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        碳化對(duì)植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響

        2016-08-10 09:08:31錢(qián)震生福建省建筑科學(xué)研究院福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福州350025
        福建交通科技 2016年3期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能混凝土

        ■錢(qián)震生(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州350025)

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        碳化對(duì)植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響

        ■錢(qián)震生1,2
        (1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州350025)

        研究碳化對(duì)植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響,分析了碳化對(duì)不同齡期植生混凝土pH值及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明,碳化對(duì)早齡期植生混凝土的pH值及抗壓強(qiáng)度的影響明顯,3d試件的pH值上升約6%,抗壓強(qiáng)度下降20%以上,而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),碳化對(duì)于植生混凝土的堿環(huán)境和力學(xué)性能影響不再明顯,通過(guò)分析可知,通過(guò)碳化實(shí)現(xiàn)降低植生混凝土pH值的方式不可行,而延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期和加入大摻量的活性摻合料則能有效地改善堿環(huán)境及其力學(xué)性能。

        植生混凝土堿環(huán)境抗壓強(qiáng)度齡期研究

        植生混凝土是一種既能適合植物生長(zhǎng),又具有一定強(qiáng)度的混凝土,可用于城市建筑綠化,又可用于護(hù)坡護(hù)堤等工程[1],是一種有良好應(yīng)用前景的特種混凝土。其具有連續(xù)大孔結(jié)構(gòu),能使植物根系通過(guò)混凝土孔隙深入土壤層,同時(shí),植物生長(zhǎng)的土壤pH值一般在3.5~9.5范圍[2],因此,在配制植生混凝土?xí)r要重點(diǎn)考慮幾個(gè)方面,包括有效孔隙率、強(qiáng)度,以及內(nèi)部堿環(huán)境[3],目前關(guān)于這些方面的研究相對(duì)較多,本文主要針對(duì)碳化對(duì)植生混凝土的堿環(huán)境及力學(xué)性能方面展開(kāi)研究。

        1試驗(yàn)原材料

        1.1膠凝材料

        選擇P.O42.5的煉石牌水泥,由漳州某廠生產(chǎn)的Ⅱ

        級(jí)粉煤灰,由南京某公司提供的S95級(jí)礦粉,其物理力學(xué)

        性能、化學(xué)組成分別如表1所示。

        1.2粗骨料

        骨料種類(lèi)為:碎石,其粒徑及級(jí)配如表2所示:

        1.3減水劑

        本課題采用福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的TW-PS高效減水劑,其為棕褐色液體,固含量為33%,氯離子含量<0.4%,硫酸鈉含量<8.0%,PH值為6,摻量為水泥用量的0.8%~1.2%,減水率可達(dá)25%~30%。

        1.4增稠劑

        選用了聚丙烯酰胺(HPAM)增稠劑,表3、表4為不同水泥漿水灰比下,摻入0.25%增稠度劑前后水泥漿的粘度及剪切應(yīng)力。

        表1膠凝材料的物理力學(xué)性能

        表2骨料級(jí)配情況

        表3不同水灰比下旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)

        2試驗(yàn)方法

        2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

        制備邊長(zhǎng)為150mm×150mm×150mm立方體試件,以6塊為一組,參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,取平均值為其代表值。

        2.2pH值試驗(yàn)

        參照胡春明[4]的測(cè)試方法,將試件放入尺寸為155mm× 155mm×155mm的容器中,加入蒸餾水,以穩(wěn)定在試件表面以上3mm為準(zhǔn),于24h后取出,測(cè)定容器中水的pH值。

        3試驗(yàn)及結(jié)果分析

        3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,采用優(yōu)化后的配合比,水膠比為0.27,粉煤灰和礦粉復(fù)摻,各為膠凝總量的15%,具體如表5所示。

        表5 植生混凝土配合比(kg/m3)

