再生高性能混凝土抗碳化性能試驗(yàn)研究

　　摘要：抗碳化性能是衡量再生高性能混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)一正交試驗(yàn)，研究水膠比、礦物摻合料、再生粗細(xì)骨料取代率以及應(yīng)力水平對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)再生混凝土的水膠比以及粗骨料的取代率對(duì)混凝土的碳化深度影響很大。(2)再生混凝土的碳化深度和碳化時(shí)間的平方根基本成一直線關(guān)系。(3)再生混凝土在拉應(yīng)力狀態(tài)下其碳化深度會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增大。

　　關(guān)鍵詞：高性能混凝土;水膠比;粉煤灰;礦渣;抗碳化性能

　　一、引言

　　混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)使用壽命期間內(nèi)，由于受到環(huán)境和荷載的雙重作用，引起結(jié)構(gòu)的老化、腐蝕，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的降低，因此建筑工程結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已引起工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注。再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)由于再生骨料的加入而變得比普通混凝土更為復(fù)雜。在再生混凝土中至少存在兩種界面：再生粗骨料中天然骨料和附著老砂漿之間的界面、再生粗骨料的老砂漿與新砂漿之間的界面。這種復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)給分析再生混凝土的耐久性帶來(lái)了困難。關(guān)于再生混凝土抗碳化性能國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者作了初步探討[1-2]，但他們研究結(jié)果可比性較差，還存在不一致、甚至相互矛盾的結(jié)論，并且未考慮應(yīng)力狀態(tài)的影響，而在外加應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微觀裂紋使得CO2在再生混凝土中擴(kuò)散的渠道增多加速了CO2的擴(kuò)散。因此，為研究裂縫的影響，開(kāi)展拉應(yīng)力狀態(tài)下再生混凝土的抗碳化性能研究很有必要[3-5]。

　　二、試驗(yàn)原材料及主要設(shè)備

　　2.1試驗(yàn)原材料

　　廢棄混凝土樣品取自某檢測(cè)中心提供的廢棄混凝土試塊(原始強(qiáng)度等級(jí)為C40，粗骨料為卵石)，試驗(yàn)前再生骨料采用高溫強(qiáng)化。

　　粉煤灰，采用揚(yáng)州亨威熱電廠提供的Ⅰ級(jí)粉煤灰，實(shí)測(cè)細(xì)度<8%、燒失量<5%、需水量比<95%，含水率<0.2%，三氧化硫<0.67%，均符合Ⅰ級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。

　　礦粉，由揚(yáng)州汊河超細(xì)粉廠提供，比表面積為487m2/kg。為堿性礦渣，活性較好。

　　減水劑，為揚(yáng)州江都潤(rùn)揚(yáng)化工有限公司生產(chǎn)的氨基磺酸系高效減水劑，黑色液態(tài)，減水率為15%～25%，摻入量控制在0.5～1.2%左右。

　　2.2主要設(shè)備

　　混凝土碳化試驗(yàn)箱CCB-70A由江蘇省蘇州市東華試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)，CO2濃度：20±3%，濕度控制：70±5%，溫度控制20±5℃;采用WE-300液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)，最大負(fù)荷為300千牛頓。

　　三、試驗(yàn)方案及方法

　　3.1試驗(yàn)方案

　　本試驗(yàn)在快速碳化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究水膠比、礦物摻合料、再生粗細(xì)骨料取代率、應(yīng)力水平對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律。碳化試驗(yàn)考慮荷載耦合，采用兩個(gè)100×100×300的試塊用鉚釘同時(shí)加載，其力學(xué)模型見(jiàn)圖1。

　　圖1 再生混凝土碳化試塊受力示意圖

　　選取正交表L18(37)進(jìn)行試驗(yàn)，其因素水平見(jiàn)表1。

　　表1 碳化試驗(yàn)因素水平表

　　A B C D E F G

　　水平 水膠比 再生粗骨料

　　% 再生細(xì)骨料

　　% 粉煤灰

　　% 礦渣

　　% 砂率

　　% 應(yīng)力水平 ft

　　1 0.36 30 10 15 15 35 0.5

　　2 0.33 60 20 25 25 40 0.8

　　3 0.30 90 30 35 35 45 1.2

　　根據(jù)正交試驗(yàn)方法，可以排列出18組試驗(yàn)。

　　3.2試驗(yàn)方法

　　碳化試驗(yàn)采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ 82―85)中的快速碳化試驗(yàn)方法，所用棱柱體混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×300mm。

　　在試驗(yàn)前2天從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出試塊，放入101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，在60℃的烘箱中烘48h。經(jīng)烘干的試件留下一個(gè)側(cè)面外，其余表面均用加熱的石蠟予以密封。在側(cè)面上順長(zhǎng)度方向用鉛筆以10 mm間距畫(huà)出平行線，以確定碳化深度的測(cè)量點(diǎn)。再將試塊放入CO2濃度保持在(20±3)%、相對(duì)濕度為(70±5)%、溫度為(20±5)℃的碳化箱內(nèi)。

