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(1. 山西交通職業(yè)技術(shù)學院 土木工程實訓中心, 山西 太原 030619；2. 山西誠達公路勘察設計有限公司， 山西 太原 030006)

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礦物摻和料對混凝土抗?jié)B和抗碳化性能影響的研究

李燕軍1， 張美珍1， 牛寧2

(1. 山西交通職業(yè)技術(shù)學院 土木工程實訓中心, 山西 太原 030619；2. 山西誠達公路勘察設計有限公司， 山西 太原 030006)

摘要:通過試驗， 研究了不同標準養(yǎng)護時間和濕度下， 礦渣粉替代粉煤灰比例對混凝土吸水率、 氯離子滲透系數(shù)和不同碳化齡期碳化深度的影響. 試驗結(jié)果表明， 養(yǎng)護時間越長， 養(yǎng)護濕度越大， 混凝土的抗?jié)B性能和抗碳化性能越好； 隨著礦渣粉替代比例的增多， 混凝土抗?jié)B性能和抗碳化性能逐漸增強， 當替代比例超過60%時， 混凝土的抗?jié)B性能和抗碳化性能會得到明顯改善； 碳化深度和吸水率之間有較好的線性相關(guān)性， 當?shù)V渣粉替代比例超過40%時， 回歸系數(shù)k值會明顯減小. 所以， 礦渣粉替代粉煤灰比例不宜小于60%.

關(guān)鍵詞:混凝土； 礦物摻和料； 抗?jié)B性能； 抗碳化性能； 養(yǎng)護條件

0引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展， 混凝土逐漸向綠色、 高性能、 智能化方向發(fā)展， 以礦物摻和料替代部分膠凝材料的混凝土具有廣闊的應用前景， 其中最為突出的是大摻量粉煤灰混凝土[1-2]. 研究表明， 粉煤灰的摻加能顯著降低水泥的水化熱， 提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力， 抑制堿骨料反應的發(fā)生[3-4]. 然而， 粉煤灰對混凝土的抗碳化性能、 抗?jié)B性能和抗凍融性能卻有不利影響[5-6]. 如何提高大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能和抗?jié)B性能已成為研究的熱點. 何庭樹[7]對比研究了礦渣粉和粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響， 結(jié)果表明礦渣粉對混凝土抗?jié)B性能的貢獻遠大于粉煤灰. 趙蘇政[8]、 李春輝[9]等人研究了粉煤灰、 礦渣粉和硅灰等礦物摻和料單摻、 復摻對混凝土抗?jié)B性能和抗碳化性能的影響， 結(jié)果表明復摻型摻合料混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)于普通混凝土， 粉煤灰摻量越大礦渣粉摻量越小， 混凝土抗碳化性能越差. 以上研究均從材料組成方面探討了礦物摻和料混凝土的抗?jié)B和抗碳化性能， 并沒有考慮養(yǎng)護條件對其的影響. 混凝土的抗?jié)B和抗碳化性能不僅與自身的材料組成有關(guān)， 而且與養(yǎng)護條件密切相關(guān)[10-11]， 養(yǎng)護條件不同則水泥的水化硬化速度和混凝土的微觀結(jié)構(gòu)不同， 因此抗?jié)B和抗碳化性能也會有所不同. 本文研究了不同養(yǎng)護條件下復摻粉煤灰和礦渣粉混凝土的抗?jié)B性能和抗碳化性能， 為進一步研究礦物摻和料混凝土的耐久性提供新思路.

1試驗

1.1原材料

本文選用河南三星水泥工業(yè)有限公司生產(chǎn)的 P.O 42.5 水泥， 主要組成見表 1， 主要力學性能指標見表 2； 粗集料為5～20 mm連續(xù)級配碎石， 表觀密度為2.65 g/cm3； 細集料采用普通河砂， 細度模數(shù)為2.63， 密度為2.63 g/cm3； 礦物摻和料選用Ⅰ級粉煤灰和磨細礦渣粉， 兩者的比表面積分別為550 kg/m3和460 kg/m3， 其主要化學組成見表 3； 減水劑為聚羧酸系高效減水劑； 不同礦渣粉替代粉煤灰比例下的混凝土配合比見表 4， 其中粉煤灰和礦渣粉的總量為水泥質(zhì)量的50%.

1.2試驗方法

1.2.1吸水率試驗

將成型好的混凝土試塊在一定條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期后(養(yǎng)護齡期由空氣養(yǎng)護和標準養(yǎng)護組成， 總共為28 d)， 放入 110±5 ℃ 的烘箱中烘干48 h， 稱量試塊的干重. 然后將試塊放入常溫水中浸泡72 h(全浸泡法)， 稱量試塊的飽和面干質(zhì)量， 最后由干重和飽和面干質(zhì)量計算混凝土的吸水率.

