基于混凝土碳化性能的不同养护条件下粉煤灰临界掺量

吕志军

(中铁十六局集团 第五工程有限公司，河北 唐山 064000)

混凝土的养护条件及龄期会对其抗碳化性能产生较大影响，Sulapha et al[3]、阿茹罕等[4]、何小军[5]研究了混凝土在标准养护3、7、14、28 d后的抗碳化性能，结果表明，混凝土在早期养护时间越长，其抗碳化性能相应增强，但对于不同掺量粉煤灰的混凝土，标准养护28 d后其抗碳化性能并没有明显的差异；Zhao et al[6]研究了湿养护90 d粉煤灰混凝土的抗碳化性能，结果表明,对于大掺量粉煤灰混凝土，当水胶比较大时，即使延长早期湿养护时间，其抗碳化性能提高亦不明显；王立川等[7]、王艺霖等[8]、涂永明等[9]对比了自然养护和标准养护条件下隧道衬砌混凝土的抗碳化性能，结果表明，标准养护条件下混凝土的抗碳化性能显著高于自然养护下的混凝土；赵庆新等[10]建立了20 mm碳化深度下粉煤灰临界掺量与水胶比的数学关系，但考虑养护条件太少，不能充分适应工程实际。在混凝土碳化的研究过程当中，着重于研究标准养护3、7、14、28 d的混凝土[11-12]，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，降低混凝土的碱度，对其抗碳化性能产生一定的影响[13-14]。

基于以上分析，在CO2体积分数(20±3)%、温度(20±2)℃、相对湿度(70±5)%环境中研究了标准养护28、56、90 d、干养护3 a(分别记为A、B、C、D养护条件)，水胶比0.37、0.45、0.53，粉煤灰掺量等质量替代水泥0、30%、45%、60%以及水胶比0.61的纯水泥混凝土的碳化深度，标准养护56 d和90 d不仅达到了常规研究混凝土抗碳化性能中标养28 d的要求，还使粉煤灰的二次水化作用更为充分，降低其对混凝土抗碳化性能产生的不确定性影响。根据混凝土保护层厚度不得小于20 mm的要求，建立了不同养护条件下确保混凝土碳化耐久性的粉煤灰掺量与水胶比关系的数学模型。

1 实验

1.1 原材料

实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，减水率为30%；拌合用水为自来水。

表1 试验用胶凝材料化学成分和比表面积

1.2 实验方法

1.2.1 配合比

水胶比分别为0.37、0.45、0.53，粉煤灰等质量取代水泥分别为0%、30%、45%和60%。同时，在实验进行的过程中，将其中一组水胶比增加0.61的基准混凝土组。具体配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.2.2 试件制备与养护

依据表2所示配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的试件，成型后标准养护24 h后拆模，再把各个组的混凝土根据龄期分成湿养护28、56、90 d以及干养护3 a这4个组(记作A、B、C、D组养护)，从而展开不同条件下混凝土抗碳化性能的研究。

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1.2.3 试件制备与养护

将4种养护龄期条件下的混凝土试件参照GB/T 50082—2019中描述的试件碳化处理方法进行试验。

2 结果与分析

2.1 不同养护方式下粉煤灰掺量及水胶比对碳化的影响

各养护条件下混凝土经快速碳化3、7、14、28 d后，各龄期碳化深度如图1所示。

图1 不同养护方式下混凝土各龄期碳化深度

由图1中数据分析可以看出：相同粉煤灰掺量条件下，混凝土碳化深度均会随着水胶比的增大而增大，当水胶比为0.37和0.45时，水胶比对混凝土的碳化影响较小，但当水胶比为0.53时，各组混凝土碳化速率加快，这主要是由于低水胶比可使混凝土的结构紧密度提高，而高水胶比则会令混凝土的孔隙率扩大，加快了CO2的扩散速率，使混凝土加速碳化。

同等粉煤灰掺量条件下，D组养护条件下混凝土各龄期碳化深度均高于A、B、C 3组；当不掺粉煤灰，水胶比为0.37和0.45时，4种养护条件下混凝土碳化深度差异不明显，当水胶比增大至0.53时，D组养护条件下混凝土劣化较为明显；当粉煤灰掺量为30%时，随着养护时间的延长，水胶比为0.53组的混凝土抗碳化性能增强较为明显，其他组混凝土的抗碳化性能变化仍不明显；当粉煤灰掺量增加至45%和60%，水胶比为0.53时，各养护条件下混凝土抗碳化性能差别不大，水胶比为0.37和0.45时，延长养护时间可显著提高其抗碳化性能，但此时B、C条件下混凝土抗碳化性能差别不大，这表明对于大掺量粉煤灰混凝土，较低的水胶比和适当延长的养护时间(一般不超过56 d)是其抗碳化性能得以保障的有效措施。

