樊耀虎 何 真 蔡新華 劉 磊 王僉書 許桂強(qiáng) 甘祥威

（1 山東春禾新材料研究院有限公司；2 日照日拓建材有限公司；3 青島博碩新型建材有限公司）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以后，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，建筑行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展時期，每年混凝土的用量也在迅速上升，水泥作為混凝土必不可少的原材料，其用量及價格也在逐年上升，水泥的制造不僅會浪費(fèi)原材料而且還會對環(huán)境造成巨大的污染。而粉煤灰作為工業(yè)廢料也越來越多，將其替代水泥作為混凝土摻合料不僅能夠節(jié)約成本而且利于環(huán)保。目前，有關(guān)復(fù)雜多變環(huán)境下粉煤灰混凝土抗碳化性能影響，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[1-3]，通過對不同粉煤灰摻量混凝土的基準(zhǔn)碳化、凍融-碳化、干濕-碳化和凍融-干濕-碳化耦合損傷試驗。試驗結(jié)果表明：碳化深度與粉煤灰摻量、碳化齡期成正比例增長，凍融循環(huán)對碳化深度的影響大于干濕循環(huán)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，碳化深度呈冪函數(shù)增長，同時摻加粉煤灰會降低混凝土的堿度，改變其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)。陳茜[4]研究了不同摻量粉煤灰及養(yǎng)護(hù)條件對固定水膠比和可變水膠比混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響。研究結(jié)果表明：在固定水膠比條件下，混凝土強(qiáng)度與粉煤灰摻量成反比，抗碳化性能成正比，在可變水膠比條件下，提高粉煤灰摻量，混凝土強(qiáng)度隨之變化較小。崔正龍[5]以骨料、粉煤灰取代率、養(yǎng)護(hù)溫度及養(yǎng)護(hù)齡期為變量，探明不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境對粉煤灰混凝土強(qiáng)度和抗碳化性能的影響。研究結(jié)果表明：摻粉煤灰再生混凝土中長期強(qiáng)度要高于相同養(yǎng)護(hù)環(huán)境未摻粉煤灰的普通混凝土，對提高混凝土的強(qiáng)度及抗碳化性能非常有利，而伴隨著粉煤灰取代率的增加，水泥用量減少及粉煤灰的水化，都會不同程度上減少或消耗Ca (OH)2，導(dǎo)致pH 值的降低，從而影響抗碳化性能。

然而，目前針對不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境、不同粉煤灰摻量、不同水膠比對粉煤灰混凝土的研究還相對較少，本文通過采用不同養(yǎng)護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)）探究粉煤灰摻量和水膠比對粉煤灰混凝土力學(xué)性能及抗碳化性能的影響規(guī)律。

1 原材料及實驗方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用山東省莒縣恒興有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥；其比表面積為390m2/㎏；

⑵粉煤灰：華能Ⅱ級粉煤灰，其含水率為0.1%，細(xì)度為6.9%；

⑶礦粉：日照鋼鐵公司生產(chǎn)的S95 級礦粉，密度為2.8g/cm3；

⑷石子：當(dāng)?shù)厮槭?，粒?～31.5mm，經(jīng)測得粗骨料的表觀密度為2700㎏/m3，堆積密度1390㎏/m3，含泥量0.68%，吸水率1.0%，壓碎值6.7%；

⑸砂子：機(jī)制砂，表觀密度為2430㎏/m3，堆積密度1280㎏/m3，含泥量5.6%，吸水率1.6%；

⑹減水劑：聚羧酸減水劑；

⑺水：試驗室自來水。

1.2 試驗方法

本文試驗方法和混凝土性能評價采用GB/T5008-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]、GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗標(biāo)準(zhǔn)》[8]進(jìn)行試驗。

1.3 試驗配合比

考慮礦粉固定摻量為20%，粉煤灰摻量采用0%，10%，20%，30%取代水泥，研究粉煤灰混凝土力學(xué)性能影響試驗研究，其試驗配合比如表1 所示。

表1 粉煤灰混凝土配合比

2 試驗結(jié)果及分析

粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度及碳化深度試驗結(jié)果見表2。

2.1 水膠比0.46 時，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度及抗碳化性能變化規(guī)律

