李 健

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

地質(zhì)聚合物，亦或低鈣堿激發(fā)硅鋁酸鹽水泥[1]，通常指含硅、鋁質(zhì)原材料的天然礦物或各種固體廢物與堿激發(fā)劑反應(yīng)而形成的膠凝材料。與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥基材料相比，地質(zhì)聚合物早期力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、抗硫酸鹽侵蝕性能良好，但其干燥收縮較大、抗碳化耐久性能隨制備原材料不同波動(dòng)較大等缺點(diǎn)限制了其在建筑工程中的應(yīng)用[2-3]。為了更好的推廣地聚物混凝土，耐久性，特別是抗碳化耐久性能的研究是非常必要的[4]。

就國(guó)內(nèi)外已有研究成果來(lái)看，關(guān)于地聚物混凝土的抗碳化性能的研究較少，制備原材料的不同對(duì)于地聚物混凝土抗碳化耐久性能影響較大。Al-Otaibi[5]等人系統(tǒng)研究了硅酸鹽水泥和堿礦渣水泥的碳化，發(fā)現(xiàn)堿礦渣水泥的碳化深度比硅酸鹽水泥大；Bakharev[6]等將堿激發(fā)礦渣和普通硅酸鹽水泥暴露在20 %二氧化碳濃度70 %濕度的環(huán)境中，結(jié)果表明堿激發(fā)礦渣混凝土的碳化深度大于普通硅酸鹽混凝土。而胡澤英[7]將以礦渣和偏高嶺土為膠凝材料制備的無(wú)機(jī)礦物聚合物混凝土及普通硅酸鹽水泥混凝土在同等條件下進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn)，結(jié)果表明在各個(gè)測(cè)試齡期內(nèi)礦渣基地聚物混凝土碳化深度均小于普通硅酸鹽水泥混凝土；黃琪[8]等用Na+、K+離子遷移數(shù)量對(duì)比研究了粉煤灰基地質(zhì)聚合物及普通混凝土抗碳化性能，得到粉煤灰地質(zhì)聚合物混凝土抗碳化性能較好的結(jié)論。即便針對(duì)于粉煤灰基地聚物混凝土而言，粉煤灰的選取對(duì)其碳化耐久性亦有較大影響。Badar[9]等經(jīng)過(guò)快速碳化試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，低鈣體系粉煤灰基地質(zhì)聚合物比高鈣粉煤灰基地質(zhì)聚合物擁有較好的耐鋼筋銹蝕優(yōu)勢(shì)(抵御碳化侵蝕的能力)。

本文針對(duì)不同礦渣摻量的粉煤灰基地聚物混凝土進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)定碳化前后不同齡期抗折、抗壓強(qiáng)度、碳化深度、pH值等來(lái)反映其快速碳化效果，由此來(lái)探索粉煤灰基地聚物混凝土的抗碳化性能。

1 抗碳化耐久性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 粉煤灰、礦渣

粉煤灰(FA)采用四川省成都博磊資源循環(huán)開(kāi)發(fā)有限公司制備的I級(jí)粉煤灰，45 μm微米篩篩余為7.5 %，燒失量2.3 %；礦渣(SL)45微米篩篩余為7.4 %，燒失量為0.1 %。粉煤灰、礦渣的化學(xué)成分如表1所示。

表1 粉煤灰、礦渣水玻璃溶液和氫氧化鈉溶液化學(xué)成分 %

1.1.2 堿激發(fā)劑

堿激發(fā)劑采用水玻璃(Na2SiO3)與氫氧化鈉(NaOH)的復(fù)合激發(fā)劑，其模數(shù)為1.36。水玻璃產(chǎn)自廣東佛山科凝新材料科技有限公司，為無(wú)色黏稠液體，模數(shù)為2.43。試驗(yàn)中通過(guò)加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)。氫氧化鈉產(chǎn)自四川成都科龍化工試劑廠，為純度不低于98.0 %的固態(tài)圓形顆粒，通過(guò)加入城市自來(lái)水配置成12 mol/L的氫氧化鈉溶液。水玻璃溶液(SS)和氫氧化鈉溶液(SH)的化學(xué)成分如表1所示。