2.2 不同养护方式及水胶比条件下粉煤灰临界掺量

对各水胶比条件下混凝土碳化深度随粉煤灰掺量变化规律曲线进行拟合分析

X=a+m(WFA)n

(1)

不同养护方式及水胶比条件下，碳化深度随粉煤灰掺量变化规律的拟合系数如表3所示。

表3 不同养护方式对碳化深度变化影响的曲线拟合系数

从表3可以看出，拟合曲线具有较好的拟合度，可以比较客观真实地反映混凝土的碳化深度变化规律。

为能够使数据范围扩大，从而进一步推断粉煤灰的掺量是0%的时候，其临界的水胶比情况，在展开全方位实验的同时，对各组养护方式增加一组水胶比为0.61的基准混凝土组，不同水胶比下混凝土28 d碳化深度如图2所示。

图2 各类养护方式及水胶比之下的混凝土碳化深度折线图

由图2可以看出：D养护条件下混凝土出现了较为严重的碳化。水胶比为0.61时，其28 d碳化深度是23.7 mm，为水胶比0.37时的4.9倍。对实验数据展开拟合分析，同时对拟合的结果进行筛选，通过系数较高的指数函数来完成拟合。拟合曲线如图3所示。

图3 各组养护条件下不同水胶比混凝土碳化深度的拟合曲线

由图3可以看出，各拟合曲线相关系数较高，能够较好地反映水胶比对混凝土抗碳化性能的影响规律。在各拟合曲线中分别代入最大的碳化深度20 mm，可以计算出各组养护方式下对应的水胶比分别为0.68、0.67、0.65、0.57。不同的养护方法的混凝土都达到相应的水胶比率的时候，在不同组别下的混凝土最大粉煤灰的掺量数值是0%。

2.3 各组养护方式中的粉煤灰掺量的数学模型

根据表3所有拟合数据值，为保证混凝土基本抗碳化性能，将混凝土最小保护层厚度20 mm代入式(1)中，计算出不同养护方式各水胶比条件下混凝土中粉煤灰的临界掺量，结果如表4所示。

表4 不同养护方式与水胶比对应的粉煤灰掺量极限值 %

由表4可知：C养护条件下水胶比较小时，得出的粉煤灰掺量超出了界限值，故不予分析；当水胶比较大时，C养护条件下的粉煤灰掺量反而较A、B养护条件下更小，这说明对于强度较低的大掺量粉煤灰混凝土，延长湿养护时间至90 d仍不能提高其抗碳化性能，相反还会对其抗碳化性能产生不利的影响。

现对粉煤灰掺量和水胶比之间数据进行拟合，如图4所示。

图4 各养护条件下水胶比和粉煤灰掺量数学模型图

3条拟合直线较好地反映出不同养护条件下水胶比和最大粉煤灰掺量之间的关系，在实际施工时，可根据养护条件确定粉煤灰的临界掺量，进而指导拌合站的配合比设计，对混凝土的抗碳化性能进行事前控制。

3 结论

在对比了各组混凝土碳化研究数据之后，得到下述结论：

(1) 在水胶比为0.37和0.45时，水胶比对混凝土抗碳化性能的影响较小；当水胶比为0.53时，各组混凝土碳化速率明显加快。

(2) 对于大掺量粉煤灰混凝土，较低的水胶比和适当延长的早期养护时间(一般不超过56 d)可使其抗碳化性能得以保证。

(3) 对于强度较低的大掺量粉煤灰混凝土，延长湿养护时间至90 d仍不能提高其抗碳化性能，相反还会对其抗碳化性能产生不利的影响。

(4) 建立了在保证碳化深度20 mm条件下不同养护方式时的水胶比与临界粉煤灰掺量的数学关系Φ=171.2-240.3W/B、Φ=230.4-332.6W/B、Φ=111.0-164.4W/B，在实际施工时，可根据养护条件确定粉煤灰的临界掺量，进而指导拌合站的配合比设计，对混凝土的抗碳化性能进行事前控制。