從表2 可知：水膠比為0.46 時，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢?；炷量固蓟芰﹄S粉煤灰摻量增加而減弱。粉煤灰摻量為10%時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土28d 時抗壓強(qiáng)度最高44.8MPa，與對照組抗壓強(qiáng)度46.4MPa 基本持平。說明混凝土中少量摻加粉煤灰對混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗碳化性能影響較少。在相同水膠比和粉煤灰摻量下，粉煤灰混凝土碳化深度根據(jù)養(yǎng)護(hù)條件不同而有所改變，自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土碳化深度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)深。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，粉煤灰摻量為10%時，粉煤灰混凝土28d 碳化深度最小為4.3mm，小于空白對照組混凝土4.6mm，抗碳化能力最強(qiáng)。自然養(yǎng)護(hù)時，粉煤灰摻量為20%時碳化深度最小，為8.1mm。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，對于粉煤灰混凝土抗碳化性能而言，不同養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰的最佳摻量有所區(qū)別。

表2 粉煤灰混凝土試驗結(jié)果

由圖1 可知，混凝土的抗碳化性能隨抗壓強(qiáng)度增高而減少，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土抗碳化性能優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)，且混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗碳化性能隨養(yǎng)護(hù)條件的改變而發(fā)生變化。

圖1 水膠比0.46 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2 水膠比0.38 時，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度及抗碳化性能變化規(guī)律

由圖2 可知：兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗碳化性能隨抗壓強(qiáng)度變化曲線的斜率基本相似，粉煤灰混凝土的抗碳化能力基本一樣。由表2 可知：無論是自然養(yǎng)護(hù)還是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，粉煤灰最佳摻量為20%。此時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)下的粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為48.3MPa和54.4MPa，對應(yīng)的碳化深度分別為6.1mm、6.6mm。兩種養(yǎng)護(hù)條件相比，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的粉煤灰混凝土抗碳化性能優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)條件。主要原因是自然養(yǎng)護(hù)條件下濕度和溫度根據(jù)天氣條件而發(fā)生改變，混凝土化學(xué)反應(yīng)較慢，強(qiáng)度增長緩慢，混凝土內(nèi)部孔隙較多，CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部的路徑增多，因此，抗碳化能力較弱。而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土在恒定的濕度和溫度環(huán)境中，養(yǎng)護(hù)較為充分，混凝土能夠更加密實，強(qiáng)度較高。混凝土內(nèi)部孔隙較少，抗碳化能力變強(qiáng)。

圖2 水膠比0.38 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.3 水膠比0.34 時，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度及抗碳化性能變化規(guī)律

由圖3 可知：當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度小于45MPa 時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土碳化深度高于自然養(yǎng)護(hù)。當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度超過45MPa 時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土碳化深度低于自然養(yǎng)護(hù)，且混凝土的抗碳化性能碳隨抗壓強(qiáng)度的增加而加強(qiáng)。由表2 和圖3 可知：粉煤灰摻量為10%時，粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。超過10%時，混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而加深，強(qiáng)度有所下降。主要原因是混凝土摻入粉煤灰后，粉煤灰作為礦物摻合料代替部分水泥，水泥水化作用生成的堿性物質(zhì)Ca（OH）2因為水泥的用量減少而降低。會使混凝土中的堿性物質(zhì)被過度消耗，使其堿度降低，混凝土的抗碳化能力也會隨之變?nèi)?，使得碳化速率變快，碳化深度增加。與水膠比0.38、0.46 相比，不論標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是自然養(yǎng)護(hù)，混凝土碳化深度均較小。試驗表明：水膠比的降低有利于混凝土抗碳化性能的提升。

圖3 水膠比0.34 時混凝土抗碳化性能隨抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

3 結(jié)論

⑴通過試驗可知，在不同養(yǎng)護(hù)條件和水膠比下，粉煤灰的摻量不宜超過20%，此時，水膠比為0.46、0.38和0.34 混凝土28d 的碳化深度分別為8.1mm、6.6mm、4.9mm；

⑵在養(yǎng)護(hù)條件和粉煤灰摻量相同情況下，粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨水膠比降低而增強(qiáng)；

⑶在相同水膠比和粉煤灰摻量情況下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土的抗碳化能力強(qiáng)于自然條件養(yǎng)護(hù)；

⑷粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨碳化齡期和粉煤灰摻量的增加而降低；

⑸同條件下，粉煤灰混凝土的抗碳化性能與抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系。