        依據(jù)表5進(jìn)行攪拌制樣,成型A、B、C、D、E、F、G、H八組試件,均放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2℃,濕度≥95%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),其中B、D、F、H四組試件到達(dá)一定齡期后先進(jìn)行碳化試驗(yàn)后再分別進(jìn)行pH值和抗壓強(qiáng)度測(cè)試,碳化試驗(yàn)方法及條件依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009執(zhí)行,但不對(duì)試件采取石蠟密封處理,而是直接放入碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化,具體齡期及測(cè)試項(xiàng)目如表6所示。

        表6 測(cè)試方案

        3.2結(jié)果及分析

        試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

        表7 測(cè)試結(jié)果

        由表7可知,A、C、E、G四組隨著齡期的增長(zhǎng),pH值呈下降趨勢(shì),抗壓強(qiáng)度基本呈上升,但到112d后,強(qiáng)度基本穩(wěn)定。這主要是由于水化初期C3S和C2S與水反應(yīng)生成的CH,使得混凝土具有高堿性,但粉煤灰與礦渣具有一定的活性,與CH發(fā)生火山灰反應(yīng),消耗掉部分CH,使得混凝土體系中堿性下降,降低了pH值,同時(shí)隨著火山灰反應(yīng)的進(jìn)行,產(chǎn)生了更多的水化硅酸鈣,由于水泥漿的膠凝性能主要取決于水化硅酸鈣的數(shù)量[5],因此,其強(qiáng)度隨之增長(zhǎng),但隨著CH持續(xù)消耗,后期水化硅酸鈣的數(shù)量不再繼續(xù)增加,此時(shí)強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。對(duì)于BDFH四組經(jīng)過(guò)碳化的pH值和抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)與未碳化的基本相同。趨勢(shì)如圖1所示。

        圖1 不同齡期混凝土碳化前后的pH值及抗壓強(qiáng)度值

        表4 不同水灰比下剪切應(yīng)力

        圖2 3d齡期試件的SEM圖

        對(duì)于同齡期的未碳化和碳化的結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律。首先,早齡期碳化后的pH值高于未碳化的混凝土,3d齡期碳化后的pH值從11.63升高到12.28,升高約6%,這似乎與一般經(jīng)驗(yàn)不一致,因?yàn)榘凑找话憬?jīng)驗(yàn)認(rèn)為,隨著CH被碳化消耗掉,其pH值應(yīng)該是降低的,但試驗(yàn)卻與之相反,究其原因可能如下,根據(jù)水泥水化過(guò)程劃分,3d左右為減速期或穩(wěn)定期,此時(shí)C3S周?chē)纬梢粋€(gè)水化物的微結(jié)構(gòu)層而阻礙了C3S的水化反應(yīng)[6],碳化破壞了該層薄膜,從而有利于水份向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散滲透,加速水化,釋放出更多的CH,導(dǎo)致水溶性pH值升高;圖2為3d齡期試樣的SEM圖,(a)為未碳化試樣,(b)為碳化后的試樣,(a)中可見(jiàn)到水化產(chǎn)物CSH無(wú)定形凝膠體及塊狀的CH晶體,而(b)中可見(jiàn)到較多的針柱狀結(jié)構(gòu)的文石,根據(jù)何娟等人的研究表明[7],在水化程度較低時(shí),CSH相比CH更容易碳化,即在3d早期水化程度較低的情況下,碳化主要消耗的是CSH,隨著CSH的消耗及CH的持續(xù)釋放,pH值相對(duì)于未碳化的混凝土升高了。隨著齡期的增長(zhǎng),水化進(jìn)一步完全,在本試驗(yàn)中摻入了膠凝總量30%的活性摻合料的條件下,一方面相對(duì)減少了水泥帶來(lái)的堿量,另一方面活性摻合料通過(guò)水化后期的火山灰反應(yīng),進(jìn)一步消耗CH,從而在齡期達(dá)到112d時(shí),降低了整體的pH值,此時(shí),即使未碳化,混凝土中的pH值也已下降至8.69,碳化對(duì)于pH值得影響已經(jīng)不大了,其值為8.65,該試驗(yàn)亦表明通過(guò)大摻量活性摻合料和長(zhǎng)齡期養(yǎng)護(hù)的方式可以降低植生混凝土中的堿含量。