1.2.2氯離子滲透試驗

成型尺寸為150×150×150 mm的混凝土試件， 達到規(guī)定養(yǎng)護條件后鉆芯取樣， 芯樣的尺寸為100×50 mm的圓柱體. 按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中的通電量法測定混凝土圓柱體芯樣的氯離子滲透系數(shù).

1.2.3碳化試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)， 成型尺寸為100×100×100 mm 的混凝土試件達到規(guī)定養(yǎng)護條件后， 在CO2濃度為20±5%， 溫度為20±5 ℃， 相對濕度為80±5%的碳化箱中進行碳化. 碳化時封閉混凝土試件的其余4個表面， 只留兩個相對的表面， 測定經(jīng)不同碳化時間后的碳化深度.

2標準養(yǎng)護時間對混凝土性能的影響

2.1標準養(yǎng)護時間對滲透性能的影響

控制空氣養(yǎng)護和標準養(yǎng)護的總時間為28 d， 分別測定不同標準養(yǎng)護時間時， 礦渣粉替代粉煤灰比例為0%, 20%, 40%, 60%, 80%和100%時混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)， 研究標準養(yǎng)護時間和礦渣粉替代比例對混凝土抗?jié)B性能的影響， 試驗結(jié)果如圖 1 所示.

從圖 1 可以看出， 同等條件下， 混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)隨著標準養(yǎng)護時間的增多逐漸減小. 其中， 當標準養(yǎng)護時間由0 d(0 d標準養(yǎng)護+28 d空氣養(yǎng)護)變?yōu)? d(3 d標準養(yǎng)護+25 d空氣養(yǎng)護)時， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)大幅降低， 之后氯離子滲透系數(shù)隨標準養(yǎng)護時間的變化趨勢較小； 而當標準養(yǎng)護時間超過14 d時， 吸水率的降低幅度又開始增大. 表明當養(yǎng)護總時間一定時， 標準養(yǎng)護時間越長， 混凝土的抗?jié)B性能越好. 這主要是因為在空氣中養(yǎng)護時， 由于水分不足， 一方面水泥水化不完全， 生成的Ca(OH)2較少， 無法激活礦物摻和料的火山灰效應， 無法生成更多的二次水化產(chǎn)物填充混凝土的孔隙， 導致混凝土密實性下降； 另一方面由于水分的缺失， 混凝土中的自由水蒸發(fā)變成表面吸附水， 造成混凝土疏松多孔， 孔隙率較大， 因此抗?jié)B性能不足. 隨著標準養(yǎng)護時間的增長， 尤其是當標準養(yǎng)護時間超過14 d時， 水泥水化反應加劇， 礦物摻和料的火山灰效應增強， 生成了更多的二次水化產(chǎn)物填充在混凝土內(nèi)部的孔隙中， 使混凝土內(nèi)部的毛細孔數(shù)量急劇減少， 混凝土密實度增大， 因此吸水率和氯離子滲透系數(shù)減小， 抗?jié)B性能得到改善.

當養(yǎng)護時間相同時， 隨著礦渣粉替代粉煤灰比例的增大， 混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)逐漸減小， 其中當?shù)V渣粉的替代比例超過60%時， 氯離子滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定. 表明礦渣粉單摻時混凝土的抗?jié)B性能最好， 粉煤灰和礦渣粉復摻時抗?jié)B性能次之， 單摻粉煤灰時抗?jié)B性能最差. 這主要是因為， 一方面粉煤灰活性較差， 二次水化反應緩慢， 而礦渣粉活性較好， 同等條件下能生成更多的水化反應產(chǎn)物填充在混凝土內(nèi)部的孔隙中； 另一方面， 礦渣粉吸附氯離子的能力很強， 因此礦渣粉替代比例越大， 混凝土抗?jié)B性能越好.

2.2標準養(yǎng)護時間對抗碳化性能的影響

分別測定不同標準養(yǎng)護時間和礦渣粉替代粉煤灰比例時， 混凝土在不同碳化齡期(3, 7, 14和28 d)的碳化深度. 研究標準養(yǎng)護時間和礦渣粉替代比例對混凝土抗碳化性能的影響， 試驗結(jié)果如圖 2 所示.