　　碳化到7天、14天、28天、60天時(shí)，分別取出試件破型，測(cè)定碳化深度。將切除所得的試件部分，刮去斷面上殘余的粉末，立即噴上1%的酚酞酒精溶液。圖2顯示再生混凝土試件的碳化情況。

　　圖2 再生混凝土碳化試件的碳化深度

　　四、碳化試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　4.1碳化試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

　　根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ 82-85)中的快速碳化試驗(yàn)方法測(cè)出試件在7d、14d、28d和60d的碳化深度，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

　　表2 正交試驗(yàn)碳化深度(mm)

　　編號(hào) 水膠比 再生粗骨料(%) 再生細(xì)骨料(%) 粉煤灰

　　(%) 礦渣

　　(%) 砂率

　　(%) 應(yīng)力水平(ft) 7d 14d 28d 60d

　　1 0.36 30 10 15 15 35 0.5 2.0 3.0 4.6 8.2

　　2 0.36 60 20 25 25 40 0.8 1.8 2.8 4.8 8.8

　　3 0.36 90 30 35 35 45 1.2 3.0 3.6 6.4 12.1

　　4 0.33 30 10 25 25 45 1.2 1.6 2.1 3.9 6.8

　　5 0.33 60 20 35 35 35 0.5 2.2 3.0 4.6 8.9

　　6 0.33 90 30 15 15 40 0.8 2.3 2.7 5.2 9.6

　　7 0.3 30 20 15 35 40 1.2 不明顯 1.8 3.5 4.8

　　8 0.3 60 30 25 15 45 0.5 不明顯 1.6 2.9 5.8

　　9 0.3 90 10 35 25 35 0.8 3.0 3.8 6.3 12.2

　　10 0.36 30 30 35 25 40 0.5 1.6 2.2 3.9 6.7

　　11 0.36 60 10 15 35 45 0.8 2.0 2.6 4.8 9.7

　　12 0.36 90 20 25 15 35 1.2 1.9 2.8 5.3 9.8

　　13 0.33 30 20 35 15 45 0.8 1.3 1.7 3.1 5.8

　　14 0.33 60 30 15 25 35 1.2 1.2 2.0 3.7 6.9

　　15 0.33 90 10 25 35 40 0.5 2.2 3.2 5.8 10.6

　　16 0.3 30 30 25 35 35 0.8 不明顯 3.0 4.2 7.8

　　17 0.3 60 10 35 15 40 1.2 不明顯 3.6 4.3 8.4

　　18 0.3 90 20 15 25 45 0.5 2.7 2.9 5.6 10.2

　　4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

　　(1)再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響

　　再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土14d、28d、60d抗碳化性能的影響見(jiàn)圖3。從圖3可見(jiàn)，再生混凝土試塊的碳化深度隨再生粗骨料取代率的增大而增大，這可能因?yàn)樵偕�粗骨料的孔隙率大于天然骨料，使得再生混凝土的孔隙率與同水膠比的天然混凝土相比有較大增加，這無(wú)疑會(huì)使再生混凝土抗碳化能力降低。在不同的齡期不同的再生粗骨料的取代率使得試件的碳化深度也有所不同，14d時(shí)碳化程度不明顯，但隨著粗骨料取代率的增加而增加，在28d和60d時(shí)，當(dāng)再生粗骨料的取代率在60%左右時(shí)，碳化程度有所降低。表明，再生粗骨料取代率在60%左右時(shí)，骨料級(jí)配為相對(duì)合理的狀態(tài)，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，從而減緩了CO2擴(kuò)散速度，降低了再生混凝土的碳化深度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　圖3 再生粗骨料取代率對(duì)碳化深度的影響

　　(2)水膠比對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響

　　再生粗骨料取代率在60%時(shí)，水膠比分別取0.30、0.33、0.36，分析再生混擰土碳化深度隨碳化時(shí)間的變化規(guī)律(圖4)。從圖4可以看出，再生粗骨料取代率為60%，水膠比在0.36時(shí)再生混凝土抗碳化性能比水膠比在0.30及0.33時(shí)好。當(dāng)水膠比在0.3及0.33時(shí)，再生混凝土碳化深度比較大。這一點(diǎn)，與抗壓強(qiáng)渡隨水膠比的增大而降低的規(guī)律正好相反。主要是因?yàn)樵谒�膠比在0.3時(shí)，混凝土偏干硬，影響混凝土的和易性，使混凝土水化反應(yīng)不是很充分，影響混凝土內(nèi)部的密實(shí)性。水膠比在0.36時(shí)，混凝土拌合物的坍落度為60mm左右，具備一定的流動(dòng)性，混凝土的保水性和流動(dòng)性都比較好，使再生混凝土的水化反應(yīng)比較充分，提高了再生混凝土的密實(shí)度，從而降低了CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　圖4 水膠比對(duì)碳化深度的影響