        多數(shù)的研究表明,對(duì)于緊密堆積型的普通混凝土,碳化能夠一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,但植生混凝土則與之不同,其為無(wú)砂大孔混凝土,以單粒級(jí)骨料為骨架,各骨料通過(guò)包裹著的漿料點(diǎn)對(duì)點(diǎn)粘結(jié)在一起,這些部位截面小,當(dāng)發(fā)生碳化的時(shí)候,這些部位各點(diǎn)的膠漿料發(fā)生了收縮,當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗拉應(yīng)力時(shí)便產(chǎn)生了裂紋,成為應(yīng)力集中區(qū),導(dǎo)致強(qiáng)度下降,從圖1可知,早齡期植生混凝土碳化后的強(qiáng)度下降較明顯,其3d抗壓強(qiáng)度從7.6MPa下降至5.8MPa,強(qiáng)度降低20%以上,這可能是由于早期膠漿料的強(qiáng)度不夠,隨著碳化收縮變形增加,產(chǎn)生裂縫的幾率更大,當(dāng)齡期足夠長(zhǎng)時(shí),膠漿料的水化完成強(qiáng)度增長(zhǎng),同時(shí)由于水膠比較低,漿料密實(shí),碳化通常在表面發(fā)生,形成具有一定硬度和脆性的碳酸鈣,可能會(huì)抵消一部分收縮引起的不利因素,因此,此時(shí)碳化對(duì)植生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響并不明顯,如表5所示,56d時(shí)碳化后抗壓強(qiáng)度從18.2MPa下降至17.9MPa,112d時(shí)碳化后抗壓強(qiáng)度從18.0MPa上升到18.2MPa,變化較小。

        4結(jié)論

        (1)通過(guò)碳化的方法無(wú)法降低植生混凝土的pH值,尤其早齡期時(shí)候,碳化會(huì)提高植生混凝土的pH值,隨著齡期增長(zhǎng),水化反應(yīng)的進(jìn)一步完成及活性摻合料對(duì)CH的消耗,降低了混凝土中的pH值,此時(shí)碳化對(duì)pH值的變化影響不大。試驗(yàn)表明,對(duì)于植生混凝土堿環(huán)境的改善通過(guò)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和摻入大摻量活性摻合料的方式實(shí)現(xiàn)是可行的。

        (2)碳化對(duì)植生混凝土早期強(qiáng)度影響大,本試驗(yàn)中3d齡期混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度下降達(dá)到20%以上,而隨著齡期增長(zhǎng),碳化對(duì)于植生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響逐漸不明顯。

        (3)試驗(yàn)表明,對(duì)于無(wú)砂大孔的植生混凝土,碳化對(duì)于其早期的pH值和抗壓強(qiáng)度存在明顯的不利影響,因此應(yīng)重視其早期的養(yǎng)護(hù)。

        [1]樊建超,羅仁安,馮輝榮.植物相容型生態(tài)混凝土的制備試驗(yàn)與研究[J].福建林業(yè)科技,2005,9:11-14.

        [2]李榮煒,汪守淳,舒國(guó)志,等.植被型生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)堿環(huán)境改造方法研究[J].新型建筑材料,2014,9:11-14.

        [3]陶新明.無(wú)砂大孔混凝土配合比設(shè)計(jì)、成型及養(yǎng)護(hù)[J].混凝土,2010,10:136-141.

        [4]胡春明,胡勇有,虢清偉,等.植生型生態(tài)混凝土孔隙堿性水環(huán)境改善的研究[J].混凝土與水泥制品,2006(3):8-10.

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        [7]何娟,楊長(zhǎng)輝.硅酸鹽水泥混凝土的碳化分析[J].硅酸鹽通報(bào),2009,12:1225-1229.

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