從圖 2 可以看出， 當?shù)V渣粉替代比例相同時， 隨著標準養(yǎng)護時間的增多， 混凝土各碳化齡期的碳化深度逐漸減小， 混凝土抗碳化性能逐漸增強， 其中當標準養(yǎng)護時間大于7 d時， 各碳化齡期的碳化深度差別較小. 其原因為， 當標準養(yǎng)護時間為0 d或者時間較短時， 礦渣粉來不及水化， 混凝土內(nèi)部孔隙較多. 而當標準養(yǎng)護時間大于7 d時， 充足的水分為礦渣粉的水化提供了良好的環(huán)境， 其二次水化的產(chǎn)物使混凝土的密實度提高， 孔隙率逐漸減小， CO2的擴散速率逐漸降低， 因此混凝土的抗碳化性能逐漸加強.

當養(yǎng)護時間相同時， 隨著礦渣粉替代粉煤灰比例的增大， 混凝土不同碳化齡期的碳化深度逐漸減小， 抗碳化性能逐漸增強. 在相同的養(yǎng)護條件下， 混凝土前期的碳化速度較快， 而當碳化齡期超過7 d時， 碳化速度較小. 這是因為混凝土是一種典型的多孔結(jié)構(gòu)材料， 在碳化初期CO2通過混凝土中的毛細管道向混凝土內(nèi)部擴散， 并與混凝土中的堿性水化產(chǎn)物發(fā)生中和反應生成CaCO3， 使混凝土的堿性下降. 隨著CO2的繼續(xù)擴散， 生成的CaCO3逐漸增多， CaCO3填充在混凝土內(nèi)部的孔隙中， 使混凝土的密實度增大， 切斷了CO2的擴散渠道， 因此碳化后期的碳化速度降低.

混凝土的抗碳化性能主要與其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)， 而混凝土的吸水率主要反映了混凝土內(nèi)部毛細連通孔的數(shù)量， 為了驗證混凝土抗碳化性能與混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系， 將混凝土不同養(yǎng)護機制下的吸水率和碳化28 d的碳化深度進行線性回歸， 具體回歸模型見式(1)， 回歸結(jié)果見表 5.

(1)

式中：C為混凝土的碳化深度， mm；W為混凝土的吸水率， %；k，d為回歸系數(shù)， 其中k越大表明碳化深度隨吸水率的變化趨勢越大.

從表 5 可以看出， 礦物摻和料單摻和復摻時， 混凝土的碳化深度和吸水率之間都有較好的線性相關(guān)性， 相關(guān)系數(shù)均大于0.9. 隨著吸水量的增多， 混凝土的碳化深度逐漸增大， 其中當?shù)V渣粉替代粉煤灰的比例大于40%時， 隨著替代比例的增多，k值逐漸減小， 碳化深度隨吸水率的變化趨勢減小.

3養(yǎng)護濕度對混凝土性能的影響

3.1養(yǎng)護濕度對滲透性能的影響

分別測定不同的養(yǎng)護濕度(60%, 70%和90%)和礦渣粉替代比例時， 混凝土養(yǎng)護28 d的吸水率和氯離子滲透系數(shù)， 研究養(yǎng)護濕度對混凝土抗?jié)B性能的影響， 試驗結(jié)果如圖 3 所示， 其中養(yǎng)護溫度為室溫(20 ℃).

從圖 3 可以看出， 養(yǎng)護濕度對混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)有較大的影響， 尤其對吸水率的影響更大. 當?shù)V渣粉替代比例為60%， 養(yǎng)護濕度由60%增大至70%和90%時， 吸水率分別從4.05%減小至3.66%和3.35%， 分別降低了9.6%和17.3%. 相關(guān)研究表明[12]， 當養(yǎng)護濕度大于80%時， 混凝土中的水泥和礦物摻和料才能夠進行正常的水化， 且濕度越大， 水化反應越快； 當養(yǎng)護濕度較低時， 一方面混凝土中水泥的水化產(chǎn)物較少， 無法對混凝土的孔結(jié)構(gòu)造成明顯的堵塞作用； 另一方面， 混凝土失水過多， 對粉煤灰和礦渣粉的二次水化反應造成不利影響， 因此混凝土吸水量較大， 抗?jié)B性能不足[13].

當?shù)V渣粉替代粉煤灰的比例小于60%時， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)的降低幅度較明顯， 而當?shù)V渣粉替代粉煤灰的比例大于60%時， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)變化幅度有限， 尤其是氯離子滲透系數(shù)更是趨于穩(wěn)定， 表明礦渣粉替代粉煤灰的最小比例為60%.

3.2養(yǎng)護濕度對抗碳化性能的影響

分別測定對于不同養(yǎng)護濕度和礦渣粉替代比例， 當混凝土養(yǎng)護28 d時各碳化齡期的碳化深度， 研究養(yǎng)護濕度對混凝土抗碳化性能的影響， 試驗結(jié)果如圖 4 所示.