1.1.3 集料

粗集料采用5～10 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料采用Ⅱ區(qū)中粗機(jī)制砂。

1.2 試件制作

考慮到粉煤灰基地聚物混凝土如采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)程序，其強(qiáng)度發(fā)展十分緩慢，通常將礦渣與粉煤灰復(fù)摻制備復(fù)合膠凝材料，可以縮短地聚物凝結(jié)時(shí)間并提高強(qiáng)度[10-11]。本試驗(yàn)分別制作了粉煤灰、礦渣質(zhì)量比為9∶1(GPC-10)、7∶3(GPC-30)、5∶5(GPC-50)的三種試件，試件大小為40 mm×40 mm×160 mm，配合比如表2所示。

表2 地聚物混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 快速碳化試驗(yàn)

參考規(guī)范GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及CR 12793-1997《硬質(zhì)混凝土碳酸化深度測(cè)量》，進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。碳化箱條件設(shè)定為二氧化碳濃度3 %，相對(duì)濕度(70±5)%，溫度(20±2)℃；分別選取三個(gè)配比養(yǎng)護(hù)至28 d、84 d齡期時(shí)試件進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，碳化測(cè)試時(shí)間設(shè)定為3 d、7 d、14 d以及28 d。達(dá)到碳化時(shí)間時(shí)每組各取3個(gè)試件進(jìn)行混凝土抗折試驗(yàn)，折斷后在斷面上噴灑濃度為1 %的酚酞酒精溶液，30 s后使用鋼尺測(cè)量各測(cè)點(diǎn)碳化深度。測(cè)得碳化深度后，沿澆筑側(cè)面切割約5 mm厚度的薄片，并研磨至粉末狀。將粉末倒入25 mL小燒杯中，加入水固比約為1∶3的蒸餾水并攪拌成糊狀，使用pH計(jì)測(cè)試其pH值，待pH計(jì)顯示穩(wěn)定后讀取數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦渣摻量對(duì)于混凝土強(qiáng)度的影響

抗折、抗壓強(qiáng)度作為混凝土的基本力學(xué)性能指標(biāo)，其對(duì)于評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性有著重要影響。不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度發(fā)展如圖1所示(圖示A、B段區(qū)域?yàn)榭焖偬蓟囼?yàn)對(duì)應(yīng)的正常標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期段)。由圖1可知，隨著礦渣摻量的增加，粉煤灰基地聚物混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展及最終強(qiáng)度均得到了較大的提升。在標(biāo)養(yǎng)條件下，各配方地聚物混凝土7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度61 %以上，抗折強(qiáng)度可達(dá)最大抗折強(qiáng)度77 %以上；14 d齡期試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度76 %以上，抗折強(qiáng)度可達(dá)最大抗折強(qiáng)度81 %以上。在各個(gè)齡期，各配方地聚物混凝土抗折抗壓強(qiáng)度均有GPC-50>GPC-30>GPC-10，即粉煤灰基地聚物混凝土抗折抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增大而增大。但值得注意的是，在相同養(yǎng)護(hù)條件下GPC-50養(yǎng)護(hù)至14 d即可達(dá)最大抗壓強(qiáng)度，而GPC-10配方地聚物混凝土養(yǎng)護(hù)至14 d后，抗壓強(qiáng)度依然緩慢增長(zhǎng)，直至112 d時(shí)抗壓強(qiáng)度仍有增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(a)抗壓強(qiáng)度發(fā)展經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)

(b)抗折強(qiáng)度發(fā)展經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)圖1 不同礦渣摻量地聚物混凝土抗壓抗折強(qiáng)度發(fā)展經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)