　　(3)礦物摻合料對(duì)再生混凝土碳化深度的影響

　　水膠比取0.36，再生粗骨料取代率為60%，齡期為28d時(shí)，粉煤灰和礦渣摻量分別取15%、25%、35%時(shí)，碳化深度隨粉煤灰和礦渣摻量變化的規(guī)律如圖5和圖6。礦物摻合料可以細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙、改善再生骨料與新水泥漿的界面。但是，從圖5可以看出，摻加粉煤灰會(huì)使混凝土的28d碳化深度增大，這是因?yàn)榉勖夯业亩�次水化反�?yīng)使混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2含量降低，從而增大了碳化速率，這與孫浩[2]得出的結(jié)論是一致的。但是，用礦渣部分取代水泥后，隨著礦渣摻量的增加混凝土碳化深度先增加后顯著降低，從圖6可看出25%左右時(shí)碳化最明顯，這與孫浩得出的加礦渣使混凝土碳化深度顯著減小的結(jié)論不一致。可見(jiàn)礦物摻合料對(duì)混凝土碳化的影響還需進(jìn)一步的研究。

　　圖 5 粉煤灰摻量對(duì)碳化深度的影響

　　圖 6礦渣摻量對(duì)碳化深度的影響

　　(4)再生混凝土碳化深度隨著時(shí)間的變化規(guī)律

　　研究在不同水膠比下再生混凝土的碳化深度隨碳化時(shí)間的關(guān)系(圖7)。由圖7可以看出，不同的試件在不同的水膠比情況下，再生混凝土的碳化深度跟碳化時(shí)間的平方根基本呈線性關(guān)系，也就是說(shuō)碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比關(guān)系�？捎媒�似式X=Kct1/2來(lái)表示(X為碳化深度， Kc為碳化速率，t為碳化時(shí)間)，這與雷斌等[1]的結(jié)論是一致的。

　　圖7 碳化深度隨碳化時(shí)間的變化

　　(5)應(yīng)力水平對(duì)碳化深度的影響

　　本試驗(yàn)考慮荷載和碳化的耦合作用。由于實(shí)際工程中軸向受拉的情況較少，絕大多數(shù)為彎曲受拉情況，因此設(shè)計(jì)如圖1所示的受力示意圖。由于是素混凝土試塊，受到混凝土的抗拉強(qiáng)度的限制，故加載不大，用簡(jiǎn)單的重物加載和螺栓加載即可滿足要求。圖8為不同齡期下應(yīng)力水平與碳化深度的關(guān)系，可見(jiàn)，在拉應(yīng)力狀態(tài)下再生混凝土的碳化深度會(huì)增大，在應(yīng)力水平為1.2ft時(shí)，碳化深度增大到最大，這是因?yàn)樵诶瓚?yīng)力狀態(tài)下再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫，從而加速了碳化的進(jìn)行。

　　圖8 應(yīng)力水平與碳化深度的關(guān)系

　　五、結(jié)論

　　本文采用試驗(yàn)的研究不同再生骨料的取代率對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律，找出一合理的再生骨料取代率;研究粉煤灰與礦渣雙摻對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響;研究在各種應(yīng)力水平作用下，再生混凝土試塊碳化深度的規(guī)律;以及再生混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)分析，總結(jié)如下：

　　5.1 試驗(yàn)研究表明：再生混凝土的粗骨料的取代率對(duì)混凝土的影響很大。取代率RRC=60%時(shí)，骨料級(jí)配處在一個(gè)相對(duì)合理的狀態(tài)，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，從而減緩了CO2擴(kuò)散速度，減少了再生混凝土的碳化深度進(jìn)而提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　5.2通過(guò)試分析，再生粗骨料取代率在60%時(shí)，水膠比為0.36時(shí)，再生混凝土抗碳化性能相對(duì)較好，混凝土幾乎無(wú)碳化現(xiàn)象。此時(shí)，混凝土拌合物的坍落度為60mm左右，具備一定的流動(dòng)性，混凝土的保水性和流動(dòng)性都比較好，使再生混凝土的水化反應(yīng)比較充分，提高了再生混凝土的密實(shí)度，從而降低了CO2在混凝土中的擴(kuò)散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　5.3再生混凝土在拉應(yīng)力狀態(tài)下其碳化深度會(huì)增大，在應(yīng)力水平為1.2ft時(shí)，碳化深度增大到最大。可見(jiàn)碳化和荷載的耦合作用會(huì)加劇碳化的發(fā)生。這是因?yàn)樵诶瓚?yīng)力狀態(tài)下再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫，從而加速了碳化的進(jìn)行。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 雷斌、肖建莊.再生混凝土抗碳化性能的研究[J].混凝土，2006.(9)：48-50.

　　[2] 孫浩、王培銘、孫家瑛.再生混凝土抗氣滲性及抗碳化性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2006.(2)：86-91.

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