從圖 4 可以看出， 養(yǎng)護濕度對混凝土的抗碳化性能具有較大的影響. 隨著養(yǎng)護濕度的增大， 混凝土各碳化齡期的碳化深度逐漸減小， 抗碳化性能逐漸提高， 尤其對礦渣粉替代比例較小的情況， 這一趨勢更加明顯. 當養(yǎng)護濕度較低時， 水泥的水化和礦物摻和料的水化活性都受到不良影響， 礦物摻和料的二次水化作用無法正常進行， 致使混凝土結(jié)構(gòu)疏松多孔， CO2的擴散速度加快， 因此混凝土抗碳化性能下降. 而當養(yǎng)護濕度較大時， 不僅水泥能夠正常進行水化作用， 而且礦物摻和料的活性也被徹底激發(fā)， 生成大量的膠凝材料填充在混凝土的內(nèi)部孔中， 減少了連通孔的數(shù)量， 因此抗碳化性能都得到改善[14-15].

在各養(yǎng)護濕度條件下， 當?shù)V渣粉替代比例小于60%時， 隨著礦渣粉替代比例的增多， 混凝土各碳化齡期的碳化深度大幅降低， 而當?shù)V渣粉替代比例大于60%時， 碳化深度隨礦渣粉替代比例的減小趨勢放緩. 表明各濕度養(yǎng)護條件下， 單摻粉煤灰、 單摻礦渣粉、 復摻粉煤灰和礦渣粉時混凝土抗碳化性能的順序是： 單摻礦渣粉>復摻粉煤灰和礦渣粉>單摻粉煤灰. 當?shù)V渣粉替代比例大于60%時， 混凝土的抗碳化性能會得到明顯改善.

4結(jié)論

1) 標準養(yǎng)護時間越長， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)越小， 混凝土抗?jié)B性能越好； 隨著礦渣粉替代粉煤灰比例的增大， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)逐漸減小， 其中當?shù)V渣粉替代比例大于60%時， 氯離子滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定.

2) 延長標準養(yǎng)護時間、 增大礦渣粉替代比例都能降低各碳化齡期的碳化深度， 提高混凝土的抗碳化性能； 同等條件下， 碳化初期混凝土碳化深度隨碳化齡期的延長大幅增大， 而碳化后期碳化深度隨碳化齡期的變化趨勢較小； 各礦渣粉替代比例下吸水率和碳化深度之間有較好的線性相關(guān)性， 當?shù)V渣粉替代比例大于40%時，k值逐漸減小.

3) 養(yǎng)護濕度對混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)有較大的影響， 當養(yǎng)護濕度由60%增大至90%時， 混凝土的抗?jié)B性能得到明顯改善； 各養(yǎng)護濕度下， 吸水率和氯離子滲透系數(shù)隨礦渣粉替代比例的增大逐漸減小， 其中當替代比例大于60%時， 氯離子滲透系數(shù)變化幅度很小.

4) 增大養(yǎng)護濕度， 能明顯減小混凝土各碳化齡期的碳化深度， 大幅改善混凝土的抗碳化性能； 礦渣粉替代比例越大， 碳化深度越小， 其中當?shù)V渣粉替代比例大于60%時， 混凝土的抗碳化性能會得到明顯改善.

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Study on the Effect of Mineral Admixture on Anti-Permeability and Anti-Carbonization Properties of Concrete

LI Yan-jun1， ZHANG Mei-zhen1， NIU Ning2

(1. Civil Engingeering Training Center, Shanxi Traffic Vocational and Technical College， Taiyuan 030619， China；2. Shanxi Chengda Highway Survey and Design Co. Ltd., Taiyuan 030006, China)

Key words:concrete; mineral admixture; anti-permeability; anti-carbonation; maintenance condition

Abstract:The effects of ratio of slag powder instead of fly ash on water absorption, chloride ion permeability coefficient and carbonization depth of different carbonization ages were studied under different standard curing time and humidity. The test results showed that the longer the curing time, the greater the curing humidity, the better the concrete anti-permeability performance and anti-carbonation performance; with the increase slag powder substitution ratio, concrete anti-permeability and anti-carbonation resistance increase gradually; when the replacement ratio was more than 60%, concrete impermeability and anti-carbonation performance will be significantly improved. Good linear correlation between the carbonation depth and water absorption rate, when the slag powder instead of more than 40%, and regression coefficientkwill be significantly reduced. We can tet that the ratio of slag powder instead of fly ash should not be less than 60%.

文章編號:1673-3193(2016)03-0311-07

收稿日期:2015-11-18

作者簡介：李燕軍(1974-)， 男， 高級工程師， 主要從事土木工程研究.

中圖分類號:

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.019