2.2 碳化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

如圖2所示，分別取養(yǎng)護(hù)至28 d及84 d齡期時(shí)，不同礦渣摻量地聚物混凝土試件進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，并測(cè)得在碳化3 d、7 d、14 d、28 d等不同碳化時(shí)間時(shí)各配方地聚物混凝土碳化后抗折抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)鼐畚锘炷琳ｐB(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)見(jiàn)圖2(a)，隨碳化齡期的增加，碳化作用對(duì)于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)逐漸增加，GPC-10碳化28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了8.8 %，碳化42 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了14.8 %，并依舊有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，GPC-30碳化后抗壓強(qiáng)度變化類(lèi)似于GPC-10，即便抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率隨碳化齡期的增加而下降的GPC-50配方地聚物混凝土，其碳化42 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度亦增長(zhǎng)了10.5 %；當(dāng)?shù)鼐畚锘炷琳ｐB(yǎng)護(hù)至84 d時(shí)見(jiàn)圖2(c)，隨碳化齡期的增加，碳化作用對(duì)于混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用反而有所降低，以GPC-10為例，相比碳化作用對(duì)于地聚物混凝土抗壓強(qiáng)度帶來(lái)的積極影響，碳化齡期對(duì)于其強(qiáng)度的增加反而不明顯，GPC-10及GPC-30配方地聚物混凝土在碳化3 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量均在10.5 %以上，反而在碳化至28 d時(shí)，其碳化后抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)條件下對(duì)應(yīng)試件抗壓強(qiáng)度相比，幾近沒(méi)有變化，即使抗壓強(qiáng)度增加較多的GPC-50配方地聚物混凝土，抗壓強(qiáng)度也只增長(zhǎng)了6.2 %。

(a)A1標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)不同碳化齡期地聚物抗壓強(qiáng)度

(b)A2標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)不同碳化齡期地聚物抗折強(qiáng)度

(c)B1標(biāo)養(yǎng)84d時(shí)不同碳化齡期地聚物抗壓強(qiáng)度

(d)B2標(biāo)養(yǎng)84d時(shí)不同碳化齡期地聚物抗折強(qiáng)度圖2 地聚物混凝土不同碳化時(shí)間抗壓抗折強(qiáng)度發(fā)展經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)

但對(duì)于地聚物混凝土抗折強(qiáng)度而言，碳化對(duì)其影響有所不同。如圖2(b)、圖2(d)所示，對(duì)于GPC-50配方地聚物混凝土，無(wú)論碳化齡期還是碳化作用對(duì)其抗折強(qiáng)度影響均十分有限，其抗折強(qiáng)度隨碳化作用及碳化齡期的增長(zhǎng)或降低均穩(wěn)定在±6.5 %以?xún)?nèi)；但隨著礦渣摻量的降低，地聚物混凝土抗折強(qiáng)度會(huì)隨著碳化齡期的增加出現(xiàn)先減小后增大直至正常養(yǎng)護(hù)條件下抗折強(qiáng)度的趨勢(shì)，且礦渣摻量越低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，這種趨勢(shì)越明顯。以GPC-10配方地聚物混凝土為例，對(duì)于標(biāo)養(yǎng)28 d試件，其在碳化時(shí)于碳化齡期為14 d時(shí)，抗折強(qiáng)度降低最大，抗折強(qiáng)度降低幅度達(dá)34.0 %，而對(duì)于標(biāo)養(yǎng)84 d試件，其在碳化時(shí)于碳化齡期為7 d時(shí)，抗折強(qiáng)度降低最大，抗折強(qiáng)度降低幅度達(dá)16.4 %，相比養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短試件，抗折強(qiáng)度降低幅度降低且降幅最大峰值提前，從側(cè)面反映出養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)于地聚物混凝土抗碳化具有一定的積極影響。

