粉煤灰对混凝土抗碳化性能的影响

齐继民，王相国，李兴坤

（临沂中联混凝土混凝土有限公司，山东 临沂 276000）

0 前言

混凝土的碳化通常指的是空气中的二氧化碳气体通过混凝土毛细孔扩散到其内部，再与水泥的水化产物发生相应的物理化学反应，最终形成稳定化合物碳酸钙的过程[1]。碳化改变了混凝土内部的酸碱环境，导致碱性降低，酸性增强，因此破坏了起保护作用的钢筋表面的钝化膜，进而加快了对钢筋的腐蚀，所以对混凝土抗碳化性能的研究具有重要意义。

粉煤灰是一种具有火山灰活性的材料，被广泛应用于混凝土工程中。在 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[2]将粉煤灰划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三个等级，GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》[3]中规定Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰可用于钢筋混凝土，Ⅲ 级粉煤灰主要应用于无筋混凝土。

不同等级品质粉煤灰的化学成分和物理结构的不同导致其对混凝土抗碳化性能的影响也有所差异。本文以C30 强度等级的混凝土为例，对比研究了Ⅰ、Ⅱ级两种不同品质的粉煤灰以及粉煤灰掺量等因素对混凝土抗碳化性能的影响，从而为混凝土抗碳化性能的研究提供理论参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥选用临沂中联水泥有限公司生产的 P·O42.5 水泥，主要性能指标见表 1；粉煤灰选用费县发电厂的Ⅰ、Ⅱ级灰，主要化学成分及性能指标见表 2、表 3；矿粉选用临沂中联水泥有限公司生产粒化高炉矿渣粉S95，比表面积为 420m2/kg。

表1 水泥的主要物理性能

表2 粉煤灰的化学成分 %

表3 粉煤灰的主要物理性能 %

1.2 试验方法

混凝土的碳化试验按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[4]和 JG/T 247—2009《混凝土碳化试验箱》[5]进行，试验过程中控制碳化试验箱内二氧化碳浓度保持在 (20±3)%、湿度控制在 (70±5)%、温度控制在 (20±2)℃的范围内。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰品质对混凝土抗碳化性能的影响

试验选用Ⅰ、Ⅱ级两种品质的粉煤灰，粉煤灰的掺入量为水泥质量的 20%，与不掺入粉煤灰的混凝土试块做对比试验，试验试块编号分别为 P1、P2、P3，具体配合比见表 4，测定混凝土试块在 3d、7d、14d、28d时的碳化深度，探究粉煤灰品质对混凝土抗碳化性能的影响，试验结果见表 5 和图 1。

表4 不同品质粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

从表 5 和图 1 可以看出，掺入Ⅰ级粉煤灰的混凝土试块 P2 和掺入Ⅱ级粉煤灰的混凝土试块 P3 在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值都要比不掺粉煤灰的混凝土试块 P1 大，试块 P3 的碳化深度值略大于试块 P2，说明了粉煤灰的掺入加大了混凝土的碳化深度值，Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗碳化性能略低于Ⅰ级粉煤灰混凝土。其中主要的原因：一是，相比较于Ⅱ级粉煤灰，Ⅰ级粉煤灰的细度较小、颗粒较细，具有较大的比表面积，能够更好地填充于混凝土结构中[6]；二是，Ⅰ级粉煤灰的需水量比小，即在水灰比不变的条件下，更多的水分参与水泥的水化，使得水泥的水化更彻底，混凝土内部结构相对密实，所以，Ⅰ级粉煤灰混凝土的碳化深度值略小，抗碳化性能略强于Ⅱ级粉煤灰。

图1 粉煤灰品质对混凝土碳化深度的影响

表5 粉煤灰品质对混凝土碳化深度的影响

2.2 粉煤灰掺量对混凝土抗碳化性能的影响

试验选用Ⅱ级品质的粉煤灰，将粉煤灰替代不同水泥质量作为变量因素，替代水泥的质量分别为 0%、10%、20%、30%，试验试块编号分别为 T1、T2、T3、T4，具体配合比见表 6，测定混凝土试块在 3d、7d、14d、28d 时的碳化深度，探究粉煤灰掺量对混凝土抗碳化性能的影响，试验结果见表 7 和图 2。

表6 不同粉煤灰掺量混凝土配合比 kg/m3

从表 7 和图 2 可以看出，掺入粉煤灰的混凝土试块 T2、T3、T4 较不掺粉煤灰的混凝土试块 T1 的碳化深度值大，T2、T3、T4 的碳化深度值大小为：T4＞T3＞T2，即随着粉煤灰掺量的增加，混凝土试块在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值呈现变大的趋势，粉煤灰替代水泥质量 30% 时，28 天的碳化深度值是不掺粉煤灰混凝土的 1.5 倍。说明了粉煤灰掺入的越多，其混凝土的抗碳化性能越弱。其中主要的原因是，粉煤灰是一种活性混合材料[7-8]，替代部分水泥加入到混凝土中后，在水泥水化的早期不发生化学反应，随着水泥水化进一步的进行，激发了粉煤灰的活性，粉煤灰中的 Al2O3与 SiO2和水泥水化的碱性物质 Ca(OH)2发生反应，造成了混凝土碱性的降低，抗碳化性能的减弱。

表7 粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响

图2 粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响

3 结论

（1）在粉煤灰的掺入量为水泥质量的 20% 下，Ⅰ级粉煤灰略低于Ⅱ级粉煤灰混凝土的碳化深度值，其混凝土抗碳化性能相对更优。

（2）与不掺粉煤灰混凝土相比，掺入粉煤灰混凝土的碳化深度值更大，说明了粉煤灰的掺入，降低了混凝土抗碳化性能。

（3）随着粉煤灰掺量的增加，混凝土试块在 3d、7d、14d、28d 的碳化深度值呈现变大的趋势，粉煤灰替代水泥质量 30% 时，28 天的碳化深度值是不掺粉煤灰混凝土的 1.5 倍。