混凝土的水化则进行的更为彻底，强度也有所提高。

试验中采用蚌埠海螺水泥有限公司生产的P.O42.5级水泥；粉煤灰采用淮南平圩电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；集料选用5 mm～10 mm单粒级石灰石碎石。原料的化学组成见表1。

表1 原料的化学组成 %

1)试验。试验1控制CO2含量为20%，温度为20 ℃，湿度为70%，并进行针对于石灰加入剂量和类型的碳化试验。试验中掺加熟石灰并控制石灰掺量为0%,5%,10%(占水泥质量)。试验结果如表2所示。

表2 粉煤灰高性能混凝土碳化深度测试结果(石灰掺量为变量)

2)结论。通过试验1，可以确定在其他条件不变的前提下，粉煤灰高性能混凝土的碳化能够随着石灰加入量的不断增加而有所改善，因此掺入石灰可以提高粉煤灰高性能混凝土的碱储量，降低因碱储量不足而过早使混凝土发生严重的碳化的可能。

3.2 针对于冻融循环下的粉煤灰高性能混凝土的碳化试验

针对于温度的试验着重将进行冻融循环作用下粉煤灰高性能混凝土的碳化探究。粉煤灰高性能混凝土经过冻融循环作用后的碳化是非常特殊的，由于混凝土在冻融循环的过程中孔隙率的增加，使得混凝土更容易发生碳化[6]。本文通过四组试件来表明在相同的冻融残余强度比(相对动弹性模量残余百分比，本文采用50%时的试件)的情况下粉煤灰高性能混凝土碳化的现象。试验结果中，部分试件主要是在内部发生碳化而外部无明显碳化迹象；而其他试件则是在外部发生明显碳化而内部并无碳化迹象。因此通过传统的测试方法已经不能很好地表现出粉煤灰高性能混凝土的碳化程度，本文将采用碳化面积法来进行测控。

1)试验。试验2控制CO2含量为20%，湿度为70%，并针对冻融循环和碱储量变化下的碳化规律进行试验，冻融次数为40次，采用快冻法试验。试验结果如表3所示。

表3 冻融循环下粉煤灰高性能混凝土碳化面积试验结果

2)结论。通过对不同粉煤灰掺量粉煤灰高性能混凝土的冻融循环下的碳化面积试验，可以确定，随着冻融残余强度比的减小，由于粉煤灰高性能混凝土表面出现裂缝，CO2进入试件的通道将进一步扩大，导致试件的碳化程度加剧(见图1,图2)。

4 粉煤灰高性能混凝土的碳化规律模型

通过上述两个试验，初步确定粉煤灰高性能混凝土在碱储备有所提高的情况下，碳化程度随碱储备的提高而减少。而试验2着重针对相同的冻融条件下，碱储备的不同对粉煤灰高性能混凝土碳化的影响。充分模拟了季冻地区的粉煤灰高性能混凝土的使用状态，并通过试验得出依据碳化面积为指标的回归方程如下：

δ=-3×10-6x3+4×10-4x2-8×10-3x+0.445。

其中，δ为混凝土的碳化面积百分率，即碳化面积与粉煤灰高性能混凝土截面面积的比值；x为粉煤灰的掺入量，则石灰掺入量为50%-x。通过三次多项式回归曲线的模拟，初步建立了在季冻地区粉煤灰高性能混凝土的碳化规律模型，直观的对设计和施工中如何提高粉煤灰高性能混凝土的性能提出了指导性建议。通过回归方程可以发现，当粉煤灰的掺入量为11.5%时，碳化程度最小。因此，在进行粉煤灰高性能混凝土设计时，可将混凝土中的粉煤灰含量控制在11.5%左右，并加入38.5%左右的熟石灰提高碱储量，则可以大幅改善粉煤灰高性能混凝土的碳化情况。

5 结语

粉煤灰高性能混凝土以其优良的流动性、粘聚性和保水性在工程中被广泛的使用。同时粉煤灰高性能混凝土由于水化热降低，裂缝出现的几率也将有所减少，对混凝土后期的强度起到了保证。然而粉煤灰高性能混凝土的碱储量由于粉煤灰的加入而被削减，从而导致粉煤灰高性能混凝土抗碳化能力降低，使其耐久性减弱。本文通过模拟季冻地区的粉煤灰高性能混凝土的工作状态和工作条件进行了针对性试验，通过对试验结果的二维回归分析建立了季冻地区粉煤灰高性能混凝土碳化规律的数学模型。通过建立的数学模型给出了碳化程度最小时的粉煤灰加入量与石灰加入量，为设计和施工提供了科学合理的依据。

[1] Kazusuke Kobayashi and Yuichi Uno.Cement and Concrete Research,2012.

[2] 刘 伯.上海市粉煤灰应用技术手册[M].上海:同济大学出版社,1995.

[3] 沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1989.

[4] M.D.A.Thomas, J.D.Matthews,Magazine of Concrete Research,1992,44(160):217-228.

[5] K.Torii,K.Taniguchi，M.Kawamura.Cement and Concrete Research,2010.

[6] 陈树东,孙 伟,余红发,等.冻融循环作用下粉煤灰混凝土碳化规律研究[J].工业建筑,2012,42(1):133-136.

Experimental research on carbonization law of high-performance fly ash concrete

SUN Shu-bin

(AnhuiHydraulicMinistry·HuaiweiHydraulicScienceAcademy,Bengbu233000,China)

The paper simulates the working conditions of high-performance fly ash concrete in frozen region, establishes the mathematical model of high-performance fly ash concrete carbonization law in frozen region with bi-dimensional regression of the experimental results, and finds out minimum fly ash amount and lime amount of the carbonization, which has provided scientific basis for design and construction.

high-performance fly ash concrete, freeze-thaw cycle, carbonization law

1009-6825(2014)22-0115-02

2014-05-12

孙述彬(1975- )，男，工程师

TU528

A