2.3 碳化齡期及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于混凝土碳化深度的影響

如表3、圖3所示，分別于碳化齡期為3 d、7 d、14 d及28 d時(shí)選取不同養(yǎng)護(hù)齡期不同礦渣摻量地聚物混凝土試件進(jìn)行碳化深度測(cè)定，并采用冪函數(shù)，對(duì)所得碳化深度-x與碳化時(shí)間-t進(jìn)行回歸分析，得到圖示各配方地聚物混凝土碳化深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。由表3可知，系數(shù)k隨著礦渣摻量的上升而下降，表明隨礦渣摻量的增大可增強(qiáng)粉煤灰即地聚物混凝土的抗碳化耐久性，并且由擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)較大可知，回歸分析結(jié)果具有較高可靠性。

圖3 混凝土碳化深度經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)

表3 碳化深度與回歸分析

圖4 CO2擴(kuò)散系數(shù)與碳化齡期關(guān)系

2.4 碳化齡期對(duì)于混凝土表面pH值的影響

研究表明，當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋周?chē)h(huán)境的pH值下降至11.5及以下時(shí)，鋼筋表面鈍化膜發(fā)生破壞，鋼筋開(kāi)始銹蝕，直至pH值下降至9.88時(shí)，鋼筋表面鈍化膜完全消失，混凝土保護(hù)層失效[8]。本文測(cè)試了各不同礦渣摻量粉煤灰基地聚物混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期試件在快速碳化不同齡期時(shí)混凝土表面PH值，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，隨快速碳化齡期的增加，各混凝土試件早期pH值呈線(xiàn)性下降，GPC-10配方地聚物混凝土在7～14 d時(shí)，混凝土表面pH值即下降至11.5以下，碳化42 d后，pH值降低至混凝土保護(hù)層完全失效臨界值，此時(shí)GPC-10配方地聚物混凝土表面pH值僅有10.1。相對(duì)而言，在快速碳化過(guò)程中，GPC-30及GPC-50配方地聚物混凝土PH值下降較慢，但亦在快速碳化28～42 d之內(nèi)，pH值降低至11.5以下。參照各不同礦渣摻量地聚物混凝土抗壓強(qiáng)度及碳化深度隨碳化齡期可得，粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化耐久性會(huì)隨著礦渣摻量的增加而增大，即有各配方地聚物混凝土抗碳化耐久性存在如下關(guān)系：GPC-50>GPC-30>GPC-10。

圖5 混凝土表面pH值與碳化齡期關(guān)系

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了10 %、30 %、50 %三種不同礦渣摻量地聚物混凝土配合比方案，通過(guò)研究其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及加速碳化條件下抗壓抗折強(qiáng)度、碳化深度及表面pH值的變化，得出以下結(jié)論：

(1) 礦渣的摻入可大幅提升粉煤灰基地聚物混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展。當(dāng)?shù)V渣摻量在50 %時(shí)，地聚物混凝土可在14 d內(nèi)養(yǎng)護(hù)得到其最大抗壓強(qiáng)度；當(dāng)?shù)V渣摻量在30 %及以下時(shí)，地聚物混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，抗壓強(qiáng)度依然緩慢增長(zhǎng)，直至112 d時(shí)抗壓強(qiáng)度仍有一定增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)碳化會(huì)增強(qiáng)粉煤灰基地聚物混凝土抗壓強(qiáng)度，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，碳化對(duì)于地聚物混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用會(huì)逐漸減弱。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期較短試件(標(biāo)養(yǎng)28 d)，碳化齡期是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)試件(標(biāo)養(yǎng)84 d)，當(dāng)?shù)V渣摻量在30 %及以下時(shí)，碳化對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)在碳化齡期較早時(shí)更加明顯，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，碳化作用及碳化齡期對(duì)于抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用均逐漸降低。

(3)碳化會(huì)使得地聚物混凝土抗折強(qiáng)度會(huì)隨碳化齡期的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且礦渣摻量越低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，這種趨勢(shì)越明顯。

(4)對(duì)于粉煤灰基地聚物混凝土而言，其抗碳化耐久性會(huì)隨著礦渣摻量的增加而增大，CO2擴(kuò)散系數(shù)及碳化深度均隨礦渣摻量的增加而減小，并與快速碳化齡期成線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系。